автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка рациональных режимов электрошлакового переплава роликов и стенок кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок

шетролшнй

На правах рукописи

Юсин Александр Николаевич

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА РОЛИКОВ И СТЕНОК КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.16.02 - Металлургия чёрных, цветных и

редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2004

Работа выполнена в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова.

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, профессор

Вдовин Константин Николаевич

доктор технических наук, профессор

Рощин Василий Ефимович

кандидат технических наук доцент

Агапитов Евгений Борисович

ОАО «Магнитогорский калибровочный завод», г. Магнитогорск

Защита состоится 27 апреля 2004 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова.

Автореферат разослан марта 2004 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Селиванов В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Производительность МНЛЗ непрерывно возрастает, что влечёт за собой повышенный износ её агрегатов. Основными элементами МНЛЗ, работающими в контакте с разливаемым металлом, являются кристаллизатор и опорные ролики. Работа в непосредственном контакте с разливаемым металлом вызывает их повышенный износ из-за термических нагрузок, а также наличия сил трения. Это приводит к необходимости постоянных ремонтов деталей и агрегатов МНЛЗ. После выработки своего ресурса опорные ролики и медные стенки кристаллизаторов МНЛЗ заменяют на новые. Возникает проблема утилизации выработавших свой ресурс роликов и медных стенок кристаллизаторов МНЛЗ.

Утилизацию роликов и медных стенок можно производить в любых металлургических агрегатах. Но как по времени; так и по стоимости, цена ролика, соответствующая получаемому качеству металла, будет минимальна при переплаве отработавших роликов на установках электрошлакового переплава (ЭШП), которые наиболее эффективно сочетают производительность и высокое качество выплавляемого металла. Главное достоинство процесса ЭШП -обеспечение возможности получения плотной однородной структуры слитка по всему сечению. Производительность процесса ЭШП лимитируется лишь скоростью кристаллизации металлической ванны. В связи с этим актуально рассмотреть возможность повышения производительности процесса ЭШП, как путём изменения технологических параметров переплава, так и путём доработки конструкции некоторых элементов установок ЭШП.

Однако отсутствуют модели, позволяющие определять оптимальный режим переплава и соответствующее ему удельное электрическое сопротивление шлака. В качестве критерия оптимальности могут выступать как максимальная производительность, так и минимальные затраты электроэнергии на процесс переплава. Задача повышения производительности ЭШП может быть решена путём моделирования.

Имеются различные технологии по ЭШП медных стенок кристаллизаторов МНЛЗ и других медных отходов производства. Использование известных флюсов для ЭШП медных стенок кристаллизаторов не позволяет получить металл высокого качества как по химическому составу, так и по структуре. Актуальным является проведение исследования по поиску и разработке новых флюсов для ЭШП меди.

Целью работы является разработка рациональных режимов ЭШП роликов и стенок кристаллизаторов МНЛЗ путем усовершенствования технологии утилизации их и увеличение производительности процесса ЭШП при снижении удельного расхода электроэнергии и получении металла высокого качества.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Составить математическую модель процесса ЭШП для установления параметров, значимо влияющих на технологические параметры и на выбор электрического режима переплава.

2. Произвести математическое моделирование процесса ЭШП для оценки возможности изменения производительности и удельного расхода электроэнергии при условии обеспечения высокого качества металла отливки, и определить адекватность составленной математической модели.

3. По результатам моделирования произвести коррекцию имеющихся в цехе электрических режимов переплава и установить химический состав шлака, обеспечивающий наибольшую производительность процесса при сохранении качества металла.

4. Разработать новые флюсы для переплава меди и соответствующие им технологические режимы переплава.

5. Разработать новую конструкцию кристаллизатора ЭШП, обеспечивающую снижение доли потерь тепла от шлаковой ванны через стенку.

Научная новизна работы.

1. Разработана математическая модель, позволяющая определять рабочие характеристики процесса ЭШП в зависимости от удельного электрического сопротивления шлакового расплава и прогнозировать время переплава и производительность при заданных технологических параметрах.

2. Расширена база данных химических составов существующих флюсов, на основе которой проведены исследования их электропроводности и подобраны новые составы флюсов для ЭШП отработавших роликов МНЛЗ, позволяющие существенно повысить производительность переплава без снижения качества металла.

3. Разработаны новые химические составы флюсов для утилизации меди на установках ЭШП, обеспечивающие получение качественных слитков для изготовления кристаллизаторов ЭШП и МНЛЗ. Получен патент РФ на изобретение на состав флюса.

4. Разработана новая конструкция кристаллизатора ЭШП, защищенная патентом РФ на полезную модель. Теоретически определены тепловые режимы работы нового кристаллизатора и установлена максимально допустимая толщина стальной части стенки.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- предложены и внедрены новые электрические режимы переплава методом ЭШП роликов МНЛЗ на имеющихся в цехе флюсах, позволившие повысить производительность и при месячном выпуске 200 слитков дополнительно выплавлять 6 слитков в месяц (имеется акт внедрения новых электрических режимов переплава);

- определены химические составы флюсов и соответствующие им электрические режимы переплава методом ЭШП отработавших роликов, позволяющие получить производительность большую, чем на имеющихся в цехе флюсах;

- разработаны новые химические составы флюсов для утилизации списанных медных плит кристаллизаторов МНЛЗ методом ЭШП, позволяющие снизить загрязнённость, уплотнить структуру металла и за счёт этого повысить механические свойства (имеется акт внедрения новых составов флюсов для ЭШП меди); получен патент РФ на изобретение по одному составу флюса; подана заявка на изобретение по второму составу флюса для ЭШП меди;

- разработана, защищена свидетельством РФ на. полезную модель и рекомендована к внедрению конструкция кокиля кристаллизатора ЭШП с составной медно-стальной стенкой, позволяющая либо снизить удельный расход электроэнергии, либо повысить производительность (имеется акт опытной наплавки поверхности медной плиты сталью и рекомендации к изготовлению кристаллизатора и внедрению в цехе).

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции: «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (г. Липецк, 2001 г.), на региональной научно-технической конференции: «Фундаментальные проблемы металлургии» (г. Екатеринбург, 2003 г.), на ежегодных научно-технических конференциях МГТу им. Г.И. Носова по итогам научно-исследовательских работ за 2001 - 2002 гг. и 2002 -2003 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, среди которых 9 статей, 1 НИР, 1 патент РФ на изобретение, 1 свидетельство РФ на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 124 наименований, приложения и содержит 156 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 22 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность диссертации.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНО-ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР

В главе произведён литературно-патентный обзор известных математических моделей, описывающих процесс ЭШП и позволяющих определять влияние различных технологических параметров на ход процесса и на его технико-экономические показатели. Установлены основные технологические параметры и изучены общие закономерности их влияния на процесс переплава.

Исследованиям процесса ЭШП посвящены работы Б.Е. Пато-на, Б. И. Медовара, Ю.В. Латаша, М.М. Клюева, А.Ф. Каблуковского, Ю.М. Миронова.

В обзоре рассмотрены различные конструкции кристаллизаторов ЭШП, предложенные разными авторами с целью увеличения стойкости и снижения доли потерь тепла от шлаковой ванны.

Рассмотрены известные технологии ЭШП меди и применяемые для этого флюсы. Проанализирована возможность использования флюсов известных химических составов для утилизации медных стенок кристаллизаторов МНЛЗ.

На основании анализа и обобщения литературных данных сделан вывод о необходимости совершенствования технологии утилизации деталей МНЛЗ. Также необходима доработка конструкции кристаллизатора ЭШП.

Сформулированы цель и задачи исследования.

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА

В главе представлена математическая модель, в основе которой лежит электрический расчёт схемы замещения короткой сети печного трансформатора, представленной на рис. 1

Рис. 1. Схема короткой сети печного трансформатора ЭШП

При составлении модели были приняты следующие допущения:

1. Рассматривается только квазистационарный период процесса ЭШП.

2. Сопротивление шлаковой ванны рассчитывается для температуры равной 1700 °С и считается неизменным по ходу процесса переплава.

3. Суммарное сопротивление электрода и слитка считается неизменным по ходу процесса.

Зная сопротивления, отдельных участков вторичной цепи трансформатора печи определяем общее сопротивлениег(ршп) каких сумму. Тогда ток во вторичной обмотке трансформатора равен: и.

ЭЛ (Ршл )

2(р ) гшл

(1)

где ^ - напряжение на вторичной обмотке печного трансформатора.

Затем определяются мощность потерь и мощность, вводимая в шлаковую ванну, как произведения квадрата тока во вторичной обмотке печного трансформатора на суммарное сопротивление вторичной обмотки за вычетом сопротивления шлаковой ванны Яшл и на сопротивление шлаковой ванны соответственно.

Определяем рабочие характеристики процесса:

Г л(р ) = РШЛ(Р )/ртр(Р ) ■ КПД: (2)

шл шл к шл

С(Ршл) = С(Ршл)'(Зтах - ПрОИЗВОДИТвЛЬНОСТЬ,

где а(р шл/ — ' шМНшл/' гшлта*1

1рл(р ) = тсл / С(р )- время плавления;

шл )-

(3)

(4)

(5)

шл

(6)

\.0{р ) = РТ0(р )-1Пл(Р )-ул. расход шл к шл шл

электроэнергии.

Одной из рабочих характеристик является производительность переплава. Она представлена на рис. 2.

Повышения производительности можно было добиться путём изменения конструкции кристаллизатора ЭШП. Была разработана и защищена патентом на полезную модель № 32420 новая конструкция кристаллизатора с составной медно-стальной стенкой, снижающей долю потерь тепла от шлаковой ванны.

В основу расчёта теплового режима работы кристаллизатора новой конструкции положена методика В.Л. Шевцова, в которую внесены изменения.

Изменения касаются зависимости доли потерь тепла шлаковой ванны от величины отношения площадей поверхности контакта жидкого шлака со стенкой кристаллизатора к поверхности металлической ванны для чисто медной стенки кристаллизатора, так как в новом кристаллизаторе стенка медно-стальная.

Была получена аналогичная зависимости для медно-стальной стенки:

где - доля потерь тепла шлаковой ванны через медную стенку кристаллизатора; - полные термические сопротивления пу-

тей прохождения теплового потока для медной и медно - стальной стенок соответственно.

и определяются суммой термических сопротивлений:

теплоотдачи от металла к стенке (медной или стальной соответственно), теплопередачи (медной или медно-стальной стенки соответственно) и теплоотдачи от стенки к воде.

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭШП

Выполнено моделирование рабочих характеристик процесса переплава по разработанной модели для рабочего диапазона удельных сопротивлений шлакового расплава.

Установлено, что ряд характеристик таких как мощность, вводимая в шлаковую ванну, мощность печного трансформатора, время плавления и производительность процесса изменяются экстремально (см. рис. 2), что свидетельствует о наличии некоторого значения удельного электрического сопротивления, при котором достигаются наивысшие показатели по рабочим характеристикам.

Изменение напряжения на вторичной обмотке печного трансформатора приводит к пропорциональному изменению рабочих характеристик процесса. При этом экстремум рабочих характеристик не смещается по оси удельных электрических сопротивлений.

Установлено, что изменения величин межэлектродного промежутка и коэффициента заполнения кристаллизатора приводят к смещению экстремумов рабочих характеристик по оси удельных электрических сопротивлений. Увеличение межэлектродного промежутка или уменьшение коэффициента заполнения кристаллизатора приводят к смещению экстремума в область низких сопротивлений шлаковой ванны, и наоборот.

Промоделирован тепловой режим работы кристаллизатора ЭШП с составной медно-стальной стенкой. Установлено, что при толщине стальной части стенки 10 - 12 мм температура на рабочей поверхности кокиля составит 500...550 °С.

На конструкцию кристаллизатора получено свидетельство РФ на полезную модель. Опробована технология аналогичная наплавке медной стенки кристаллизатора порошковой проволокой 25Х5ФМС под слоем флюса АН-348А. Новая конструкция кристаллизатора рекомендована к внедрению (имеется акт опытной наплавки стали на медь и рекомендации к внедрению).

После проведения моделирования и сбора практических данных по электрическим режимам переплава, произвели проверку разработанной математической модели на адекватность с помощью критерия Фишера. В результате проверки установлено, что для Р-распределения Фишера при уровне значимости ц = 0,05 расчётное значение Р = 2,617 меньше табличного значения РКР = 2,71, а следовательно гипотеза об адекватности модели не отвергается.

Глава 4. ТЕХНОЛОГИЯ ЭШП ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Изучена существующая технология переплава отработавших роликов МНЛЗ методом ЭШП на флюсах: АНФ-32, АНФ-35, доменный гранулированный шлак или смесь флюсов АНФ-32 (АНФ-35) с доменным гранулированным шлаком.

Исследованы электрические режимы переплава и производительность при выплавке одного и того же слитка на разных флюсах (см. рис. 3).

Исл, м

2 1,5 1

0.5

0 50 100 150 200 250 300 350 МИН

Рис. 3. Время выплавки слитка на флюсах, используемых в ЦРМО-3:1 - граншлак; 2 - составной; 3 - АНФ-35; 4 - АНФ-32

Установлено, что наибольшая производительность достигается при использовании в качестве флюса доменного гранулированного шлака. По химическому составу металл соответствует стали марки 25X1МФ. Макроструктура металла плотная. Микроструктура состоит из зернистого перлита с дендритной ориентировкой и феррита в виде разорванной сетки по границам зёрен.

Однако, при переплаве на доменном гранулированном шлаке сера из шлака частично переходит в металл. В результате металл не соответствует ГОСТ по высокому содержанию серы, хотя как показывают серные отпечатки по Бауману темплетов от слитков ЭШП, распределение серы по сечению слитка равномерное, точечное.

Исследована электропроводность шлаковых расплавов различных химических составов при рабочих температурах процесса ЭШП 1600...1700 ОС. В работе представлены данные по 100 различным химическим составам флюсов, компонентами которых являются: СаЯг. СаО, А^Оз, БЮг и МдО. Полученные данные показывают, что наибольшей удельной электропроводностью обладают шлаковые расплавы на основе СаРг. По мере снижения содержания СаЯг удельная электропроводность шлаков падает. Наименьшей проводимостью обладают шлаки системы СаО - А1гОз - $¡02, не имеющие в своём составе фторсодержащих компонентов. Средними значениями электропроводности обладают шлаковые расплавы на основе фтористого кальция с добавками СаО, А^Оз, БЮг-

Изучив существующую базу данных по удельному электрическому сопротивлению шлаков различных химических составов, а так-

же по результатам моделирования, скорректировали электрические режимы переплава стали марок 25X1МФ и 25X1М1Ф на используемых в цехе флюсах. Это позволило дополнительно к 200 слиткам в месяц выплавлять ещё 6 слитков (имеется акт внедрения новых электрических режимов переплава).

Установлено, что возможно получение шлаков различных химических составов с одинаковыми значениями удельной электропроводности, но отличающимися прочими физико-механическими свойствами. Таким образом, можно подбирать химический состав шлака для ЭШП с требуемыми физико-химическими свойствами, при условии фиксации удельной электропроводности.

При использовании различных составов флюсов или же при переплаве различных марок металлов и сплавов, электрический режим процесса меняется.

Например, исследовали переплав стали марок 25X1 МФ и 25Х1М1Ф на печах ЭШП, работающих по монофилярной схеме. Установлен диапазон значений удельных электрических сопротивлений шлаковых расплавов, при котором обеспечивается максимальная производительность переплава. Наилучшие технико-экономические показатели наблюдаются при изменении удельного электрического сопротивления шлакового расплава в диапазоне 0,017...0,023 Ом-м (или удельной электропроводности в диапазоне 0,4...0,6 Сим/см). По значению удельного электрического сопротивления шлакового расплава и по проведённым исследованиям электропроводности шлаков определили 11 подходящих химических составов шлака. При этом время переплава на шлаках указанных составов составит около 3 часов, при существующем времени переплава порядка 4 часов.

При выборе шлака следует учесть, что его химический состав помимо электропроводности обусловливает и прочие его физико-химические свойства: вязкость, газопроницаемость, основность и т.д. Химический состав шлака может не удовлетворить предъявляемым требованиям по одному из физико-химических свойств.

Глава 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПО ЭШП МЕДИ

Для ЭШП меди, ввиду высоких электро- и теплопроводностей, свойственна высокая производительность. Увеличение производительности в большей степени практически невозможно, поскольку скорость кристаллизации жидкой металлической ванны может оказаться меньше скорости поступления расплавленного металла в металлическую ванну. Если использовать стационарный кристал-

лизатор, высота которого равна длине слитка с технологическим припуском, то чрезмерное увеличение глубины металлической ванны приведёт к ухудшению структуры металла слитка и даже к дефектам, свойственным отливкам в неохлаждаемые формы. Поэтому при ЭШП меди и сплавов на её основе, основное внимание следует уделять на качество металла слитка, а не на увеличение производительности процесса.

Качество слитка ЭШП зависит от химического состава и чистоты металла расходуемого электрода, от химического состава флюса и электрического режима процесса переплава.

Расходуемый электрод изготавливается из меди марки М1р. Электрический режим установлен опытным путём. В виду указанных особенностей ЭШП меди, в частности высокой производительности процесса, регулирование электрического режима практически невозможно и нецелесообразно.

Подбор химического состава флюса, а также электрического режима переплава осуществляли в большей степени опытным путём. Кроме того, по флюсам был проведён литературно-патентный обзор. Испробованные химические составы флюсов не обеспечивали стабильности протекания процесса ЭШП, что приводило к постоянной автоматической подстройке положения нижнего торца расходуемого электрода, погруженного в шлаковый расплав. В результате были часты случаи перехода к дуговому режиму, при котором происходит насыщение металлической ванны кислородом, и образуются грубые дефекты структуры слитка. Кроме того, постоянные колебания тока расходуемого электрода приводили к формированию гофр на поверхности слитка. Как следствие, получали низкое качество металла после переплава (поры и раковины), имелись крупные шлаковые врезы в тело слитка. Кроме того, была высока загрязнённость металла слитка неметаллическими включениями, особенно оксидами.

В качестве флюса для ЭШП меди были испытаны промышленные флюсы АНФ-1, АНФ-5, АНФ-6. Однако, после переплава на них, значительно увеличивалось содержание кислорода в металле слитка, а также содержание неметаллических и шлаковых включений. Поэтому стойкость кокилей кристаллизаторов ЭШП, изготовленных из полученной меди, была невысока.

В ЦРМО-3 имелся собственный состав флюса, содержащий компоненты при следующем соотношении, мае. %: СаРг - (50...75); №зА1Ре - (25.. .45); №2В<07 - 3... 5.

Однако практика ЭШП меди под цеховым флюсом выявила его недостатки. В структуре слитка часто имелись поры, иногда раковины. Кроме того, загрязнённость неметаллическими включениями (в основном шлаковыми включениями и оксидами) часто выходила за пределы ГОСТ для меди марок М1р и МС. Химические составы и механические свойства металла слитков, выплавленных под цеховым флюсом представлены в табл. 1 и 2 соответственно.

Таблица 1

Химические составы металла слитков

Номер слитка Содержание химических элементов в меди, мае. %

Си Бп р Ре N1

Цеховой флюс 1 99,2053 0,0005 0,0094 0,75 0,010

2 99,865 0,0010 0,0036 0,006 0,0010

3 99,775 0,0010 0,0024 0,20 0,0020

Запатентованный сЬлюс 1 99,94 0,0010 0,0010 0,030 0,0030

2 99,176 0,0010 0,0040 0,850 0,0010

3 99,4288 0,0010 0,0030 0,550 0,0010

Заявленный флюс 1 99,1522 0,0010 0,0070 0,0850 0,0010

2 98,94484 0,0010 0,0059 0,0039 0,0010

3 98,78301 0,0010 0,0120 0,0030 0,0020

Продолжение табл. 1

Номер слитка Содержание химических элементов в меди, мае. %

БЬ Аэ РЬ Б О

Цеховой флюс 1 0,0010 0,0025 0,0031 0,0123

2 0,0010 0,0080 0,0050 0,0012 0,1055

3 0,0010 0,0080 0,0040 0,0034 0,0110

Запатентованный флюс 1 0,0040 0,0020 0,0020 0,0013 0,0098

2 0,0010 0,0010 0.0010 0,0032 0,0111

3 0,0010 0,0010 0,0010 0,0031 0,0075

Заявленный флюс 1 0,0010 0,0010 0,0020 0,0023 0,0070

2 0,0010 0,0010 0,0033 0,0031 0,0100

3 0,0010 0,0010 0,0030 0,0021 0,0010

Разработали 2 новых состава флюсов для переплава меди методом ЭШП, на один из которых получили патент РФ на изобретение, а на второй подали заявку на патент РФ.

Запатентованный флюс содержит компоненты в следующем соотношении, мае. %: криолит - 10...20; бура - 1...5; фтористый кальций - остальное. В нём по сравнению с цеховым. флюсом уменьшено содержание криолита. Вводить в состав флюса криолит в количестве более 20 мас.% нецелесообразно, так как он обладает очень высокой раскислительной способностью по схеме: 2№зА1Рб + ЗМеО = 6№Р + А120з + ЗМе + ЗРгТ- В результате реакции криолита с оксидами металла из него высвобождаются не только катионы Na+, которые образуют соединения высокой плотности, плохо удаляемые из металла, но и происходит накопление оксида алюминия во флюсе, повышающее вязкость флюса, что затрудняет удаление неметаллических включений. В результате, снижается способность флюса поглощать неметаллические включения, а это приводит к загрязнению металла и ухудшению его механических свойств.

Проведённые исследования металла выплавленного на запатентованном флюсе показали, что по химическому составу металл не соответствует марке меди М1р из-за повышенного содержания кислорода. Однако, загрязнённость металла неметаллическими включениями уменьшилась по сравнению с металлом; выплавленным на цеховом флюсе (см. табл. 1). Также повысились механические свойства (см. табл. 2).

Таблица 2

Результаты механических испытаний металла слитков

Номер слитка Механические свойства

Предел текучести, сто,2. Н/мм2 Предел прочности, ств, Н/мм2 Удлинение, бю.%

Цеховой флюс

1 46 162 37

2 38 171 32

3 31 181 27

Запатентованный флюс

1 70 205 52

2 59 196 48

3 60 193 50

Заявленный флюс

1 64 203 53

2 72 199 54

3 65 201 50

При доработке химического состава цехового флюса снизили

газопроницаемость и увеличили проводимость шлакового распла-

ва. Но как было сказано выше, снизить содержание кислорода можно путём раскисления шлакового расплава и металлической ванны.

При разработке нового заявленного состава флюса преследовалась цель повышения механических свойств металла при температуре свыше 250 °С, а также и самой температуры разупрочнения металла за счет активной ассимиляции неметаллических включений из металла в шлак и равномерного распределения оставшихся неметаллических включений в металле с одновременным повышением содержания фосфора в нем.

Эта задача была решена и медь, выплавленная на этом флюсе по химическому составу соответствует марке меди М1р, за исключением повышенного содержания железа (см. табл. 1). Повышенное содержание железа имеет место при переплаве меди на флюсах всех трёх составов из-за предусмотренного технологией стального ввертыша в нижнем торце медного расходуемого электрода, облегчающего процедуру старта. Механические свойства полученного металла представлены в табл. 2.

Исследования макроструктуры металла выплавленных слитков под запатентованным и заявленным флюсами показывают, что структура металла плотная, макровключений в металле не обнаружено. При изучении микроструктуры установлено, что содержание хрупкой эвтектики по границам зёрен незначительно. Об улучшении качества металла свидетельствует проведённое сопоставление механических свойств металла слитков, выплавленных под цеховым, запатентованным и заявленным флюсами. Это позволило изготавливать из неё не только кристаллизаторы ЭШП, но и узкие стенки кристаллизаторов МНЛЗ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Составлена математическая модель, позволяющая установить параметры технологии ЭШП роликов МНЛЗ, значимо влияющие на производительность. Модель обеспечивает определение (расчет) главных рабочих характеристик процесса ЭШП для однофазных печей: конструкционным (характеристики трансформатора печи и токоподводов) и технологическим (величина межэлектродного промежутка, коэффициент заполнения кристаллизатора), а также физическим свойствам материала и геометрическим размерам расходуемого электрода. Установлено, что удельное электрическое сопротивление шлака наиболее существенно влияет на рабочие характеристики процесса переплава.

Сравнение параметров опытно-промышленных плавок и рассчитанных по созданной математической модели, показало их высокую сходимость с вероятной ошибкой не более 5 %.

2. Расширена база данных по удельному электрическому сопротивлению более 100 химических составов шлаков, и по результатам математического моделирования произведена коррекция имеющихся электрических режимов переплава, что позволило повысить производительность процесса (дополнительно выплавлять 6 слитков в месяц, имеется акт внедрения). Разработаны 11 новых флюсов и соответствующие им электрические режимы, обеспечивающие максимальную производительность ЭШП стали марок 25Х1МФ и 25Х1М1Ф.

3. Исследована технология переплава медных стенок кристаллизаторов МНЛЗ, установлены её недостатки, приводящие к образованию дефектов в слитках ЭШП. Разработаны и внедрены в цехе два новых флюса для переплава меди, один из которых защищен патентом РФ на изобретение, а на второй подана заявка на патент. Эти флюсы внедрены в производство и обеспечивают 95 % выход годного металла при хорошем качестве (имеется акт внедрения).

4. Разработана и защищена свидетельством РФ на полезную модель № 32420 новая конструкция кристаллизатора ЭШП с биметаллической стенкой, обеспечивающая снижение доли потерь тепла от шлаковой ванны через стенку кристаллизатора.

Произведена опытная наплавка под флюсом АН-348А поверхности медной плиты марки М1р порошковой наплавочной проволокой Нп-пп-25Х5ФМС, обеспечившая качественное сплавление меди со сталью (есть акт об успешной наплавке стали на медь). Получена рекомендация цеха на проведение наплавки рабочей поверхности кристаллизатора ЭШП.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Вдовин К.Н., Юсин А.Н. Элементы математической модели электрошлакового переплава. Вестник ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. Фундаментальные проблемы металлургии: Сборник материалов третьей межвузовской научно-технической конференции. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. - С. 123 - 128.

2. Вдовин К.Н., Юсин А.Н., Подосян А.А. Результаты моделирования тепловых процессов кристаллизатора слябовой МНЛЗ. Литейные процессы. Вып. 2: Межрегион, сб. науч. тр. / Под ред.

B.М. Колокольцева. - Магнитогорск: МГТУ, 2002. - С. 71 - 75.

3. Вдовин К.Н., Юсин А.Н., Подосян А.А. Использование материалов с различной теплопроводностью для изготовления стенок кристаллизаторов электрошлакового переплава. Литейные процессы. Вып. 3: Межрегион, сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Колокольцева. - Магнитогорск: МГТУ, 2002. - С. 113 - 118.

4. Кристаллизатор для электрошлакового переплава. Патент РФ на полезную модель № 32420. Опубл. в Б.И. и П.М. № 26.2003 г.

5. Вдовин К.Н., Подосян А.А., Юсин А.Н. Оценка результатов моделирования электрического режима процесса электрошлакового переплава. Литейные процессы. Вып. 3: Межрегион, сб. науч. тр. /Под ред. В.М. Колокольцева. - Магнитогорск: МГТУ, 2002. -

C. 131-136.

6. Опыт эксплуатации узких медных стенок кристаллизатора МНЛЗ на ММК/ А.А. Подосян, В.И. Завьялов, А.Н. Юсин и др. // Совершенствование технологии непрерывной разливки стали и конструкций МНЛЗ: Сборник научных трудов / Под ред. К.Н. Вдовина. - Магнитогорск: МГТУ, 2002. - С. 73 - 78.

7. Вдовин К.Н., Подосян А.А., Юсин А.Н. Технология переплава меди с помощью ЭШП. Современная металлургия начала нового тысячелетия: Сборник научных трудов. Часть 2. - Липецк: ЛГТУ, 2001 .-С. 102-105.

8. Отчёт по научно-исследовательской работе "Разработка технологии утилизации меди и медных стенок кристаллизаторов МНЛЗ" / К.Н. Вдовин, В.М. Колокольцев, А.Н. Юсин и др. Магнитогорск: МГТУ, 2002. - 48 с.

9. Опыт эксплуатации роликов МНЛЗ на ОАО «ММК» / К.Н. Вдовин, А.А. Подосян, В.И. Завьялов, А.Н. Юсин // Вестник Магнитогорского государственного технического университета. - Магнитогорск: МГТУ, 2004, № 1. с. 35 - 37.

10. Совершенствование технологии электрошлакового переплава / К.Н. Вдовин, А.Н. Юсин, А.А. Подосян, В.И. Завьялов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета. - Магнитогорск: МГТУ, 2004, № 1. с. 49 - 51.

Подписано в печать 22.03.2004 Формат 60x80 1/16 Бумага тип. № 1 Плоская печать Усл. печ.л. 1,00 Тираж 100 экз. Заказ 237 Бесплатно

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок МГТУ

W-fi536

Введение.

1. Состояние вопроса.

1.1. Сущность процесса электрошлакового переплава.

1.2. Влияние конструкции кристаллизатора на ход процесса ЭШП.

1.3. Параметры процесса ЭШП, определяющие его технологический режим и качество отливки.

1.4. Математическое моделирование процесса ЭШП.

1.5. Возможность электрошлакового переплава цветных металлов

1.6. Цели и задачи исследования.

2. Математические модели процесса электрошлакового переплава

2.1. Электрическая модель процесса электрошлакового переплава

2.2. Тепловая модель работы кристаллизатора ЭШП с составной стенкой из материалов с различной теплопроводностью.

3. Математическое моделирование процесса ЭШП.

3.1. Моделирование электрического режима переплава.

3.1.1. Влияние напряжения на вторичной обмотке печного трансформатора на рабочие характеристики процесса ЭШП.

3.1.2. Влияние межэлектродного промежутка и глубины шлаковой ванны на рабочие характеристики процесса ЭШП.

3.1.3. Влияние коэффициента заполнения кристаллизатора на рабочие характеристики процесса ЭШП.

3.2. Моделирование теплового режима для кристаллизатора с медно-стальной составной стенкой.

3.3. Оценка результатов моделирования электрического режима процесса ЭШП.

4. Технология ЭШП отходов металлургического оборудования.

4.1. Исследование действующей технологии по ЭШП роликов

МНЛЗ, списанных по износу. р. 4.2. Электропроводность шлаков для ЭШП.

4.3. Расчёт новых режимов ЭШП стали 25X1МФ на применяемых в ЦРМО-3 флюсах по математической модели.

4.4. Исследование технико-экономических показателей процесса ЭШП на флюсах различных химических составов по математической модели.

5. Совершенствование технологии ЭШП меди.

5.1. Исследование существующей технологии ЭШП меди.

5.2. Коррекция состава флюса № 1.

5.3. Разработка и апробация состава флюса № 3 для ЭШП меди

Процесс ЭШП возник в 50-е годы. Основные закономерности протекания процесса ЭШП и влияние основных параметров на ход процесса были изложены в работах: Б.Е. Патона, Б.И. Медовара, Ю.В. Латаша, М.М. Клюева, А.Ф. Каблуковского, Ю.М. Миронова. Первоначально процесс ЭШП предназначался для рафинирования металла от неметаллических включений и десульфурации металла. Поэтому стоимость металла ЭШП была оправдана наивысшим качеством металла.

В последние годы из-за широкого внедрения внепечного рафинирования, эта функция ЭШП утрачивает своё значение. Основное назначение ЭШП на сегодняшний день - получение плотной однородной структуры слитка по всему сечению. Также исключается возможность образования каких-либо дефектов структуры слитка и попадание неметаллических включений в тело слитка. С учётом вышесказанного можно сказать, что сегодня появилась возможность увеличивать производительность процесса ЭШП, так как процесс рафинирования металла не является лимитирующим звеном. Производительность процесса ЭШП может лимитироваться лишь скоростью кристаллизации металлической ванны. В связи с этим актуально рассмотреть возможность повышения производительности процесса ЭШП, как путём изменения технологических параметров переплава, так и путём доработки конструкции некоторых элементов установок ЭШП.

Интенсивное развитие кислородно-конвертерного способа выплавки стали и рост объёмов производства в последние годы привели к значительному увеличению доли стали, разлитой на установках непрерывной разливки. Сочетание конвертеров и машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) методом "плавка на плавку" позволяет повысить выход годного металла до 96.99 %.

Производительность МНЛЗ непрерывно возрастает, что влечёт за собой повышенный износ её агрегатов. Основными элементами МНЛЗ, работающими в контакте с разливаемым металлом, являются кристаллизатор и опорные ролики. Работа в непосредственном контакте с разливаемым металлом вызывает их повышенный износ из-за термических нагрузок, а также наличия сил трения. Это приводит к необходимости постоянных ремонтов деталей и агрегатов МНЛЗ. После выработки своего ресурса опорные ролики и медные стенки кристаллизаторов МНЛЗ заменяют на новые. Возникает проблема утилизации выработавших свой ресурс роликов и медных стенок кристаллизаторов МНЛЗ.

С другой стороны, снижение стоимости производимых ремонтов во многом определяется ценой запасных частей, которая минимальна при обеспечении запасными частями собственными средствами. При ограниченных мощностях ремонтных цехов, требование увеличения скорости проведения ремонтов МНЛЗ в первую очередь зависит от обеспечения запасными частями и в том числе роликами, а в случае производства запасных частей собственными силами - от скорости изготовления запасных частей.

Утилизацию выработавших свой ресурс роликов и медных стенок возможно, например, производить в таких металлургических агрегатах, как: кислородном конвертере, электрических печах, а также в электропечах специального назначения, к которым относятся печи вакуумно-дугового (ВДП), электрошлакового (ЭШП) и электроннолучевого (ЭЛП) переплава. Применение для утилизации всех плавильных агрегатов, кроме установок специального назначения, нецелесообразно, так как после этапа расплавления следует производить доводку химического состава металла до требуемого. Самым главным недостатком этих методов утилизации, является дальнейший передел выплавленного металла для получения заготовок под ролики МНЛЗ, который при этом не обеспечивает получения высокого качества металла слитка, соизмеримого с металлом, выплавленным на установках специального назначения.

Кроме того, при переплаве отработавших роликов МНЛЗ на установках специального назначения возможно получение заготовок под ролики, обеспечивающих минимальный съём металла при механической обработке, а химический состав металла практически не изменяется от исходного электрода. В результате, как по времени, так и по стоимости, цена ролика, соответствующая получаемому качеству металла, будет минимальна при переплаве отработавших роликов на установках специального назначения. Среди последних предпочтение отдаётся ЭШП, который наиболее эффективно сочетает скорость и высокое качество выплавляемого металла.

Имеется множество различных математических моделей, описывающих рабочие характеристики процесса ЭШП, и найдены основные технологические параметры процесса ЭШП, значимо влияющие на его технико-экономические показатели. Одним из этих параметров является удельное электрическое сопротивление шлакового расплава. Однако отсутствуют модели, позволяющие определять оптимальный режим переплава и соответствующее ему удельное электрическое сопротивление шлака. В качестве критерия оптимальности могут выступать как максимальная производительность, так и минимальные затраты электроэнергии на процесс ЭШП.

Имеются различные технологии по ЭШП медных стенок кристаллизаторов МНЛЗ и других медных отходов производства. Использование известных флюсов для ЭШП медных стенок кристаллизаторов не позволяет получить металл высокого качества как по химическому составу, так и по структуре. Актуальным является проведение исследования по поиску новых составов флюсов для ЭШП меди.

В соответствии с актуальными проблемами, связанными с утилизацией деталей МНЛЗ, была сформулирована цель работы и решены следующие задачи.

Целью работы является разработка рациональных режимов ЭШП роликов и стенок кристаллизаторов МНЛЗ путем усовершенствования технологии утилизации их и увеличение производительности процесса ЭШП при снижении удельного расхода электроэнергии и получении металла высокого качества.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Составить математическую модель процесса ЭШП для установления параметров, значимо влияющих на технологические параметры и на выбор электрического режима.

2. Произвести математическое моделирование процесса ЭШП для оценки возможности изменения производительности и удельного расхода электроэнергии при условии обеспечения высокого качества металла отливки, и определить адекватность составленной математической модели.

3. По проведённому математическому моделированию произвести коррекцию имеющихся электрических режимов переплава, установить химический состав шлака, обеспечивающий наибольшую производительность процесса, и соответствующий ему электрический режим переплава.

4. Разработать новые флюсы для переплава меди и соответствующие им технологические режимы переплава на базе проведённых исследований физико-химических свойств шлакового расплава.

5. Разработать новую конструкцию кристаллизатора ЭШП, обеспечивающую снижение доли потерь тепла от шлаковой ванны через стенку кристаллизатора и промоделировать тепловой режим его работы.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Составлена математическая модель, позволяющая установить параметры технологии ЭШП роликов МНЛЗ, значимо влияющие на производительность. Модель обеспечивает определение (расчет) главных рабочих характеристик процесса ЭШП для однофазных печей: конструкционным (характеристики трансформатора печи и токоподводов) и технологическим (величина межэлектродного промежутка, коэффициент заполнения кристаллизатора), а также физическим свойствам материала и геометрическим размерам расходуемого электрода. Установлено, что удельное электрическое сопротивление шлака наиболее существенно влияет на рабочие характеристики процесса переплава.

Сравнение параметров опытно-промышленных плавок и рассчитанных по созданной математической модели, показало их высокую сходимость с вероятной ошибкой не более 5 %.

2. Расширена база данных по удельному электрическому сопротивлению более 100 химических составов шлаков, и по результатам математического моделирования произведена коррекция имеющихся электрических режимов переплава, что позволило повысить производительность процесса (дополнительно выплавлять 6 слитков в месяц, имеется акт внедрения). Разработаны 11 новых флюсов и соответствующие им электрические режимы, обеспечивающие максимальную производительность ЭШП стали марок 25X1МФ и 25X1М1Ф.

3. Исследована технология переплава медных стенок кристаллизаторов МНЛЗ, установлены её недостатки, приводящие к образованию дефектов в слитках ЭШП. Разработаны и внедрены в цехе два новых флюса для переплава меди, один из которых защищен патентом РФ на изобретение, а на второй подана заявка на патент. Эти флюсы внедрены в производство и обеспечивают 95 % выход годного металла при хорошем качестве (имеется акт внедрения).

4. Разработана и защищена свидетельством РФ на полезную модель № 32420 новая конструкция кристаллизатора ЭШП с биметаллической стенкой, обеспечивающая снижение доли потерь тепла от шлаковой ванны через стенку кристаллизатора.

Произведена опытная наплавка под флюсом АН-348А поверхности медной плиты марки М1р порошковой наплавочной проволокой Нп-пп-25Х5ФМС, обеспечившая качественное сплавление меди со сталью (есть акт об успешной наплавке стали на медь). Получена рекомендация цеха на проведение наплавки рабочей поверхности кристаллизатора ЭШП.

1. Медовар Б.И., Ступак Л.М., Бойко Г.А., и др. Электрошлаковые печи. Под ред. Б.Е. Патона и Б. И. Медовара. Киев: Наукова думка, 1976.-414 с.

2. Клюев М.М., Каблуковский А.Ф. Металлургия электрошлакового . переплава. М.: Металлургия, 1969. - 256 с.

3. Электрические промышленные печи: Дуговые печи и установки специального нагрева: Учебник для вузов/ А.Д. Свенчанский, И.Т. Жердеев, A.M. Кручинин и др.; Под ред. А.Д. Свенчанского. 2-е . изд., перераб. и доп. -М.: Энергоиздат, 1981.-296 с.

4. Электрические печи чёрной металлургии: Учебное пособие для вузов/ Самохвалов Г.В., Черныш Г.И. М.: Металлургия, 1984. - 232 с.

5. Глебов А.Г., Мошкевич Е.И. Электрошлаковый переплав. М.: Металлургия, 1978. - 216 с.

6. Дудко Д.А., Рублевский И.Н. К вопросу о природе вентильного эффекта при электрошлаковом процессе // Автоматическая сварка. -1961.- №4.-С. 18-20.

7. Алисова Т.Г. Влияние ЭШП на качество поковок из стали . 38XH3MOA / Производство сталей и сплавов в электрошлаковых печах. М., ЦНИИ и ТЭИ 4M. -1982. - 175 с.

8. Медовар Б.И., Емельяненко Ю.Г. Перспективы применения кислых шлаков для электрошлаковой выплавки крупных слитков // Проблемы электрошлаковой технологии. Киев: Наукова думка, 1978. - 304 с.

9. Ill Международная конференция по расплавам шлаков и флюсов // Проблемы специальной электрометаллургии. 1989. - N2 1, с. 74.

10. Бигеев. A.M. Металлургия стали. Челябинск: Металлургия , 1988.

11. Клюев М.М., Волков С.Е. Электрошлаковый переплав. M.: Me- . таллургия , 1984.- 208 с.1215