автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование и внедрение технологии выплавки в индукционных печах конструкционных чугунов и стали для деталей нефтедобывающих насосов

Шипелышков Алексей Александрович

О

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ В ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЧУГУНОВ И СТАЛИ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ НАСОСОВ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 3 О ЕВ 2911

Липецк-2010

4853688

Работа выполнена на кафедре «Металлургия» ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Дубровский Сергей Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Паршин Валерий Михайлович

кандидат технических наук Нырков Александр Николаевич

Ведущая организация - ОАО «Липецкий металлургический завод

«Свободный сокол»

Защита состоится 2011 г. в 15 часов на заседании

диссертационного совета Д217.035.02 при Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина» по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 9/23.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 9/23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» www.chermet@chermet.net

Автореферат разослан uUcJ&fil 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д217.035.02, кандидат технических наук Т.П. Москвина

Общая характеристика работы Актуальность темы. Нефтедобывающая отрасль является важной составляющей экономики РФ, которая предъявляет ряд жестких требований к качеству деталей нефтедобывающих электронасосов. Современное состояние машиностроительного производства диктует поиск резервов увеличения качества металлопродукции, что осуществимо за счет совершенствования существующих технологий выплавки конструкционных сплавов.

В настоящее время выплавка сталей в индукционных печах осуществляется с использованием «переплавных» технологий, которые существенно сужают сырьевую базу печей по стальному лому ввиду необходимости подбора шихты по нижнемарочному содержанию основных элементов. Выплавка конструкционных чугунов осуществляется на высокотемпературных форсированных режимах, а использование режимов термовременной обработки расплавов всегда требует дополнительных исследований их влияния на показатели процесса и качество сплавов. В ряде случаев при смене марки или предприятия-поставщика перерабатываемых доменных чугунов наблюдается их «наследственное» влияние на свойства получаемой металлопродукции, которое до настоящего времени не регламентируется технологическими инструкциями.

Все вышесказанное определяет актуальность работы, которая направлена на совершенствование технологий выплавки сплавов в современных индукционных печах и выполнена при поддержке грантом РФФИ 09-08-97578-р_центра_а в рамках разрабатываемого в ЛГТУ научного направления «Феноменологические модели и нелинейная динамика высокотемпературных процессов и технологий». Работа удостоена областной премии имени С.Л. Коцаря за достижения в области технических наук.

Целью работы является совершенствование технологий выплавки конструкционных чугунов ЧН15Д7, СЧ03Ц01Б и стали 30, предназначенных для изготовления ответственных деталей нефтедобывающих насосов, в индукционных сталеплавильных печах ИСТ-1,0 с кислой и нейтральной ..

футеровкой с проведением эффективных рафинировочных операций для повышения качества сплавов.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

1) исследовать полный химический состав используемых доменных чугунов и стального углеродистого лома, включая содержание микроэлементов-ликвантов, для последующей их минимизации в шихте;

2) исследовать влияние типа структуры доменных чугунов и температуры выдержки расплавов на дендритную сегрегацию и твердость структуры получаемых чугунов с определением диапазона температур плавок для получения минимальной твердости литых заготовок;

3) исследовать поведение углерода, кремния и марганца при высокотемпературном форсированном режиме с использованием в качестве шлакообразующей смеси кварцевого песка и при трёх периодах температурной выдержки с использованием шлакообразующей смеси на основе оксидов системы «БЮ2 - А1203 - СаО»\

4) организовать плавки с окислительным периодом посредством ввода твердого окислителя на шлак и исследовать поведение углерода, кремния, серы и фосфора по ходу процесса;

5) установить в сравнении с действующей технологией технико-технологические показатели процессов и качественные характеристики получаемых сплавов в технологических пробах и заготовках деталей нефтедобывающих насосов.

Достоверность основных положений и выводов. Достоверность результатов работы подтверждается проведением промышленных плавок с использованием новейшего оборудования контроля температуры, состава, структуры и свойств сплавов, программного обеспечения анализа данных и теоретическим анализом процессов с использованием современной теории металлургических расплавов.

Научная новизна работы. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. На нейтральной футеровке предложена технология выплавки

углеродистой стали с окислительным периодом, направленная на повышение степени удаления углерода, кремния и серы, повышение стойкости футеровки и снижения индекса загрязненности стали неметаллическими включениями.

2. Предложена технология выплавки конструкционных чугунов с тремя периодами температурной выдержки и использованием твердых шлакообразующих смесей на основе оксидов системы «ЕЮ 2 - А1203 - СаО» на кислой футеровке, направленная на уменьшение степени окисления углерода и марганца, повышение стойкости футеровки, снижения индекса загрязненности чугунов неметаллическими включениями и растворенными газами.

3. Для процесса выплавки конструкционных чугунов установлено явление «структурной наследственности», заключающееся в увеличении склонности расплавов чугунов к дендритному построению структуры при использовании в шихте ледебуритных доменных чушковых чугунов с дендритной сегрегацией микроструктуры, повышающей их твердость в технологических пробах и заготовках.

4. Предложена и апробирована методика исследования качества доменных чушковых чугунов и стального лома, заключающаяся в совместном использовании методов визуального, металлографического и спектрометрического анализа темплетов выборки материалов, позволяющая в более сжатые сроки в производственных условиях определять их полный химический состав и внутренние дефекты, влияющие на качество металлопродукции.

На защиту выносятся следующие положения;

1. Для процесса выплавки стали:

- установленные технико-технологические показатели и качество получаемой стали по содержанию неметаллических включений и механическим свойствам поковок деталей нефтедобывающих насосов;

полученные экспериментальные зависимости коэффициента распределения 5 от содержания ГеО и СаО в шлаке, коэффициента распределения Р от содержания Ре О и температуры, содержания С и 5г от

температуры и длительности плавки.

2. Для процесса выплавки чугунов:

- установленные в сравнении с высокотемпературным форсированным процессом технико-технологические показатели и качество получаемых чугунов по содержанию неметаллических включений, растворенных газов, механическим свойствам и количеству брака в литых заготовках нефтедобывающих насосов;

- полученные экспериментальные зависимости содержания С, Л' и Мп от температуры расплава, длительности плавки и содержания РеО в шлаке;

- полученные экспериментальные зависимости поверхностной твердости чугунов в технологических пробах от температуры выдержки расплавов, площади сегрегации и фрактальной размерности дендритов при переделе «белых» и «серых» доменных чушковых чугунов.

Практическая ценность работы.

1. Внедрение технологии выплавки конструкционных чугунов СЧ03Ц01Б и ЧН15Д7 в индукционных печах с кислой футеровкой в действующее производство ООО «Лебедянского машиностроительного завода» (ООО «ЛеМаЗ») позволило снизить на 31,5% индекс загрязненности сгшавов, уменьшить степень, окисления С на 1% отн. масс., Мп - на 4% и степень восстановления Яг - на 5,3%.

2. Внедрение технологии выплавки углеродистой качественной стали 30 в индукционных печах с нейтральной футеровкой позволило снизить на 19,5% индекс её загрязненности, повысить в 2 раза стойкость футеровки, удалить С и 5 - на 33%, - на 86% и, соответственно, перерабатывать стальной лом с завышенным содержанием данных марочных элементов.

3. В период испытания технологии выплавки чугунов на крупной серии плавок (530 плавок) получено повышение стойкости кислой футеровки на 25% и улучшение механических характеристик чугуна ЧН15Д7: увеличен на 15,6% предел прочности, снижена на 8,8% твердость; также уменьшено на 15,85% количества брака (газо-усадочные раковины) в литых заготовках

нефтедобывающих насосов.

4. С помощью методики исследования качества шихтовых материалов установлено содержание вредных микроэлементов в доменных чушковых чугунах марок JI5, ПЛ1, J1P6, П1 (от 0,025 до 0,034%) и стальном углеродистом ломе категории 1А (от 0,016 до 0,023%), составляющих сырьевую базу печей в условиях Центрального федерального округа.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на международных научно-технических конференциях «Современная металлургия начала нового тысячелетия»: III (г. Липецк, 2006), IV (г. Липецк, 2007), V (г. Липецк, 2008), VI (г. Липецк, 2009), «Славяновские чтения «Сварка - XXI век» (г. Липецк, 2009), а также университетских научных семинарах в период с 2008 по 2010 гг. (г. Липецк, ЛГТУ).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы и структура. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав с выводами, библиографического списка из 119 наименований, основных выводов и 4 приложений. Включает 103 страницы текста, а также содержит 85 рисунков и 113 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении приводятся основные аспекты актуальности выбранной темы исследования, определяется цель и вытекающие из нее основные задачи. Показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе представлен обзор особенностей температурно-шлаковых режимов способов выплавки конструкционных чугунов и углеродистых сталей в современных индукционных сталеплавильных печах. Обозначены параметры качества сплавов, зависящие от правильности и полноты протекания металлургических процессов в условиях индукционной плавки конструкционных чугунов и сталей. Приведена систематизация современных научных представлений о металлургической наследственности сплавов и её влиянии на качество металлопродукции, не подвергаемой обработке давлением. В конце главы сформулированы цели и задачи

исследования.

Вторая глава посвящена материалам, оборудованию, описанию проведения экспериментальных плавок, методикам исследования качества шихтовых материалов в лабораторных и производственных условиях. Представлены результаты исследований полного химического состава и структуры доменных чушковых чугунов и стального углеродистого лома категории 1А, составляющих сырьевую базу печей в условиях Центрального федерального округа.

При проведении плавок и анализе их результатов использовались разработки, полученные с участием автора:

- способ исследования наноструктуры травленых образцов чугунов атомно-силовым и электростатическим силовым методами сканирующей зондовой микроскопии;

- методика металлургической экспертизы качества доменных чугунов и стального лома с анализом полного химического состава и типа структуры чушковых чугунов, позволяющая в более сжатые сроки в производственных условиях определять их полный химический состав и внутренние дефекты, влияющие на качество металлопродукции (табл. 1);

- программа расчета состава шихты от массы и состава материалов.

Таблица 1

Сравнение методик исследования качества шихтовых материалов

Основные стадии исследования

№ п/п Предложенная (длительность: сутки) Существующая (длительность: двое суток)

1 Отбор проб (54-60 кг/72 т). Визуальный контроль Отборпроб (25-36 кг/72 т). Визуальный контроль

2 Вырезка темплетов (3,0-3,5 кг). Визуальный и металлографический контроль Измельчение материала (0,2-0,3 кг)

3 Измельчение темплетов, формирование выборки (0,4-0,5 кг) Формирование навески (0,02 кг)

4 Переплав в герметизированном тигле Физико-химический анализ (С, 5/, Мп, Сг, Б, Р)

5 Заливка и подготовка кокильной пробы -

6 Спектральный анализ до 24 элементов -

При анализе 58 поставок по 72 тонны доменных чушковых чугунов установлено, что наиболее химически «чистыми» чугунами, из всех основных марок ведущих предприятий-поставщиков Центрального федерального округа, являются чугуны марок Л5 и ПЛ1 производства ОАО «ЛМЗ «Свободный сокол», которые содержат в среднем от 0,026 до 0,028% таких микроэлементов как Мо, V, 77, А.ч, Со, А1 и РЬ, и могут использоваться для производства высококачественных конструкционных чугунов для изготовления рабочих органов нефтедобывающих и специальных насосов (рис. 1). 0,0200

о"

1 0,0180

'Л

*

| 0,0160

о

° 0,0140 0,0120 0,0100 0,0080 0,0060 0,0040 0,0020 0,0000

Рис.1. Видовое распределение микроэлементов « доменных чугунах

Также установлено, что они отличаются типом структуры: чугуны марки Л5 являются так называемыми «серыми» чугунами (по виду излома чушек) с перлитной металлической основой, а чугуны марки ПЛ1 - «белыми» с аустенитно-ледебуритно-цементитной структурой и практически не содержат структурно-свободного углерода в форме графита.

Анализируемый углеродистый стальной лом категории А1 (18 поставок по 25 тонн) преимущественно разделяется по видам: лом прокатных профилей (рельсы, швеллера) и лом металлоконструкций (обрезь труб, листов, полосы). Установлено, что стальной лом прокатных профилей может в среднем содержать до 0,023% микроэлементов (таких как: V, 77, Аз и Р), а лом

■1

У 1 1

I _1

1 : -

1 1 Г . 1 1 1

_ я__ 1 II Л

Мо V_Т|_Ав__!3п__Со_А1 РЬ

[1п1(тчм) ■ЛРб(ЛМЗ) ал5(кмз) @Л5(ЛШ) апл1(лмз)|

металлоконструкций - до 0,016%, что необходимо учитывать при получении стали с контролируемым содержанием микроэлементов, особенно для производства ответственных деталей нефтедобывающих насосов (рис. 2).

^ 0,010 1 0,009 | 0,008 о 0,007 0,006 0,005 0,004

о.ооз 0,002 0,001 0,000

В третьей главе представлены результаты исследований технологий выплавки конструкционных чугунов с форсированным режимом и приемом термовременной обработки расплавов.

На практике выбор температурных режимов плавок при смене марки или предприятия-поставщика доменных чушковых чугунов осуществляется исходя из требований дальнейших технологий к их твердости в технологических пробах и заготовках. Для определения влияния типа доменных чугунов и температур миксирования расплавов на твердость получаемых чугунов, после модифицирования были проведены серии экспериментальных плавок по режиму, имитирующему реально возможные условия процесса. Экспериментально установлено, что склонность расплавов чугунов к дендритному построению структуры при практически неизменных химическом составе, температурах миксирования и скорости охлаждения зависит от типа переплавляемых доменных чугунов (рис. 3). Это явление можно назвать «структурной наследственностью» шихтовых материалов (рис. 4).

!и Прокатный профиль Н Лом металлоконструкций]

Рис. 2. Содержание микроэлементов в ломе: прокатный профшь 0,023%, лом металлоконструкций - 0,016%

о

1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600

-АНВ (ПЛ1) -»-¿НВ (Л5) -o-&Sd (ПЛ1) -o-ASd (Л5) | Температура «Фиксирования, С

Рис. 3. Изменение твердости (АНВ) и площади сегрегации (АЗд %) от температуры

миксироеания

а) дендрит в СЧ03Ц01Б, б) микроструктура чушкового в) микроструктура чушкового трав. 4%ЖОз, х 1000 чугуна ПЛ1, трав. 4%HN03, х 500 чугуна Л5 ,х 100 Рис. 4. Результаты исследования микроструктуры чугунов

Получены уравнения зависимости поверхностной твердости чугуна СЧ03Ц01Б от температуры выдержки (7) и площади дендритной сегрегации

- при переделе белых доменных чугунов марки ПЛ1:

НВ = - 118,02200 + 0,06192Sd + 0Д83Т, R2 = 0,9638, Sd = - 248,42900 + 0,205710Т, R2 = 0,9601, НВ = - 133,40500 + 0Д9595Т, R = 0,9636.

■ при переделе серых доменных чугунов марки JI5:

НВ = - 38,93480 + 0,28950Sd + 0,116Т, R = 0,9786, Sd = - 98,55950 + 0,09190Т, R2 = 0,9297, НВ = - 67,46300 + 0.14286Т, R2 = 0,9760.

По результатам металлографического анализа дендритов предложена модель расчета их фрактальной размерности (О), которая зависит только от температуры миксирования («степени разупорядоченности» расплава), и определяется как отношение логарифма периметра к логарифму удвоенного количества полигональных зерен дендритов. Получены зависимости твердости от О и температуры выдержки (миксирования):

" Б = 0,08845 + 0,00111Т, Я2 = 0,8109, ^ НВ = - 90,73400 + 142,81700Б, Я2 = 0,7771,

НВ = -133,21900 - 2,105220 + 0,19829Т, Я2 = 0,9636.

Для описания явления «структурной наследственности» в чугунах предложена следующая структура причинно-следственных связей параметров (Т, НВ, Бс1 и О) системы «температура расплава - твердость структуры» (рис. 5).

Sd

й

Расплав

Структура

D

Дендриты

,„«,—.... Опосредствованная связь

'" ■ "Технологическая связь ____ Наследственная связь

Рис. 5. Структура причинно-следственных связей параметров системы «температурарасплава - твердость структуры»

Для получения приемлемой твердости заготовок в диапазоне 130-140 НВ температура выдержки расплавов должна составлять от 1400 до 1450°С, что и

осуществлялось в экспериментальных плавках чугуна СЧ03Ц01Б с использованием в качестве твердой шлакообразующей смеси (ТШС) смеси боя шамотного кирпича и извести в отношении 9,5:0,5 (52% ЗЮ2, 38% Л1203 и 5% СаО). Форсированный высокотемпературный режим плавки (1550°С) приводит к увеличению степени и скорости окисления легирующих элементов чугунов, при этом возрастает степень восстановления кремния (табл. 2).

Таблица 2

Средние степень и скорость окисления элементов в плавках _различных технологий (% отн. масс.)_

Элемент Степень окисления элементов, % (отн. масс.)/ скорость окисления элементов, %/мин*103

Экспериментальная Действующая

С 5,0/125 6,0/200

Si* +6,0/+150 +11.3/+377

Мп 3,6/90 7,6/253

*«пригар» кремния

Развитие тигельной реакции при высокотемпературном режиме приводит к более высокому приросту содержания в расплаве чугуна, также увеличивается степень окисления Fe и Мп (табл. 3).

Таблица 3

Средний состав шлаков первичных и перед выпуском плавок*

Технология выплавки Содержание оксидов, % (масс.)** Масса, кг

Si02 А1203 СаО FeO МпО

Экспериментальная 76,0/ 54,0 1,5/ 33,0 0,0/ 4,1 20,0/ 2,3 2,50/ 0,5 8,90/ 6,85

Действующая 74,3/ 52,0 1,2/4,8 0,0/ 0,0 21,1/ 13,5 2,63/ 1,3 9,10/ 8,12

*после отсева «корольков»; **числителъ - первичный шлак, знаменатель - перед выпуском

Значительно меньшее развитие тигельной реакции во время периодов миксирования при температурах 1400 и 1450°С при термовременной обработке обеспечивает нормальный ход процесса выплавки, выражающийся в снижении и стабилизации изменения концентраций основных элементов — С и Si (рис. 6).

а) 29 плавок: = 0,21%, Дя = 0,28% б) 32 плавки: Яс = 0,41%, = 0,30%

Рис. 6. Связь концентраций [С] и /К']: а) экспериментальная, б) действующая технология

По результатам регрессионного анализа данных плавок с дополнительным отбором проб металла и шлака, проведенных по режиму термовременной обработки, получена статистическая модель взаимного поведения С и Я в диапазоне температур (Т,°С) от 1400 до 1450°С:

" [С] = 4,43931 -0,0035т-0,00043Т, Я2 = 0,9293, [С]+ (РеО) {СО}+ Бе, [81]= -0,0570 - 0,0036т + 0,0015Т, Л2 = 0,8003, [81] + 2(РеО) -> (8Ю2) + 2Ре, (4)

[С] = -3,7971[81]2 + 14,172[81] - 9,5688, Я2 = 0,6201. 2[С] + (8Ю2) [81] + 2{СО}

Марганец начинает окисляться РеО шлака только при температуре 1450°С и продолжительности миксирования свыше 20 минут. Получена экспериментальная зависимость содержания Мп от содержания ГеО в шлаке и длительности плавки (т, мин) при коэффициенте детерминации 55,33%:

[Мп] = 0,62871 - 0,0017т - 0,ООЮ2(РеО), Я2 = 0,5533, [Мп] + (РеО) + (МпО), ^^

(РеО) = 116,11800 + 0,5781т - 0,0993Т, Ы2 = 0,9662. (РеО) + [С] ->Реж + {СО}

Материальный баланс плавок, проведенных по различным температурно-шлаковым режимам, практически одинаков, и различается только выходом металла и шлака (табл. 4). Установлено, что увеличение выхода жидкого металла по экспериментальной технологии составляет 0,3% от массы металлозавалки, а расход энергии увеличивается на 15 кВт*ч при повышении длительности плавки на 15,7%, ввиду двух дополнительных периодов нагрева

расплава: с 1400 до 1450°С, и с 1450 до 1550°С.

Таблица 4

Расходная часть таблиц материального баланса экспериментальных плавок

Технология Экспериментальная Действующая

Материал кг/1000 кг % кг/1000 кг %

Металл 1007,5 98,12 1004,3 97,82

Шлак 15,8 1,54 17,2 1,69

Угар и потери* 3,2 0,33 5,0 0,49

ИТОГО 1026,5 100,00 1026,5 100,00

* выделение СО и невязка баланса

Высокотемпературный режим при использовании кварцевого песка в качестве ТШС приводит к увеличению загрязнения чугунов неметаллическими включениями, а также повышает их твердость в технологических пробах (рис. 7, табл. 5, рис. 8).

145.00

1 | | 1 il

I 1

1

¡1 m

1 1 — ш

Ж

1 Ж

я В« ал

2.1-4,0 4.1-в.О 6.1-а.О В.1-10.0 10,1-12.0 13,1-14.0 14.1-16.0 ■ Действующая И Экспериментальная Диапазон размеров НВ {оксиды)

2.1-4.0 4.1-6.0 6.1-6.0 В.1-10.0 10.1-12,0 121-14.0 14,1-16,0 ■ Действующая ■ Зкссерименпцьная Диапазон размеров НВ (сульфиды)

а) б)

Рис. 7. Загрязненность чугуна СЧ03Ц01Б включениями: а) оксидами, б) сульфидами

Таблица 5

Технология Индексы загрязненности (*103) Интегральный Индекс (*103)

Йоксидов сульфидов И газов Иу

Экспериментальная 16,2 11,4 0,56 28,16

Действующая 22,8 15,0 3,32 41,12

По результатам отсортировки технологических проб чугунов среднее значение твердости составило: по экспериментальной технологии - 142 НВ, по действующей - 158 НВ.

120-130 130-140 140-150 150-160 160-170

я Действующая ■ Экспериментальная] Диапазон твердости

Рис.8. Отсортировка проб чугуна СЧ03Ц01Б по твердости

Ошибки предсказания модели (НВ = АТ), см. уравнение 2) соответственно составили: 2,9% (29 проб) и 2,6% (32 пробы).

В четвертой главе представлены результаты исследований технологии выплавки углеродистой стали 30 с периодом окисления элементов в печи ИСТ-1.0 с нейтральной футеровкой.

Установлено, что процессы растворения и взаимодействия РеО окислителя протекают параллельно: к моменту отбора второй пробы (на 75-й минуте) расходуется порядка 44,65% всей массы оксидов железа. Жидкое состояние шлака достигается при температуре 1600°С при кислотности равной 1,67, и суммарном содержании РеО и МпО 16,22% с образованием соединений, близких по минералогии к 2РеО-2А12Оз-5БЮ2 (табл. 6, рис. 9).

Таблица 6

Изменение состояния шлака по ходу экспериментальных плавок

т, мин Т,°С Химический состав шлака, % масс. N М*, кг Состояние* *

ЭЮз А12ОЗ СаО МпО РеО Р2О5

52 1550 50,00 35,00 15,0 0,00 0,00 0,00 0,00 1,47 10,00 Тв. смесь

75 1550 48,13 22,60 8,47 0,80 18,06 0,53 0,34 1,51 17,71 Гетерогенное

85 1600 50,20 22,30 8,10 2,11 14,11 0,60 0,41 1,67 20,56 'Жидкое

95 1600 55,03 28,76 7,59 2,99 4,61 0,49 0,08 1,72 20,50 Жидкое

110 1650 53,90 27,97 7,41 8,09 1,71 0,28 0,00 1,67 23,29 Гетерогенное

^расчетные значения; **визуально

Таблица 7

Средние степень и скорость окисления элементов в плавках

различных технологий

Элемент Степень окисления элементов, % (отн. масс.)/ скорость окисления элементов, %/мин*103

Экспериментальная Существующие

Тип футеровки нейтральная основная кислая

С 33/14,0 67/5,0 0/0,0

81 86/32,0 95/8,0 50/3,0

Мп 7/5,0 50/5,5 4/0,3

Б 33/1,0 60/7,5 10/15,7

Р 7/0,2 86/31,0 0/0,0

Исследование коллективного поведения элементов в процессе выплавки до ввода ферросплавов показало, что по скорости окисления С, 5г предложенный способ превосходит аналогичный, осуществляемый на основной футеровке, а по удалению Б, Р и Мп уступает последнему (табл. 7).

Рис. 9. Фотографии кусков шлака, отобранного: а) в конце первого периода миксирования: «белые включения» - кусочки не-растворившейся извести ТШС; б) перед выпуском плавки

Анализ поведения С и Ж в период температурной выдержки, после ввода окислителя, показывает, что помимо развития реакций окисления при температурах 1600 и 1650°С получает развитие тигельная реакция, действие которой сказывается на синхронном изменении скоростей окисления элементов (рис. 10). Поведение углерода и кремния в процессе плавки в диапазоне температур от 1550 до 1650°С описывается следующей системой уравнений:

[С] = 2,81233 -0,00192т -0,00185Т, Я2 = 0,8773, [С]+ 0?еО) -» {СО}+ Бе,

< [81]= -0,33305 - 0,00712т + 0,00069Т, Я2 = 0,8038, [81] + 2(ТеО) (8Ю2) + 2Ре; (6) [С] = 0,24240 + 0,59863[81], Б!2 = 0,7764%. 2[С] + (БЮг) [вЦ + 2{СО}

Рис. 10. Изменение скорости окисления 5/ и С по пробам №>Хг2 - 4

Установлено, что сера удаляется в первый и частично во второй период температурной выдержки, когда в шлаке ещё находятся частички несвязанного оксида кальция ТШС, что иллюстрируется зависимостью ¿я от содержания СаО в шлаке (рис. 11).

Содврмниа СаО. %

Рис. 11. Зависимость ¿я от содержания СаО в шлаке (пробы №№3-5)

Экспериментальная зависимость коэффициента распределения серы от содержания РеО и СаО в шлаке имеет вид:

Ьэ = -1369,23242 + 188,70488(СаС>%) - 8,05308(ре0%), Я2= 1,000 (7) Удаление фосфора происходит при вводе окислителя при участии РеО с

образованием соединений (FeO)'(Р205), которые впоследствии при снижении окисленности шлака и повышении температуры до 1600°С распадаются, что приводит к полной рефосфорации металла. Получена экспериментальная зависимость коэффициента распределения фосфора Lp от FeO в шлаке:

Lp = 83,29878 + 3,48056(Fe00/o) - 0,04694Т, R2= 1,000 (8)

Расчет и анализ материального баланса показывает, что теоретический выход годного металла с металлозавалки составляет 96,04%, по результатам балансной плавки - 94,69%. При этом 39,8% от общего расхода электроэнергии приходится на три периода миксирования, тогда как приход тепла от экзотермических реакций окисления основных примесей металла составляет менее 2,45%, при среднем расходе энергии 649,5 кВт*ч, что говорит о малой эффективности аккумуляции тепла экзотермических реакций.

В пятой главе представлены результаты опытно-промышленных испытаний технологии выплавки чугунов и сталей в индукционных печах ИСТ-1,0.

Испытания технологии выплавки высоколегированного чугуна «нирезист» в условиях ООО «ЛеМаЗ» на крупной серии плавок (530 плавок) позволили снизить окисление углерода (на 1,5% отн. масс.) и марганца (на 4%), восстановление кремния (на 5,3%) и повысить на 25% стойкость футеровки. Средняя экономия материалов по экспериментальной технологии составила 0,52 кг/т ферромарганца ФМ78 и 0,4 кг/т графита ГС. За период испытания технологии с января 2006 г. по декабрь 2007 г. повышены качественные характеристики чугуна «нирезист»: повышена средняя прочность с 160 до 185 МПа, снижена твердость с 170 HB до 155 HB (в технологических пробах), а также уменьшено количество газо-усадочных дефектов (раковины) с 22,90 до 7,05% в литых заготовках деталей «рабочее колесо» (табл. 8, 9).

Анализом технологических проб стали экспериментальных плавок (22 плавки) установлено, что её механические свойства во всех технологических пробах соответствуют ГОСТ 1050-88, как при модифицировании ФСЗОРЗМЗО, так и без ковшевой обработки. Индексы загрязнения стали (в литых образцах) неметаллическими включениями составили: Иоксиам~ 1,7*Ю'3, Ису11Ьфидод =2,0* 103, Иобщий 3,7 10 .

Таблица 8

Результаты отсортировок заготовок, полученных из чугуиов различных технологий _

Технология выплавки Количество плавок, шт. Количество заготовок, шт. Количество забракованных заготовок, шт. Средний брак, %

Действующая 500 200000 45800 22,90

Экспериментальная 530 212000 14946 7,05

Таблица 9

Сравнительные показатели технологий выплавки чугунов

Показатели Технологии выплавки

Действующая Экспериментальная

Длительность плавки, мин. 92-94 110-112

Расход энергии, кВт*ч 560-590 580-600

Выход жидкого металла, % 97,82 98,12

Степень окисления элементов,

% отн. масс.:

С 7,8 6,8

+9,5 + 4,2

Мп 11,5 7,5

Сред, стойкость футеровки, плавок 88 115

Качество сплавов:

- критерий «структура» (в заготовках) 22,90 7,05

- критерий «свойства»: твердость, НВ сопротивление разрыву, МПа 170 160 155 185

Показатели технологий выплавки углеродистой стали с периодом окисления элементов и методом «переплава» представлены в таблице 10.

Таблица 10

Сравнительные показатели технологий выплавки углеродистой стали

Показатели Технологии выплавки

Действующая Экспериментальная

Длительность плавки, мин. 95-100 117-119

Удельный расход энергии, кВт * ч/т 640-660 650-680

Степень окисления элементов,

% отн. мае.: 0 33

ь 57 50 86

10 33

Стойкость футеровки, плавок до 10 22

Тип футеровки Кислая Нейтральная

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Испытана и внедрена в действующем производстве ООО «Лебедянский машиностроительный завод» (ООО «ЛеМаЗ») технология выплавки высококачественных конструкционных чугунов в индукционных печах с кислой футеровкой, позволяющая снизить окисление углерода на 1,0%, марганца - на 4%, восстановление кремния - на 5,3%. Испытания технологии на крупной серии плавок (530 плавок) показали повышение стойкости кислой футеровки на 25% и качественных характеристик модифицированного чугуна «нирезист»: увеличен предел прочности (на 15,6%), снижена твердость (на 8,8%) и уменьшено количество брака (газо-усадочные раковины) в литых заготовках деталей насосов (на 15,85%).

2. Испытана и внедрена в действующем производстве ООО «ЛеМаЗ» технология выплавки углеродистой качественной стали 30 в индукционных печах с нейтральной футеровкой, посредством организации периода окисления элементов, позволившая снизить на 19,5% индекс загрязненности, повысить в 2 раза стойкость футеровки, удалять С и 5 на 33%, 5/ - на 86% и, соответственно, перерабатывать стальной лом с завышенным содержанием данных марочных элементов.

3. Исследовано поведение основных элементов и установлены технико-технологические показатели при различных температурно-шлаковых режимах выплавки конструкционных чугунов в индукционных печах с кислой футеровкой. Установлено, что использование трех периодов температурной выдержки и шлакообразующих смесей на основе оксидов «БЮз - А1203 - СаО» позволяет повысить качество чугунов по содержанию газов и неметаллических

включений, что выражается в снижении индекса загрязнения чугунов на 31,5%. Увеличение выхода жидкого металла составляет 0,3% от массы металлозавалки, расхода энергии - на 15 кВт*ч при повышении длительности плавки на 15,7%. Получены экспериментальные зависимости содержания С и 57 от температуры и длительности плавки (И2; > 0,80), а также содержания Мп от содержания РеО в шлаке и длительности плавки (Ы^ > 0,55).

4. Исследовано влияние режимов температурной выдержки при вводе твердого окислителя на поведение элементов и технико-технологические показатели процесса выплавки углеродистой качественной стали в индукционных печах с нейтральной футеровкой. Получены экспериментальные зависимости содержания С и 57 от температуры и длительности плавки (Я2; > 0,80).

5. Установлено, что сера удаляется в первый и частично во второй период температурной выдержки, когда в шлаке ещё находятся частицы несвязанного оксида кальция ТШС. Получена экспериментальная зависимость коэффициента распределения серы от содержания РеО и СаО в шлаке с коэффициентом детерминации 100%.

6. Исследован процесс циркуляции фосфора между металлом и шлаком после ввода окислителя и до момента раскисления шлака. Получена экспериментальная зависимость коэффициента распределения фосфора от содержания РеО в шлаке и температуры процесса с коэффициентом детерминации 100%.

7. Экспериментально установлено, что склонность расплавов чугунов к дендритному построению структуры при практически неизменном химическом составе, температурах выдержки и скорости охлаждения зависит от типа переплавляемых доменных чугунов. Получены уравнения зависимости поверхностной твердости чугунов от температуры выдержки расплавов, площади дендритной сегрегации (Я2! > 0,96) при переделе «серых» доменных чугунов, а также от фрактальной размерности (И2; > 0,77) при переделе «белых» чугунов, позволяющие определить допустимый температурный диапазон

плавок.

8. Установлены специфические условия шлакообразования в печах с кислой и нейтральной футеровкой при использовании ТШС на основе оксидов системы «Si02 - А120з - СаО», заключающиеся в изменениях состояния и состава образующихся шлаков при заданных температурах выдержки расплавов. Предложена методика исследования качества доменных чушковых чугунов и стального лома, позволяющая в более сжатые сроки в производственных условиях определять их полный химический состав и внутренние дефекты, влияющие на качество металлопродукции. Результаты исследований реализованы в технологическом процессе производства деталей нефтедобывающих насосов на ООО «ЛеМаЗ» в виде обязательных требований технологических инструкций.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Петрикин Ю.Н. Наследование структурных свойств шихтовых материалов чугунами индукционной плавки // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2008.- №2. - С.48 -51.

2. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Петрикин Ю.Н. Дендритная наследственность шихтовых материалов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2008,- №2. - С.46 -51.

3. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Наследственные неравновесные структуры в чугунах // Заготовительные производства в машиностроении. - 2008.- №12. - С.З - 6.

Другие публикации:

4. Дубровский С. А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Технология выплавки углеродистой стали в индукционных сталеплавильных печах // Вести высших учебных заведений Черноземья. - Липецк - ЛГТУ, 2009,- № 1 (15). -С.98 - 102.

5. Дубровский С. А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Химическая наследственность шихтовых материалов // Вести высших учебных заведений Черноземья. - Липецк - ЛГТУ, 2008,- № 2 (12). - С. 79 - 83.

6. Дубровский С. А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Гипотеза кластерной природы наследственности шихтовых материалов в металлургии черных сплавов // Вести высших учебных заведений Черноземья. - Липецк: ЛГТУ, 2008.- № 1 (11). - С.89 - 96.

7. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Исследование физико-химических особенностей выплавки сплавов в индукционных печах // Славяновские чтения «Сварка - XXI век»: сборник научных трудов. 4-5 июня 2009г. - Липецк: ЛГТУ, 2009. - Кн. 1. - С. 45 - 52.

8. Дубровский С.А., Шипельников A.A. Исследование составов шлакообразующих смесей для кислых и нейтральных футеровок индукционных печей // Славяновские чтения «Сварка - XXI век»: сборник научных трудов. 4-5 июня 2009г.- Липецк: ЛГТУ, 2009. - Кн. 1. - С. 53 - 57.

9. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Требования к качеству шихтовых материалов и контролируемые параметры технологии устранения наследственности шихтовых материалов // Современная металлургия начала нового тысячелетия: труды V международной научно-технической конференции. - Липецк: ЛГТУ, 2008. - Ч. 1. - С. 6 - 12.

10. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Методика металлургической экспертизы качества шихтовых материалов И Современная металлургия начала нового тысячелетия: труды V международной научно-технической конференции-Липецк: ЛГТУ, 2008. - Часть 1. - С. 12 - 19.

Подписано в печатьC_S_.U_.2010. Формат 84x108 1/16 Бумага офсетная. Ризография. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № {ОЦб Бесплатно. Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ. 398600, Липецк, ул. Московская, 30

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ВЫПЛАВКИ ЧЕРНЫХ СПЛАВОВ В ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ

1.1. Конструкционные черные сплавы для деталей нефтедобывающих насосов

1.2. Технологии выплавки черных сплавов в индукционных печах

1.3. Параметры качества сплавов, определяемые процессами индукционнои плавки

1.4. Выводы по главе 1. Цели и задачи исследований

2. МЕТОДИКИ И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА 39 ОСНОВНЫХ ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1. Объекты исследований

2.2. Условия проведения экспериментальных плавок в производственных ^ условиях

2.3. Измерительные средства контроля массы, химического состава, структуры, температуры и механических свойств сплавов. Программное 43 обеспечение работ

2.4. Методики исследования качества шихтовых материалов

2.5. Исследование полного химического состава доменных чугунов и ^ стального лома

2.6. Выводы по главе

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ВЫПЛАВКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЧУГУНОВ С ФОРСИРОВАННЫМ РЕЖИМОМ 60 И ПРИЕМОМ ТЕРМОВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВОВ

3.1. Исследование «структурной наследственности» чугунов. Выбор температур миксирования расплавов

3.2. Исследование и выбор составов шлакообразующих смесей для кислых и нейтральных футеровок индукционной печи ИСТ-1.

3.3. Основные показатели технологий и поведение элементов при форсированном режиме и термовременной обработке

3.4. Сравнение качества чугунов, полученных по экспериментальной и действующей технологии

3.5. Выводы по главе

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ С ПЕРИОДОМ ОКИСЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

4.1. Обоснование выбора режима плавок. Предварительный анализ результатов

4.2. Исследование изменения состава металла и шлака по ходу плавок. Материальный баланс плавки

4.3. Поведение основных элементов в процессе плавки и после ввода окислителя

4.4. Выводы по главе

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНОВ И СТАЛЕЙ В 172 ИНДУКЦИОННЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ ИСТ-1.

5.1. Результаты испытаний технологии выплавки конструкционного ^ чугуна и углеродистой стали в условиях ООО «ЛеМаЗ»

5.2. Требования к качеству шихтовых материалов и контролируемые параметры технологии выплавки для промышленного производства 183 сплавов

5.3. Выводы по главе

Актуальность темы. Нефтедобывающая отрасль является важной составляющей экономики РФ, которая предъявляет ряд жестких требований к качеству деталей нефтедобывающих и специальных электронасосов. Современное состояние машиностроительного производства диктует поиск резервов увеличения качества металлопродукции, что осуществимо за счет совершенствования существующих технологий выплавки конструкционных сплавов.

В настоящее время выплавка сталей в индукционных печах осуществляется с использованием «переплавных» технологий, которые существенно сужают сырьевую базу печей по стальному лому ввиду необходимости подбора шихты по нижнемарочному содержанию основных элементов. Выплавка конструкционных чугунов осуществляется на высокотемпературных форсированных режимах, а использование режимов термовременной обработки расплавов всегда требует дополнительных исследований их влияния на показатели процесса и качество сплавов. В ряде случаев при смене марки или предприятия-поставщика перерабатываемых доменных чугунов наблюдается их «наследственное» влияние на свойства получаемых изделий, которое до настоящего времени не регламентируется технологическими инструкциями.

Все вышесказанное определяет актуальность работы, которая направлена на совершенствование технологий выплавки сплавов в современных индукционных печах и выполнена в рамках разрабатываемого в ЛГТУ научного направления «Феноменологические модели и нелинейная динамика высокотемпературных процессов и технологий» при поддержке грантом РФФИ 09-08-97578-рцентраа. Работа удостоена областной премии имени С.Л. Коцаря за достижения в области технических наук.

Целью работы является совершенствование технологий выплавки конструкционных чугунов ЧН15Д7, СЧ03Ц01Б и стали 30, предназначенных для изготовления ответственных деталей нефтедобывающих насосов, в индукционных сталеплавильных печах ИСТ-1,0 с кислой и нейтральной футеровкой с проведением эффективных рафинировочных операций для повышения качества сплавов.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

1) исследовать полный химический состав используемых доменных чугунов и стального углеродистого лома, включая содержание микроэлементов-ликвантов, для последующей их минимизации в шихте;

2) исследовать влияние типа структуры доменных чугунов и температуры миксирования на дендритную сегрегацию и твердость структуры получаемых чугунов с определением диапазона температур плавок для получения минимальной твердости литых заготовок;

3) исследовать поведение углерода, кремния и марганца при высокотемпературном форсированном режиме с использованием в качестве шлакообразующей смеси кварцевого песка и при трёх режимах миксирования (температурной выдержки) с использованием шлакообразующей смеси на основе оксидов системы «8Ю2 — А1203 - СаО»;

4) организовать плавки с окислительным периодом, посредством ввода твердого окислителя на шлак, и исследовать поведение углерода, кремния, серы и фосфора по ходу процесса;

5) установить сравнительные с действующей технологией технико-технологические показатели процессов и качественные характеристики получаемых сплавов в технологических пробах и заготовках деталей нефтедобывающих насосов.

Достоверность основных положений и выводов. Достоверность результатов работы подтверждается проведением промышленных плавок, с использованием новейшего оборудования контроля температуры, состава, структуры и свойств сплавов, программного обеспечения анализа данных и теоретическим анализом процессов с использованием современной теории металлургических расплавов.

Научная новизна работы. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. На нейтральной футеровке впервые предложена и обоснованна проведением экспериментальных плавок технология выплавки углеродистой стали с окислительным периодом, направленная на повышение степени удаления углерода, кремния и серы, повышение стойкости футеровки и снижения индекса загрязненности стали неметаллическими включениями.

2. Предложена и обоснованна проведением экспериментальных плавок технология выплавки конструкционных чугунов с тремя периодами миксирования и использованием твердых шлакообразующих смесей на основе оксидов системы «БЮг — Л12Оз - СаО» на кислой футеровке, направленная на уменьшение степени окисления углерода и марганца, повышение стойкости футеровки, снижения индекса загрязненности чугунов неметаллическими включениями и растворенными газами.

3. Для процесса выплавки конструкционных чугунов установлено явление «структурной наследственности», заключающееся в увеличении склонности расплавов чугунов к дендритному построению структуры при использовании в шихте ледебуритных доменных чушковых чугунов с дендритной сегрегацией микроструктуры, повышающей их твердость в технологических пробах и заготовках.

4. Предложена и апробирована методика исследования качества доменных чушковых чугунов и стального лома, заключающаяся в совместном использовании методов визуального, металлографического и спектрометрического анализа темплетов выборки материалов, позволяющая в более сжатые сроки в производственных условиях определять их полный химический состав и внутренние дефекты, влияющие на качество металлопродукции.

На защиту выносятся следующие положения: 1. Для процесса выплавки стали:

- установленные технико-технологические показатели и качество получаемой стали по содержанию неметаллических включений и механическим свойствам поковок деталей нефтедобывающих насосов; полученные экспериментальные зависимости коэффициента распределения 5 от содержания РеО и СаО в шлаке, коэффициента распределения Р от содержания РеО и температуры, содержания С и 57 от температуры и длительности плавки.

2. Для процесса выплавки чугунов: установленные сравнительные с высокотемпературным форсированным процессом технико-технологические показатели и качество получаемых чугунов по содержанию неметаллических включений, растворенных газов, механическим свойствам и количеству брака в литых заготовках нефтедобывающих насосов;

- полученные экспериментальные зависимости содержания С, 5/ и Мп от температуры расплава, длительности плавки и содержания РеО в шлаке;

- полученные экспериментальные зависимости поверхностной твердости чугунов в технологических пробах от температуры миксирования расплавов, площади сегрегации и фрактальной размерности дендритов при переделе «белых» и «серых» доменных чушковых чугунов.

Практическая ценность работы.

1. Испытана и внедрена в действующем производстве ООО «Лебедянский машиностроительный завод» (ООО «ЛеМаЗ») технология выплавки высококачественных конструкционных чугунов СЧ03Ц01Б и ЧН15Д7 в индукционных печах с кислой футеровкой, позволившая снизить на 31,5% индекс загрязненности, уменьшить степень окисления С на 1% отн. масс., Мп на 4%, степень восстановления 5/ на 5,3%.

2. Испытана в действующем производстве технология выплавки углеродистой качественной стали 30, позволившая снизить на 19,5% индекс загрязненности, повысить в 2 раза стойкость футеровки, удалять С и 5 на 33%, 57 - на 86% и соответственно, перерабатывать стальной лом с завышенным содержанием данных марочных элементов.

3. В период испытания технологии выплавки чугунов на крупной серии плавок (530 плавок) получено повышение на 25% стойкости кислой футеровки и механических характеристик чугуна ЧН15Д7: увеличен на 15,6% предел прочности, снижена на 8,8% твердость, а также снижение на 15,85% количества брака (газо-усадочные раковины) в литых заготовках нефтедобывающих насосов.

4. С помощью методики исследования качества шихтовых материалов установлено содержание вредных микроэлементов в доменных чушковых чугунах марок JI5, ГОЛ, ЛР6, П1 (от 0,025 до 0,034%) и стальном углеродистом ломе категории 1А (от 0,016 до 0,023%), составляющих сырьевую базу печей в условиях Центрального федерального округа.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на международных научно-технических конференциях «Современная металлургия начала нового тысячелетия»: III (г. Липецк, 2006), IV (г. Липецк, 2007), V (г. Липецк, 2008) и VI (г. Липецк, 2009), «Славяновские чтения «Сварка - XXI век» (г. Липецк, 2009), а также университетских научных семинарах в период с 2008 по 2010 г. (г. Липецк, ЛГТУ).

Публикации. По материалам опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы и структура. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав с выводами, библиографического списка из 119 наименований, заключения и 4 приложений. Включает 103 страницы текста, а также содержит 85 рисунков и 113 таблиц.

5.3. Выводы по главе 5

1. Испытана и внедрена в условиях ООО «ЛеМаЗ» (Лебедянский машиностроительный завод, г. Лебедянь) на крупной серии плавок (530 плавок) технология выплавки высоколегированного чугуна «нирезист» в индукционных печах ИСТ-1.0 с кислой футеровкой, позволяющая снизить окисление углерода на 1,5% масс, относ.) и марганца (на 4%), восстановление кремния (на 5,3%) и повысить на 25% стойкость футеровки. Средняя экономия материалов в экспериментальной технологии составила 0,52 кг/т ферромарганца ФМн78 и 0,4 кг/т графита ГС.

2. В период испытания технологии с января 2006г. по декабрь 2007г. отмечено повышение качественных характеристик «нирезиста» после модифицирования: увеличен предел прочности (на 15,6%), снижена твердость (на 8,8%>) и уменьшено количество газо-усадочных дефектов (на 15,85%). Увеличена на 21,5% степень детерминации прочности и твердости металлической основы «нирезиста».

3. Испытана и внедрена технология выплавки углеродистой стали с периодом окисления элементов в индукционных печах ИСТ-1.0 с нейтральной футеровкой, позволяющая получать металл высокой чистоты по неметаллическим включениям и уровнем механических свойств, соответствующим требованиям ГОСТ1050-88 для стали 30, как при модифицировании, так и без ковшевой обработки.

4. Контролируемыми параметрами качества доменных чугунов, кроме требований нормативной документации, должны быть особенности макроструктуры (наличие дендритной сегрегации) и содержание микроэлементов (V, 77, Аз и РЬ), количество которых не должно превышать 0,02%. При анализе стального лома дополнительно необходимо контролировать содержание микроэлементов, количество которых не должно превышать 0,02%. Контролируемыми параметрами технологии выплавки чугунов и сталей в индукционных печах являются: состав ТШС, время и температура периодов миксирования.

5. Результаты исследований и испытаний технологий реализованы в технологическом процессе производства деталей нефтедобывающих насосов на ООО «ЛеМаЗ» в виде обязательных требований технологических инструкций. Все вышеуказанные результаты подтверждены справкой соответствующего образца с ООО «ЛеМаЗ», заверенной техническим директором, главным металлургом и начальником центральной заводской лаборатории.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Испытана и внедрена в действующем производстве ООО «Лебедянский машиностроительный завод» (ООО «ЛеМаЗ») технология выплавки высококачественных конструкционных чугунов в индукционных печах с кислой футеровкой, позволяющая снизить окисление углерода на 1,0%, марганца на 4%, восстановление кремния на 5,3%. Испытания технологии на крупной серии плавок (530 плавок) показали повышение стойкости кислой футеровки на 25% и качественных характеристик модифицированного чугуна «нирезист»: увеличен предел прочности (на 15,6%), снижена твердость (на 8,8%) и уменьшено количество газо-усадочных дефектов в заготовках деталей насосов (на 15,85%).

2. Испытана в действующем производстве ООО «ЛеМаЗ» технология выплавки углеродистой качественной стали 30 в индукционных печах с нейтральной футеровкой, посредством организации периода окисления элементов, позволившая снизить на 32% индекс загрязненности заготовок насосов, повысить в 2 раза стойкость футеровки, удалять С и 5 на 33%, - на 86% и соответственно, перерабатывать стальной лом с завышенным содержанием данных марочных элементов.

3. Исследовано поведение основных элементов и установлены технико-технологические показатели при различных температурно-шлаковых режимах выплавки конструкционных чугунов в индукционных печах с кислой футеровкой. Установлено, что использование трех периодов миксирования и шлакообразующих смесей на основе оксидов «БЮ2 - Л120з - СаО» позволяет повысить качество чугунов по содержанию газов и неметаллических включений, что выражается в снижении индекса загрязнения чугунов на 31,5%. Увеличение выхода жидкого металла составляет 0,3% от массы металлозавалки, расхода энергии - на 15 кВтч при повышении длительности плавки на 15,7%. Получены экспериментальные зависимости содержания С и О от температуры и длительности плавки (Я ; > 0,80), а также содержания Мп от содержания FeO в шлаке и длительности плавки (R2i> 0,55).

4. Исследовано влияние режимов миксирования при вводе твердого окислителя на поведение элементов и технико-технологические показатели процесса выплавки углеродистой качественной стали в индукционных печах с нейтральной футеровкой. Получены экспериментальные зависимости содержания С и Si от температуры и длительности плавки (R2 > 0,80).

5. Установлено, что сера удаляется в первый и частично во второй период миксирования, когда в шлаке ещё находятся частицы несвязанного оксида кальция ТШС. Получена экспериментальная зависимость коэффициента распределения серы содержания FeO и СаО в шлаке с коэффициентом детерминации 100%.

6. Исследован процесс циркуляции фосфора между металлом и шлаком после ввода окислителя и до момента раскисления шлака. Получена экспериментальная зависимость коэффициента распределения фосфора от содержания FeO в шлаке и температуры процесса с коэффициентом детерминации 100%.

7. Экспериментально установлено, что склонность расплавов чугунов к дендритному построению структуры при практически неизменных химическом составе, температурах миксирования и скорости охлаждения зависит от типа переплавляемых доменных чугунов. Получены уравнения зависимости поверхностной твердости чугунов от температур миксирования расплавов, площади дендритной сегрегации (R j > 0,96) при переделе серых доменных чугунов, а также фрактальной размерности (R -, > 0,77) при переделе белых чугунов, позволяющие определить допустимый температурный диапазон плавок.

8. Установлены специфические условия шлакообразования в печах с кислой и нейтральной футеровкой при использовании ТШС на основе оксидов системы «S1O2 — AI2O3 - СаО», заключающиеся в изменениях состояния и состава образующихся шлаков при заданных температурах миксирования расплавов. Предложена методика исследования качества доменных чушковых чугунов и стального лома, позволяющая в более сжатые сроки в производственных условиях определять их полный химический состав и внутренние дефекты, влияющие на качество металлопродукции. Результаты исследований реализованы в технологическом процессе производства деталей нефтедобывающих насосов на ООО «ЛеМаЗ» в виде обязательных требований технологических инструкций.

1. Металлургия прецизионных сплавов / Ю.А. Грацианов, Б.Н. Путимцев, Б.В. Молотилов и др. М.: Металлургия, 1975. - 448 с.

2. Адрианова В.П. Краткий справочник металлурга: справочник М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1960. - 369 с.

3. Сорокин В.Г. Марочник сталей и сплавов: справочник. М.: Машиностроение, 1989. - 639 с.

4. Гуляев А.П. Металловедение. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1978. - 758 с.

5. Шерман А.Д. Жуков A.A. Чугун: справочник. М.: Металлургия, 1991.-576 с.

6. Гиршович Н.Г. Справочник по чугунному литью: справочник. 3 изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1978. - 758 с.

7. Трубин Н.Г., Ойкс Г.Н. Металлургия стали М.: Металлургия, 1970.-616 с.

8. Беляев А.И. Физическая химия расплавленных солей и шлаков /под ред. А.И. Беляева. М.: Металлургиздат, 1962. - 479 с.

9. Борнацкий И.И. Десульфурация мартеновской стали. М.: Металлургиздат, 1955. - 114 с.

10. Карабасов Ю.С. Сталь на рубеже столетий: учеб. пособие для вузов / под. науч. ред. Ю.С. Карабасова. М.: МИСИС, 2001. - 664 с.

11. П.Ростовцев С.Т. Теория металлургических процессов.- М.: Металлург-издат, 1956. 255 с.

12. Васильев В.А. Физико-химические основы литейного производства: учебник для ВУЗов / под ред. В.А. Васильева. М.: «Интермет Инжиниринг», 2001. - 334 с.

13. Гарант И.Я., Жегалов А.К. Кристаллизация и строение стального слитка. М.: ОНТИ, 1935. - 135 с.

14. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. М.:1. Металлургия, 1966. 562 с.

15. Бунин К.П., Малиночка Я.Н., Таран Ю.Н. Основы металлографии чугуна. М.: Металлургия, 1969. - 416 с.

16. ЛифшицБ.Г. Металлография. М,: Металлургия, 1990. - 236 с.

17. Егоров A.B., Моржин А.Ф. Электрические печи. М.: Металлургия, 1975.-352 с.

18. Гиршович, Н.Г. Опыт производства синтетического чугуна на Каунасском литейном заводе Центролит. Вильнюс, Машиностроение, 1961. -305 с.

19. Бабат Г.И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1972. - 168 с.

20. Бащенко В.В. Электроплавильные печи цветной металлургии. — М.: Металлургия, 1971. 320 с.

21. Пипко А.И. Производство стали и сплавов в вакуумных индукционных печах. -М.: Металлургия, 1972.-191 с.

22. Захаренко Э.В. Структура и свойства чугуна. Киев: Институт проблем литья АН УССР, 1989. - 30 с.

23. Александров H.H. Высококачественные чугуны для отливок. М.: Машиностроение, 1982 - 222 с.

24. Ри, X. Выбор температурных режимов обработки расплавов чугуна на основе анализа структурночувствительных свойств // Литейное производство. 1982. - №5. - С. 12-15.

25. Еланский Г.Н., Еланский Д.Г. Строение и свойства металлических расплавов: учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: МГВИ, 2006. - 228 с.

26. Жуков A.A. О диаграмме состояния сплавов системы Fe-C // МиТОМ. 1988. - №4. - С. 2-8.

27. Белащенко Д.К. Структура жидких и аморфных металлов М.: Металлургия, 1985. - 192 с.

28. Ри X., Тейх В.А. Об упорядочении структуры ближнего порядка жидких чугунов при охлаждении // Изв. Вузов. Черная металлургия. 1980. -№7.-С. 123-126.

29. Джозеф Е. Опыт отливки высококачественного чугуна на заводе в Сагинау // «Foundry Trade Journal». 1942. - №1457. - с. 9-12.

30. Богегольд, А. Наследственность доменного чугуна // «Американская техника и промышленность». Нью-Йорк, США. - 1935. - С. 23-27.

31. Ланда А.Ф. Основы получения чугуна повышенного качества М.: Машгиз, 1960.-238 с.

32. Некрытый, С.С. Производство ковкого чугуна. М.: Машгиз, 1945. -472 с.

33. Никитин В.И. Основные закономерности структурной наследственности в системе «шихта-расплав-отливка» // Литейное производство. 1991. - №4. - С. 4-5.

34. Никитин В.И., Лукьянов Г.С. Использование структурной наследственности для изготовления алюминиевых отливок ответственного назначения // Литейное производство. -1995.- №10. С. 14-15.

35. Иванова B.C., Фолманс Г.Э. От наноматериалов к интеллектуальным нанотехнологиям // Металлургия машиностроения. -2007.- № 1.-С. 2-9.

36. Крестьянов, C.B. Структурная наследственность при получении отливок из ЧШГ // Литейное производство. 1999. - №1. - С. 18-20.

37. Давыдов C.B. Технология наномодифицирования доменных и ваграночных чугунов // Заготовительное производство.- 2005. №2. - С. 3 - 9.

38. Давыдов C.B. Эффективный способ устранения «наследственности» в доменных чугунах и чугунах ваграночной плавки // Черные металлы. — 2003.-№6.-С. 15-17.

39. Хан Б.Х., Ищук H .Я. Раскисление, дегазация, легирование стали. -М.: Металлургия, 1965. 254 с.

40. Ватолин H.A., Пастухов Э.А. Дифракционные исследования строения высокотемпературных расплавов. М.: Наука, 1980. - 189 с.

41. Фишер И.З. Статистическая теория жидкостей. М.: Физматгиз., 1961.-280 с.

42. Баум Б.А. Металлические жидкости проблемы и гипотезы. - М.:1. Наука, 1979. 368 с.

43. Фундаментальные исследования физикохимии металлическихрасплавов: М.: ИКЦ Академкнига, 2002 - 470 с.

44. Кузнецов В. «Булат советы продвинутым». Электронный ресурс. URL: http: // kuznec.com. (дата обращения: 12.10.2007).

45. Витолин Д. Применение фракталов в машинной графике // Computerworld-Россия. 1995. - №15 - С. 11-14.

46. Иванова B.C. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994. - 383 с.

47. Третьяков Ю.Д. Дендриты, фракталы и материалы // Соросовский образовательный журнал. 1998. - №11. - С. 96 - 102.

48. Морачевский А.Г., Сладков И.Б. Термодинамические расчеты в металлургии: Справочник. -М.: Металлургия. 1985. 136 с.

49. Фарбан С.А. Индукционные плавильные печи для плавки металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1968. - 494 с.

50. Бранд. Анализ данных. Статистические и вычислительные методы для научных работников и инженеров / перев. с англ. М.: Мир, 2003. - 686 с.

51. Грум-Гржимайло В.Е. Производство стали. М.: ГНТИ, 1931. - 457с.

52. Баранов А.А. Фазовые превращения и термоциклирование металлов. Киев: Наукова думка, 1979. - 230 с.

53. Sohma М., Nagaoka К. Effect of Graphite Size on the Growth of Spheroidal Graphite Cast Iron. Imono. -№11.- 1986. p. 58.

54. Iron Casting Handbook. 3-rd Edition, Edited by C. F. Walton. Clevelend: Iron Casting Society USA. 1981.-p.832 .

55. Riposan J., Tudor G. Druckolichkeit von Gusseisen mit Vermikular grapfit. Von Gusseisen mit Jamellen grapfite, von Gusseisen mit Kugelgrapfite: Giesserei Praxis. 1982. No 9. - S. 135-140.

56. Севрюков H.H., Кузьмин Б.А., Челищев E.B. Общая металлургия -3-е изд. М.: Металлургия, 1976. - 568с.

57. New Concepts in Nodularization and Inoculation: Foundry Trade J, V. 151. 1981. - No 3217. - P. 105 -106.

58. Борнацкий, И. И. Внепечное рафинирование чугуна и стали. Киев: Техшка, 1973. - 166 с.

59. The VI. International Symposium for desulphurization of hot metal and steel. Magdeburg/Germany. - September 14-16. 2000. - p. 82.

60. The International desulphurization seminar Hilton Hotel, Pragus, Grech Republic. October 21, 1999.- p. 173

61. The VII. International Symposium for desulphurization of hot metal and steel in Anif/Austria. September 26-27, 2002 - p. 58.

62. Синдзо X., Наоми M. // Реферативный журнал «Металлургия». -1972.-№8. -С. 31.

63. Vanicek V. // Nutnicke Listy. 1969. - № 8. - p. 552 - 558.

64. Кудрин B.A., Парма В.М. Технология получения качественной стали. М.: Металлургия, 1984. - 320 с.

65. Лякишев Н.П. Энциклопедический словарь по металлургии: Справочное издание: в 2 т. М., «Интермет Инжиниринг», 2000. - Т.2 — 412 с.

66. Кудрин В. А. Металлургия стали. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1989 - 560 с.

67. Шульте Ю. А. А. Электрометаллургия стального литья. М.: Металлургия, 1970-223 с.

68. Газы в литом металле / Изд-во «Наука», Москва 1964. 264 с.

69. Berger M. Geometrie Paris Cedic Fernand Nathan. 1978 Берже M. Геометрия, пер. с франц. // M.: Мир. 1984. T. 1. - 560 е., Т.2. - 368 с.

70. Karsay J. //Acta Techn., Acad. Sc. Hung. 1998. - № 4. - p. 481-483.

71. De-Sy А. // Metal Progress, vol. 66. 1954. - №1. - p. 92.

72. Marincek В., Feichtinger H. // 25-eme Congres international de fonderie, Liege-Bruxelles. 1958. - №2. -p.13-16.

73. Займан Дж. Модели беспорядка. Теоретическая физика однородно неупорядоченных систем. -М.: Мир, 1982. 336 с.

74. Wittmoser А. // 25-eme Congres international de fonderie, Liege-Bruxelles. 1958. №1. - p.22-24.

75. Матвеев K.K. Исследование из области нарушенной кристаллизации. Свердловск. 1948 - 115 с.

76. Сидоров JI.H., Коробов M.JL, Журавлева JI.B. Масспектральные термодинамические исследования.- М.: Изд-во МГУ, 1985 355 с.

77. Berger M. Geometrie Paris Cedic Fernand Nathan. 1978 Берже M. Геометрия, пер. с франц. - М.: Мир. 1984. Т. 1. - 560 е., Т.2. 368 с.

78. Heiney B.A. Fisher J. E . McGhie A. R. el al.// Phys. Rev. Lett. -1991. -V. 66 №22. P. 2911-2914.

79. Kroto H.W. Heath J.R., O'Brien S. C. et. al.// Nature. 1985. - V. 318. -P. 162-164

80. Kraetschmer W., Lamb L. D., Fostiropoulos K., Huffman D.R.//Nature -1990. P. 347, 354-357.

81. Ceolin R., Agafonov V., Fabre C. et al // J. Phys.I. France. 1992. -V.22 № 1.- P.l -5.

82. Крапошин B.C. Кристаллография // M.: «Металлургия». 1996. - T. 41.-№3 - С. 395-404,

83. Григорян B.A., Белянчиков JI.H., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1987.272 с.

84. Денисов Е.Д. Кинетика гомогенных химических реакций: учеб. пособие. 2-е изд., перераб. И доп. М.: Высш. Шк., 1989. - 391 с.

85. Pradeep T., Kulkarni G., Kannan К. et. al.// J. Am Chem Soc. 1992. -V.114. - P.2272 - 2273.

86. Bethude D.S. et al.//Nature. 1993. - V. 363. - P. 605 - 607.

87. Guo В С., Kerns K.P., Castleman A.W. Jr.// Science. 1992. - V. 255. -P. 1411 - 1413.

88. Guo B.C., Wei S., Purnell J. et al.// Science 1992. - V. 256. - P. 515516.

89. Zimmermann U., Malinowski N., Naher U. et. al.// Phys. Rev. Lett. -1994. V. 72.-P. 3542.

90. Хакимова, Д.К. «Кристаллография» // М.: 1976, т. 21, вып. 5. -с.1028-1029.

91. Хакимова, Д.К. Аппаратура и методы рентгеновского анализа // М.: вып. 15, СКБ РА. 1975. - с. 54 - 58.

92. Электронный ресурс. URL: http://progress-ltd.ru. (дата обращения: 02.04.2010).

93. Дубровский, С. А. Неравновесная термодинамика и феноменологические модели металлургических процессов // Сб. тр. межд. конф. «Металлургия и металлурги XXI века». Москва, МИСиС, кафедра металлургии стали, 2001. - С.388 - 397.

94. Слета JI.A. Химия: Справочник. Харьков: Фолио; Ростов на Дону: Феникс, 1997. - 496 с.

95. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. М.: Металлургия, 1986. - 310 с.108. «Официальный сайт ОАО «КМЗ». Электронный ресурс. URL: http:// www.kmz tula.ru/prod — chugun/ (дата обращения: 06.05.2010).

96. Близнюк H.A. Определение количества атомов в кластере железа // Современная металлургия начала нового тысячелетия: труды III международной научно-технической конференции Липецк: ЛГТУ, 2006. -Ч. 4. - С. 36 - 40.

97. Дубровский С. А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Гипотеза кластерной природы наследственности шихтовых материалов в металлургии черных сплавов // Вести высших учебных заведений Черноземья. Липецк: ЛГТУ, 2008.- № 1 (11). - С.89 - 96.

98. Дубровский С. А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Химическая наследственность шихтовых материалов // Вести высших учебных заведений Черноземья. Липецк - ЛГТУ, 2008.- № 2 (12). - С. 79 -83.

99. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Петрикин Ю.Н. Наследование структурных свойств шихтовых материалов чугунами индукционной плавки // Известия высших учебных заведений. Чернаяметаллургия. 2008.- №2. - С.48 - 51.

100. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Петрикин Ю.Н.

101. Дендритная наследственность шихтовых материалов // Заготовительные производства в машиностроении. 2008.- №2. — С.46 - 51.

102. Дубровский С.А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Наследственные неравновесные структуры в чугунах // Заготовительные производства в машиностроении. — 2008.- №12. — С.З 6.

103. Дубровский С. А., Шипельников A.A., Роготовский А.Н. Технология выплавки углеродистой стали в индукционных сталеплавильных печах // Вести высших учебных заведений Черноземья. Липецк - ЛГТУ, 2009.-№ 1 (15).-С.98 - 102.

104. Общество с ограниченной ответственностью

105. ЛЕБЕДЯНСКИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД» ООО «ЛеМаЗ»1. ИЗ*

106. ИНН 4611006508, КПП 481101001, р/с 40702810300000202971» ЗАО АКБ «Алеф-Банк» г.Москва, БИК 044552200 к/с 30101810900000000200399611, РОССИЯ, г. Лебедя нь, Липецкой области, ул. Машиностроителей, 1

107. Телефон: (474-66)7-32-21, 5-40-07 Телефакс: (474-66) 5-40-14

108. E-mail: lemazQlebedyan.lipetsk п http://lemaz lipetsk.ru

109. Председателю диссертационного совета1. Справка

110. В результате проведенных работ повышены качественные характеристики чугуна «нирезист»: повышена средняя прочность с 160 до 185 МПа, снижена твердость с 170 HB до 155 HB, уменьше£9=*аЕЩ^ество газоусадочных дефектов с 22,90 до 7,05%.

111. Технический директор ООО «JleMa А.И. Егориков1. Визы:

112. Главный металлург (^JJg -у/ о.В. Середников1. Vi -у.

113. Начальник ЦЗЛ \ / H.H. Камышникова

114. Химический состав доменный чугунов по микроэлементамрезультаты спектрограмм АЯЬ средние значения)0,0180 «х1. Щ 0.0160а. о54,0160ф х х10,0140о. ф

115. Рис. 2. Распределение микроэлементов в чугуне ЛР6, ЛМЗ