автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Теоретические предпосылки и практические методы управления физико-химическими и теплофизическими процессами при электрошлаковом переплаве, определяющие качество ответственных изделий

На правах рукописи

ЛЕВКОВ ЛЕОНИД ЯКОВЛЕВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И ПРАКТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОМ ПЕРЕПЛАВЕ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КАЧЕСТВО ОТВЕТСТВЕННЫХ

ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени £ д

005564090

доктора технических наук

Москва-2015

005564090

Работа выполнена в Акционерном обществе «Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» (АО «НПО «ЦНИИТМАШ»)

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, Ломберг Борис Самуилович

главный научный сотрудник ФГУП «ВИАМ»

Доктор технических наук, Падерин Сергей Никитович

помощник генерального директора -главный научный сотрудник АО «Металлургический завод «Электросталь»

доктор технических наук, Рощин Василий Ефимович

профессор, заведующий кафедрой

ЮУрГУ

Ведущая организация: Институт металлургии

и металловедения им. A.A. Байкова

Защита диссертации состоится « 26 » ноября 2015 г. в 14 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д217.042.01, созданного на базе Акционерного общества «Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» (АО «НПО «ЦНИИТМАШ») по адресу: 115088, г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4, малый конференц-зал (главный корпус, 2 этаж).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке OA «НПО «ЦНИИТМАШ». Диссертация и автореферат размещены на официальном сайте АО «НПО «ЦНИИТМАШ» ЬПр//\у\у\у.цниитмаш.рф. Текст автореферата и объявление о защите размещены на официальном сайте Министерства образования и науки Российской Федерации по адресу: http://vak.2ed.gov.ru/

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просьба направлять по адресу: 115088, г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4, диссертационный совет Д217.042.01. Копии отзыва можно направить по e-mail: ЕVMakarvcheva@cniitmash.com.

Автореферат разослан_октября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 217.042.01 K.T.H. Е.В. Макарычева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Важнейшие задачи, стоящие перед изготовителями ответственных металлоизделий атомного, энергетического, тяжелого и нефтехимического машиностроения, связаны с достижением высоких служебных характеристик материалов, эксплуатационной надежности корпусов, роторов, дисков, бандажей, валов, элементов трубопроводов, прокатных валков и других элементов оборудования.

Возможность вывести эти показатели на новый уровень связана с использованием современных способов производства исходной заготовки. Несмотря на значительный прогресс технологий выплавки и внепечной обработки стали, обеспечивающих высокую степень рафинирования металла, решение вопроса управления затвердеванием носит статистический характер.

Технологией, позволяющей экономически эффективно осуществлять совместное управление процессами рафинирования и затвердевания, является электрошлаковый переплав (ЭШП). Мировая тенденция последнего десятилетия проявилась в строительстве печей ЭШП нового поколения, применение которых обеспечивает конкурентоспособность технологии в сравнении с традиционными способами производства полых и сплошных заготовок при расширении номенклатуры материалов.

Особую актуальность приобретают вопросы регулирования показателей качества слитка, включая обеспечение высокой степени физической и химической однородности, строго лимитированного содержания легкоокисляющихся элементов, равномерного их распределения, дисперсности первичной литой структуры, оптимального состава, морфологии и топологии неметаллических включений.

В Российской Федерации в связи с проблемами развития экономики теоретические, экспериментальные и практические работы, направленные на создание и использование новых технологических подходов к управлению качеством металла, реализуемых в новых технических решениях, были в значительной степени замедлены. Настоящая работа направлена на преодоление негативных последствий этого процесса, что определяет актуальность темы проведенного исследования.

Разработка нового подхода к управлению физико-химическими и теплофизическими явлениями при ЭШП, основанного на современных теоретических представлениях и экспериментальных исследованиях окислительно-восстановительных процессов с участием шлака, обосновании и практическом применении специальных методов регулирования затвердевания слитка, в том числе с использованием переменного тока пониженной частоты, открывает перспективы повышения качества металла, системного совершенствования технологий и оборудования.

Цель работы: Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение принципов управления физико-химическими и

теплофизическими процессами, апробирование практических методов контроля и регулирования этих процессов и разработка новых направлений эффективного применения ЭШП при производстве сплошных и полых слитков для ответственных изделий.

Задачи исследования.

1. Разработка теоретических аспектов и практических приемов управления качеством металла при ЭШП на основе контроля и регулирования физико-химических и теплофизических параметров переплава.

2. Исследование окислительно-восстановительных процессов, взаимосвязи содержания кислорода и легкоокисляющихся элементов в слитке с окисленностью шлака и разработка математической модели поведения кислорода при ЭШП.

3. Развитие положений теории шлаковых расплавов с учетом особенностей их электронного строения, экспериментальное исследование зависимости валентности железа и сорбционных характеристик шлаков от парциального давления кислорода и разработка метода его контроля в оксидных и фторидно-оксидных системах.

4. Исследование возможностей и обоснование принципов управления теплофизическими параметрами переплава (скоростью плавления, коэффициентом формы ванны, протяженностью двухфазной области) за счет использования переменного тока пониженной частоты взамен промышленной.

5. Исследование технологий ЭШП сплошных и полых слитков и разработка базовых технических решений, направленных на повышение их качества.

Методы исследований. Разработаны и усовершенствованы методики и критерии экспериментально-аналитической оценки распределения примесей между шлаком и металлом, взаимодействия раскислителей со шлаками, методы измерения парциального давления кислорода в равновесии с оксидно-фторидными расплавами (Ро2), контроля уровня металла в кристаллизаторе. Использованы возможности математического и физического моделирования, методы конечных элементов и теории подобия. Характеристики качества металла исследованы с применением современных методик испытаний, металлографического, радиографического, рентгеноспектрального, фракционного газового и рентгенофлюоресцентного анализа.

Для решения теоретических вопросов использованы представления и методы смежных фундаментальных дисциплин - физической химии, физического металловедения, при проведении экспериментов применялись методы математического планирования и статистической обработки данных.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждают:

- теоретические оценки, в том числе полученные с применением математических и физических моделей, согласующиеся с результатами экспериментальных исследований и промышленной практики для широкой группы марок стали и типоразмеров слитков;

- соответствие данных, полученных в работе, касающихся окислительно-восстановительных, сорбционных и теплофизических процессов при ЭШП, наиболее представительным и достоверным результатам отечественных и зарубежных исследователей;

- успешное решение на основе полученных результатов разнообразных практических задач, связанных с управлением качеством металлоизделий.

Научная новизна работы:

1. Развитие существенных положений теории шлаковых расплавов, опирающейся на квантово-механические расчеты плотности распределения электронов, позволило впервые:

- выявить характер изменения валентности железа (уРс) в оксидно-фторидных системах при изменении Ро2 и, на основе обобщения экспериментальных данных, определить, что условием понижения уРс от +3 до +1 при 1600°С является создание дефицита кислорода за счет понижения Ро2 от 105 до 10"10 Па;

- разработать модель поведения кислорода при ЭШП, позволяющую прогнозировать содержание кислорода и активных по отношению к нему элементов в наплавляемом слитке и обосновать выбор шлаковых композиций с учетом их окислительно-восстановительных и сорбционных характеристик;

- разработать модель поведения серы в системе шлак-металл с градиентом окислительного потенциала и экспериментально подтвердить его влияние на распределение серы.

2. Теоретически установлено и впервые экспериментально подтверждено для полых слитков, выплавленных по бифилярной схеме ЭШП, что снижение частоты переменного тока приводит к изменению теплофизических условий кристаллизации (линейной скорости кристаллизации и градиента температуры в двухфазной области, ДФО), улучшению формы металлической ванны, уменьшению расстояния между осями первого порядка и локального времени затвердевания, оказывает существенное влияние на накопление примесей перед фронтом затвердевания и протяженность ДФО, уменьшая степень дендритной ликвации и модальный размер неметаллических включений.

Теоретическая значимость работы состоит в создании и развитии научных основ новых методов управления качеством слитка при ЭШП:

- выработан основанный на контроле окисленности и температуры шлака новый подход к управлению окислительно-восстановительными процессами, определяющими содержание в слитке элементов с высоким сродством к кислороду, в том числе алюминия, кремния и титана;

- разработанные модели охватывают совокупность термодинамических и кинетических факторов процесса: химический состав металла, реакционную поверхность взаимодействия, площадь торца сплавляемого электрода и металлической ванны, скорость обновления этих поверхностей - скорость наплавления слитка;

- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено изменение валентности железа в шлаке при создании дефицита кислорода в нем, определены условия и пределы таких изменений;

дополнены фундаментальные положения теории дендритной кристаллизации слитка применительно к условиям ЭШП на переменном токе пониженной частоты с учетом действия электромагнитных сил вблизи границы раздела шлаковой и металлической ванн, уменьшения температуры поверхности электрода и постоянной времени его нагрева, установлено, что эти факторы обусловливают положительное влияние снижения частоты тока переплава на характеристики кристаллической структуры, размер и распределение неметаллических включений.

Практическая значимость работы. На основе теоретических и экспериментальных результатов исследований впервые реализованы:

- на ООО «ОМЗ-Спецстапь» регламенты дифференцированного раскисления шлака, обеспечивающие оптимальные уровни Ро2 при выплавке слитков массой от 20 кг до 60 т из сталей углеродистых (10"5-10"5,5Па), высокохромистых (10"5'5-10"бПа) и легированных титаном (10"8-10"8'5Па) за счет дозирования добавок с учетом температуры и окисленности шлака;

- на ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ», ООО «Белэнергомаш» и ЗАО «Энергомаш (Чехов)-ЧЗЭМ»:

— способ повышения однородности структуры и исключения образования дефектов усадочного происхождения при электрошлаковой выплавке полых заготовок по бифилярной схеме за счет управления формой и глубиной металлической ванны, в том числе с использованием переменного тока пониженной частоты; впервые установлено, что при использовании бифилярной схемы переплава могут быть получены высококачественные полые слитки с коэффициентом формы ванны, не превышающим 0,7;

— способ контроля положения границы раздела шлак-металл в подвижном кристаллизаторе с помощью бесконтактного датчика проникающего излучения, функционирующего по принципу регистрации отражённого сигнала, что обеспечило высокую надёжность технологии выплавки слитков сплошного и полого сечения;

— дифференцированные технологические режимы, включая раздельное управление электрическими параметрами, в том числе частотой тока источника питания, обеспечивающие поддержание расчётной скорости плавления расходуемого электрода и получение высокого качества слитка.

С использованием результатов исследований и учетом основных тенденций развития ЭШП создан комплекс оборудования для получения сплошных и полых заготовок ЭШП-15/30 на ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ», в основу проектирования которого заложены апробированные в АО «НПО «ЦНИИТМАШ» новые технические решения, способные обеспечить импортозамещение ответственных металлоизделий и активную конкурентную позицию на рынке оборудования спецэлектрометаллургии.

Комплекс оборудования контроля окисленности и температуры шлака реализован на предприятием фирмы «Нагуиг^».

Обоснована возможность применения технологической схемы изготовления полых литых или с пониженной степенью деформации заготовок, реализация которой предоставляет возможность уменьшить в 2,5 раза объем кузнечных операций, обеспечивает повышение коэффициента использования металла в 1,2-2 раза, что позволяет по-новому оценить роль ЭШП как экономически эффективного способа, обладающего конкурентными преимуществами при производстве крупных полых изделий.

В настоящее время трубы, изготовленные ООО «Белэнергомаш» методом ЭШП, поставлены на тепловые и атомные станции России и стран СНГ: Киришская ГРЭС, Краснодарская ТЭЦ, Адлерская ТЭС, Няганская ГРЭС, Гусиноозерская ГРЭС, ТЭС г. Аксу, Экибастузская ГРЭС-1, Нижнекамская ТЭЦ, генерирующие объекты МОСЭНЕРГО, Череповецкая ГРЭС, Серовская ГРЭС, Ростовская АЭС.

На основные технические решения, имеющие практическое значение, получены патенты на изобретения [18-20,24,25,28].

Положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение изменения валентности железа в оксидно-фторидном шлаковом расплаве от +3 до +1 вследствие создания дефицита кислорода при понижении его равновесного парциального давления Ро2 от 10 до Ю"10 Па.

2. Новый подход к управлению физико-химическими процессами при ЭШП, базирующийся на контроле окисленности шлака.

3. Математическая модель поведения кислорода, позволяющая прогнозировать не только его содержание, но и содержание алюминия, кремния, титана в наплавляемом слитке, учитывая технологические факторы и результаты экспрессного измерения величины Ро2 в шлаке.

4. Разработка оборудования и комплекса методик измерения, предназначенных для определения величины окислительно-восстановительного потенциала оксидных и оксидно-фторидных шлаков. Впервые полученные данные о величине Ро2 при ЭШП слитков массой от 20 кг до 60 т из углеродистых, хромомолибденованадиевых, высокохромистых и хромоникелевых легированных титаном сталей.

5. Дополнившие фундаментальные положения теории дендритной кристаллизации слитка результаты экспериментальных исследований кристаллической структуры, ликвации примесей, топологии и морфологии неметаллических включений, а также сравнительного теоретического анализа процессов тепломассообмена и гидродинамики расплава в условиях ЭШП при использовании переменного тока промышленной и пониженной частоты:

- повышение равномерности температурного поля в объёме шлаковой ванны и уменьшение температуры поверхности расходуемого электрода, при прочих равных условиях, приводит к снижению весовой скорости плавления и

уменьшению глубины металлической ванны, коренным образом меняя линейную скорость затвердевания и градиент температуры в ДФО;

- в результате изменения теплофизических условий процесса (улучшения формы металлической ванны, уменьшения протяженности ДФО, преимущественного развития осей первого порядка, уменьшения среднего расстояния между ними и локального времени затвердевания) в межосных участках снижается ликвация примесей, вследствие чего неметаллические включения имеют меньший размер, а их скопления отсутствуют.

6. Результаты физического и математического моделирования, раскрывающие механизм образования дефектов усадочного происхождения при нарушении технологического режима ЭШП полых заготовок:

- показано, что высокая скорость наплавления приводит к нарушению теплофизических условий направленного затвердевания и, как следствие, образованию пор и усадочной рыхлости;

- определена допустимая величина глубины жидкой металлической ванны, обеспечивающая повышение степени физической и химической однородности структуры металла.

7. Основанная на результатах системного исследования качества металла в литом и деформированном состоянии, новая технологическая схема изготовления крупных полых заготовок из слитков ЭШП, обеспечивающая значительное уменьшение объема термодеформационной обработки металла.

Личное участие соискателя в получении результатов, изложенных в диссертации, раскрывают:

- подтвержденные авторскими свидетельствами СССР [11-17] и патентами РФ [18-40], всесторонне обоснованные написанными соискателем [44,46,47] научными работами. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежат: базовые теоретические положения и постановка задач [6,7,43,48,50,54,59-61], расчеты, анализ и интерпретация результатов [3,4, 42,45,62], разработка моделей и алгоритмов [49,53,56]. Разработка концепции и основных технических решений [1,5,51,52,55] осуществлялись под научным руководством соискателя, внедрение разработок [2,8-10,41,57,58]- с его непосредственным участием;

Апробация результатов: Основные положения диссертационной работы обсуждались на международных научно-технических конференциях и семинарах: Molten Slags, Fluxes and Salts Conference (12-17.06.2000, Stockholm Sweden, Helsinki Finland); International Conference on Mathematical Modeling and Simulation of Metal Technologies-MMT2000 (13-15.11.2000, Ariel, Israel); 3-й международной научно-технической конференции «Развитие атомной энергетики на основе замкнутого топливного цикла с реакторами на быстрых нейтронах. Инновационные технологии и материалы» (2009, Москва, ЦНИИТМАШ); Международной выставке «Металл-Экспо» (2011, Москва, ВВЦ - Золотая медаль).; II Международной научной конференции «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и

получению современных материалов и сплавов» (2011, Орск); Научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии для атомного, энергетического и тяжелого машиностроения» (2011, Москва, ЦНИИТМАШ); Международной конференции Россия-Казахстан «Инновационное сотрудничество: выход на новые рынки» (2012, Москва); 17-м Конгрессе международного союза по применению электричества (2012, Москва); Международной машиностроительной ярмарке «ЭиЭсВи «Инновации в металлообработке, обработке давлением, поверхностной отделке, новые технологии и оборудование для металлургической промышленности (2012, Брно, Чехия); 11-й научно-технической конференции «Новые перспективные материалы, оборудование и технологии их получения» (2012, Москва, ВВЦ, «Металл-Экспо»); Международной научно-технической конференции «Физико-химические основы металлургических процессов», посвященной 110-летию со дня рождения академика A.M. Самарина (2012, Москва, ИМЕТ РАН им. А.А.Байкова); Международной научно-технической конференции «Проблемы разливки и кристаллизации стали, сварки, термообработки и математическое моделирование технологических процессов» (2012, Москва, ЦНИИТМАШ); 6-й Международной конференции "Металлургия-ИНТЕХЭКО-2013" (2013, Москва); 15-й Международной научной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (2013, Челябинск); Научно-практической конференции с международным участием и элементами школы для молодых ученых «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (2013, Екатеринбург); 19-й международной промышленной выставке «Металл-Экспо»- Золотая медаль и семинаре «Инновационные технологии и оборудование для тяжелого и энергетического машиностроения» (2013, Москва, ВВЦ); Научно-техническом семинаре АО «НПО «ЦНИИТМАШ» - INTECO Special Melting Technologies GmbH «Тенденции технологии ЭШП на мировом рынке и перспективы её развития в России» (2014, ЦНИИТМАШ, Москва); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (2014, ЦНИИТМАШ, Москва); Научно-техническом семинаре «Обращение с РАО от переработки ОЯТ АЭС», (2014, Москва, ВНИИНМ им.А.А.Бочвара); 9-й Международной научно-технической конференции «Безопасность, экономика и эффективность атомной отрасли (МНТК-2014)», (2014, Москва); Всероссийской научно-технической конференции «Материалы ядерной техники» (МАЯТ-2014), (2014, Звенигород).

Результаты работы реализованы при создании и внедрении технологий ЭШП крупных слитков для роторов турбин высокого и среднего давления, парогенераторов энергетических установок, работающих на быстрых нейтронах, внутрикорпусных устройств и дисков газовых турбин на ООО «ОМЗ-Спецсталь», дисков турбин высокого давления на предприятии «Hanjung» в республике Корея, высокостойких прокатных валков на ОАО «МК

ОРМЕТО-ЮУМЗ», бесшовных труб для трубопроводов острого пара ТЭС и АЭС на ООО «Белэнергомаш» с экономическим эффектом 422,9 млн. руб. Внедрение результатов подтверждено документально.

Публикации. Результаты работы представлены в 32 печатных работах, в том числе 10 статьях в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также 23 патентах РФ, 7 авторских свидетельствах СССР.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов и содержит 329 страниц текста, 106 рисунков, 45 таблиц, список литературы из 290 наименований и приложения на 10 страницах

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено анализу достижений в области создания оборудования и технологии электрошлакового переплава отечественных и зарубежных учёных, представителей научных школ ИЭС им. Е.О. Патона, ЦНИИТМАШ, ЦНИИЧЕРМЕТ им.И.П.Бардина, ЧелябНИИМ, ИМЕТ УрО РАН, ВИАМ, ЧПИ, ВНИИЭТО, ИМЕТ РАН им. А.А.Байкова, ЮУрГУ, МИСиС, СИБЭЛЕКТРОТЕРМ, университетов г. Грац, г. Аахен, предприятий ОМЗ, ЗМЗ, 1NTECO, ALD, Consarc, Energietechnik Essen, BÖHLERE и др.

Разработка методов контроля и регулированияния окислительно-восстановительных и теплофизических процессов, основанных на современных математических, физических моделях и экспериментальных исследованиях, развитие методов управления затвердеванием, в том числе с применением переменного тока пониженной частоты, открывает новые возможности совершенствования технологий и оборудования ЭШП.

Выявлению общих закономерностей процессов рафинирования и затвердевания, развитию технологических направлений, способствующих повышению качества слитков, посвящены труды Б.Е.Патона, Б.И.Медовара, В.С.Дуба, А.Г.Шалимова, Г.А.Хасина, Я.М.Васильева, Л.А.Волохонского, М.М.Клюева, Л.Б.Медовара, Ю.В.Латаша, В.Е.Рощина, В.И.Чуманова, А.Г.Пономаренко, В.Б.Гуткина, В.Хольцгрубера, А.Митчелла, М.Окамура, К.Гото, М.Чудхури, К.Хариша, У.А.Тиллера, Б.Чалмерса, М.Флемингса, В.А. Фишера и др. Однако по-прежнему требуют разработки вопросы обеспечения высокой степени физической и химической однородности, строго лимитированного содержания легкоокисляющихся элементов, дисперсности первичной литой структуры, оптимального состава, морфологии и топологии неметаллических включений при производстве крупных слитков и полых заготовок ответственного назначения.

В разделе 1 приведен развёрнутый анализ современных тенденций развития электрошлаковой технологии и оборудования, способов управления качеством слитка, повышения технико-экономических параметров переплава.

Среди основных направлений совершенствования печей ЭШП надо выделить: расширение номенклатуры выплавляемых заготовок; увеличение массы слитка до 100-250 тонн; освоение новых энергоэффективных схем переплава, в том числе с источниками питания переменного тока пониженной частоты, вращением расходуемого электрода; укороченных, в том числе токоведущих кристаллизаторов, оборудования, позволяющего ограничить контакт жидкого шлака с атмосферой цеха и др.

Проведенные исследования, опыт специалистов ЬЕУВОЬО НЕНАЕиБ, ШТЕСО, ВНИИЭТО, ЦНИИТМАШ и КОМТЕРМ выявили ряд преимуществ печей с источником питания пониженной частоты тока по сравнению с печами, оснащенными однофазными трансформаторами, включая возможности:

- избежать резких колебаний нагрузки питающей сети и несимметрии потребляемой из неё мощности;

- плавно регулировать напряжение, обеспечивая высокую точность стабилизации параметров режима переплава;

- управлять скоростью наплавления слитка, качеством его боковой поверхности и формой металлической ванны.

Реализация этих преимуществ является предпосылкой обеспечения высоких характеристик качества слитка.

Большинство систем автоматизированного управления (САУ) современных печей ЭШП основано на принципе поддержания необходимой величины мощности, вводимой в шлаковую ванну, и её сопротивления. Расширение массива измеряемых при ЭШП параметров процесса и использование их в САУ - резерв повышения эффективности переплава, использование которого предусматривает выполнение теоретических, экспериментальных и практических работ, направленных на разработку новых технологических подходов к управлению качеством слитка, реализуемых в новых технических решениях при создании многофункционального оборудования.

Контроль и регулирование окислительно-восстановительных процессов, протекающих при ЭШП, является важнейшим этапом такого подхода. Под воздействием ряда факторов, включая состав расходуемых электродов, атмосферы плавильного пространства, использования раскислителей, в ходе переплава изменяется окислительно-восстановительный потенциал (окисленность) шлака, что предопределяет возможность удаления из металла кислорода, неметаллических включений и примесей, окисления или восстановления алюминия, кремния, титана и других элементов.

Подобные причины побуждают исследователей подбирать для каждого конкретного случая способ оптимизации окисленности шлака. Разноречивость литературных данных обусловливается, в значительной мере, отсутствием детально проработанного метода экспрессного контроля этого параметра в условиях ЭШП.

Эта проблема не находит адекватного отражения ни в современных математических моделях процесса, ни в аналитике. Основу для ее решения дают представления о шлаке как фазе переменного стехиометрического состава, где возможно создание дефицита кислорода и резкое понижение его парциального давления при введении раскислителей, что сказывается на физико-химических и технологических свойства шлака, в том числе сорбционных характеристиках.

Такие представления, разработанные Л.Полингом, модернизированные А.Г.Пономаренко, опирающиеся на квантово-механические расчеты Э.Ферми и П.Дирака по плотности распределения электронов как наиболее общей количественной меры окислительно-восстановительного потенциала фазы, учитывают "электронную" составляющую цут химического потенциала элемента т в шлаковом расплаве:

Цт = Цт°+ ЯТ1па'(т) + цут (1)

Если шлак находится в термодинамическом равновесии с газовой фазой, то равны химические потенциалы кислорода (ш^О) в газе ц(0) и шлаке ц(0): НЮ! = И ° (0! + ^ЯТ 1п Ро2 = ц(0) = |Т°,0, + ЯТ 1п а'«» - 2ц (2),

где И (о) - химический потенциал кислорода в шлаке; а'(о) - доля активности кислорода, зависящая только от аналитического состава шлака; ¡1 - химический потенциал электронов в шлаке (уровень Ферми), ут - валентность элемента ш в шлаковой фазе, определяемая как разность между общим числом электронов в исходном атоме (порядковым номером в периодической системе Д.И.Менделеева) и средним числом электронов на уровнях атомов элемента ш в фазе; Я - газовая постоянная; Т - абсолютная температура.

Поэтому равновесное парциальное давление кислорода над шлаковым расплавом Ро2 как величина, доступная для измерений, принимается в качестве меры окисленности шлака.

Хотя метод электродвижущей силы (э.д.с.) с применением твердого электролита, позволяющий определять величину Ро2, широко внедрен при контроле активности кислорода в металлических расплавах, возможность использования твердых окисных электролитов в оксидно-фторидных шлаках, в том числе в условиях ЭШП, в литературе не анализировалась и результаты таких измерений не представлены.

Теоретические и экспериментальные исследования окислительно-восстановительных реакций, поведения кислорода, включая разработку математической модели, учитывающей термодинамические и кинетические факторы, обоснование метода и выбор аппаратурного оформления контроля окисленности шлака, являются важными предпосылками совершенствования управления физико-химическими процессами при ЭШП.

Формирование литой структуры слитка с высокой степенью физической и химической однородности - задача, решение которой при ЭШП зависит от эффективности управления электрическими и теплофизическими процессами, определяющими скорость переплава и скорость наплавления слитка. Степень

влияния прочих условий переплава на форму металлической ванны соответствует распределению тепла (тепловому балансу) по границам шлаковой ванны и степени перегрева поступающего в неё жидкого металла.

Использование математического моделирования для понимания и контролируемого управления процессом ЭШП получает всё большее распространение. Результаты комплексных исследований в этой области описывают явления формирования структуры, ликвации, тепломассопереноса, которые протекают в процессе затвердевания.

Моделирование магнитогидродинамических явлений при ЭШП на переменном токе промышленной и пониженной частоты, выполненное под руководством В.Хольцгрубера, выявило повышение интенсивности электромагнитного перемешивания в шлаковой ванне при снижении частоты тока, вследствие чего ее температурное поле становится более однородным, в результате уменьшается глубина металлической ванны.

Изменение коэффициента формы ванны приводит к значительному увеличению кажущегося градиента температуры в ДФО, что, в свою очередь, должно способствовать локальному увеличению коэффициента распределения (снижению ликвации).

Эти факторы использованы при разработке нового подхода к управлению теплофизическими процессами, воздействующими на структуру слитка ЭШП.

В разделе 2 выполнены исследования поведения при ЭШП кислорода, серы, термодинамически непрочных оксидов, элементов с высоким сродством к кислороду. В системе металл-шлак, близкой к равновесному состоянию, результаты измерения Ро2 позволяют анализировать особенности поведения компонентов в обеих фазах. Поэтому особое внимание уделено рассмотрению теоретических и метрологических аспектов контроля Ро2. Метод э.д.с. реализован с помощью датчика, содержащего твердый электролит гЮ2(У20з) и электрод сравнения Мо-Мо02. Защитное покрытие из устойчивого в оксидно-фторидных расплавах при температурах, характерных для ЭШП, карбонитрида бора позволяет избежать взаимодействия твердого электролита со шлаком [45].

Оценка возможного влияния фтора, анионы которого имеют потенциальную возможность диффундировать по анионным вакансиям твердого электролита, на величину э.д.с. выполнена с помощью эквивалентных электрических схем гальванической ячейки при допущении Ро2»Ре (параметр твердого электролита, равный парциальному давлению кислорода, при котором доля ионной проводимости твердого электролита 1„=0,5). Обозначив: парциальное давление кислорода над электродом сравнения Ро2,ср; отношение ионных сопротивлений твердого электролита по кислороду и фтору г)=Г10/Кр; величины э.д.с., обусловленные градиентами химических потенциалов кислорода и фтора Е0, и ЕР, на основании II закона Кирхгофа и уравнения Нернста установили:

Результаты экспериментов по параллельным измерениям в шлаке э.д.с. датчиками с электродами сравнения Мо-Мо02 и Сг-Сг203 позволили оценить:тр0,04; среднее расхождение величин ^Ро2 составило 2,5%, не превышая паспортную сходимость показаний серийно выпускаемых датчиков окисленности стали типа ДОСП. Поэтому можно влиянием фтора на измерения Ро2 пренебречь, а метод применить к оксидно-фторидным расплавам.

Результаты серий сравнительных испытаний в расплаве железо-углерод и шлаке состава 55%СаО - 45%А12Оэ при Ро2=10"ш-10"6Па позволили установить с достоверностью 0,90, что измерения, проводимые разработанными датчиками, равноточны с измерениями, проводимыми с помощью датчиков ДОСП. Использование метода конечных приращений при анализе уравнения Шмальцрида позволило предположить, что погрешность измерения наиболее существенно зависит от доли ионной проводимости твердого электролита, причем это обстоятельство становится особенно заметным при низких значениях Ро2.

В ходе опытных плавок шлаков АНФ-6 и АНФ-1 оценена инструментальная погрешность измерения Д^Ро2, не превышающая 0,35 в интервале 1§Ро2= -4...-10 и достигающая 0,88 при ^Ро2=-13, что связано с соответствующим понижением 1„ при Ро2<Ю~10Па. Эта же причина, по-видимому, снижает воспроизводимость показаний при «глубоком» раскислении шлака. Отношение среднего квадратичного отклонения к среднему абсолютному значению при 1§Ро2=10~13Па достигает 6%. Указанный уровень Ро2, однако, находится за пределами практики ЭШП, для которой метрологические характеристики датчика можно считать приемлемыми.

Решение теоретических и методических вопросов контроля окисленности шлаков позволяет перейти к исследованию поведения химических элементов в ходе окислительно-восстановительных процессов при ЭШП. Взаимодействие со шлаками элементов, обладающих высоким термодинамическим сродством к кислороду, изучено в процессе экспериментов с использованием лабораторной печи сопротивления, а также на модельной печи ЭШП.

Результаты, представленные на рисунке 1а свидетельствуют о существенно различном характере влияния алюминия (кривые 1 и 3) и кремния (2) на Ро2 в экспериментах с синтетическим шлаком из термодинамически прочных оксидов (1 и 2) и промышленным шлаком типа АНФ-6 (3). В случае синтетического шлака наблюдалось значительное (от 10"7 до 10"13'5-10"14,5 Па) снижение Ро2 при введении первой же небольшой добавки раскислителя и неизменность этой величины при увеличении массы добавки. В ходе опытных плавок на модельной печи ЭШП оценена зависимость окисленности шлака АНФ-6 от типа и расхода раскислителей (рисунок 16).

О 0.2 0,4 0,6 Рагходрасктшиелей, '

О,? 1.0 1,5 2.0 2.5 9.0

Расход раскнслнтелеп. кг т

Рисунок 1 Зависимость Ро2 от расхода раскислителей Установлено, что введение раскислителей в расплав, состоящий из термодинамически прочных оксидов, приводит к скачкообразному (на 5-9 порядков) понижению Ро2 ввиду создания дефицита кислорода. Поскольку область гомогенности такого расплава мала, введение раскислителя «сразу исчерпывает» отклонение от стехиометрического состава, и выделяется металлическая фаза (корольки), а Ро2 стабилизируется на уровне, который определяется равновесием раскислителя с кислородом в корольках. Действительно, численные значения произведения [А1]"'а„3, рассчитанные по результатам химического анализа, близки к известной константе равновесия кислорода и алюминия в железе, приведенной в работах И.С.Куликова.

Присутствие в шлаке оксида железа, имеющего широкий интервал гомогенности при отклонениях от стехиометрического состава, приводит к снижению Ро2 по мере увеличения расхода раскислителей, что можно объяснить постепенным изменением валентности железа с последующим его восстановлением в металл. Это предположение подтверждено экспериментально. Введение в шлак оксида железа приводило к повышению Ро2, однако взаимосвязь содержания железа в шлаке (СРе,% ат.) с Ро2, построенная в логарифмических координатах, не линейна и в аналитическом

виде описана соотношением Сре=КРе Ро/"/4, следующим из анализа уравнений (1-2). Здесь Кре -константа равновесия реакции |Те]+1/202^ЧРе0); валентность железа в шлаке, соответствующая котангенсу угла наклона кривых к оси абсцисс на рисунке 2.

10" ¡10-" V' 101 1о"

0.06 0.1 0.2 0.4 0,6 0.8 1

1£Сг"'' Рисунок 2 Взаимосвязь Ро2 с

содержанием железа в оксидно-фторидных шлаках 1-АНФ-1, 2- АНФ-6 и в оксидном шлаке -3

Установлено, что при 1873К валентность железа в шлаке АНФ-6 с понижением Ро2 от 10~4 до Ю"10 Па изменяется приблизительно от +2 до +1. Несмотря на то, что допущения о нулевой ширине -зоны железа в шлаковой фазе и постоянстве ц(о)0 в разных шлаках - довольно грубые приближения, экспериментальные данные по различным расплавам [62], в том числе

описанные выше, относящиеся к шлаку АНФ-6, во всем исследованном диапазоне Ро2 коррелируют с расчетной зависимостью (4), представленной на рисунке 3:

трс = , , ,р'02,1/, „ . ,р"02ч1/.

Ро2 '

Р'о2

1+(Ер^Л

4 Рп9 ^

где Г о2 и Р о2 -зависящие от температуры параметры, полученные статистической обработкой данных Д.Чипмена и Л.Даркена о зависимости состава жидких оксидов железа от Ро2.

Рисунок 3 Зависимость валентности железа от окисленности шлака кривые 13 построены по соотношению (3) для температур: 1-1523К; 2- 1723К; 3- 1873К; точки - по литературным данным; в - результаты работы [62]

При исследовании влияния окисленности шлаков ЭШП на сорбционные свойства экспериментально установлена зависимость коэффициента распределения серы от Ро2 и при 1873К, определены сульфидные емкости С5 шлаков АНФ-1 и АНФ-6, составляющие 0,017 и 0,001, соответственно.

Анализ массопереноса серы с применением закона Фика при учете возможного градиента окисленности в системе металл-шлак аналитическому соотношению (5), позволяющему десульфурации:

привел к оценить степень

И„ > [8] > [Б], -

1пРо?

- 1п Ро2

(5),

где —- отношение объемов металлической и шлаковой фаз, [8]0 и (3)0-начальные концентрации серы в них. При градиенте окислительного потенциала в системе ( Ро^е> Ро2 ) степень десульфурации снижается. Учет этого эффекта необходим для синхронизации процессов раскисления и десульфурации, разработки рациональных технологических приемов.

Теоретические предпосылки и практические методы нового подхода к контролю физико-химических процессов при ЭШП позволили исследовать связь Ро2 с содержанием в металлической ванне элементов-раскислителей и кислорода, определяющих формирование неметаллических включений.

В ходе анализа результатов опытных плавок электродов из стали 20 и 15Х1М1Ф на модельной печи ЭШП установлен характер такой связи (рисунок 4). При понижении Ро2 в металл восстанавливаются алюминий и кремний, причем, в результате одновременного понижения Ро2 и коэффициента активности кислорода Г0, содержание этого элемента в металле сначала убывает, а затем возрастает [50], отражая ход кривых раскисления.

Рисунок 4 Зависимость содержания в металлической ванне кислорода (1,2,3), алюминия (4) и кремния (5) от Ро2 и соотношения площадей поверхности торца электрода и шлаковой ванны Fi / F2: 1- F, / F2 = 0,42; 2- F, / F2 = 0,25; 3 - F, / F2 = 0,07; Выявлен интервал окисленности шлака АНФ-6 (Ро2=10"5-10 5-5 Па) для получения в углеродистой и Cr-Mo-V стали алюминия менее 0,012% при сохранении других элементов в пределах технических условий.

Анализ материального баланса кислорода позволил установить влияние Ро2 и технологических параметров переплава на содержание кислорода в металлической ванне при допущениях: основные зоны реакции - пленка металла на торце электрода и поверхность раздела металлической и шлаковой ванн, на которой достигается состояние близкое к равновесному; оксидные включения расходуемого электрода при его плавлении диссоциируют и составляющие их элементы растворены в металле; в стационарном режиме скорость наплавления, форма ванны и торца электрода постоянны.

С учетом указанных допущений материальный баланс кислорода можно представить в следующем виде [50]:

([0]0-[0]с) F2 vc= К, ([0]0-[OWF,+ K2([0]-[0]m)F, (6)

Здесь vc- линейная скорость наплавления слитка, м/с ; К], К2- коэффициенты массопереноса кислорода для зоны пленки и ванны, м/с; [0]0 и [0]с -концентрации кислорода в электроде, слитке и металлической ванне, а [0]ш - в металле, находящемся в равновесии со шлаком, % масс.

С учетом соотношения [0]=[0]С/К„ где К,- эффективный коэффициент-распределения кислорода при кристаллизации и закона Сивертса [0]ш=К0Ро2ш/Г0, где К0- коэффициент растворимости кислорода в чистом железе, Па"1/2; f0- коэффициент активности кислорода в расплаве, решение уравнения материального баланса кислорода (6) имеет вид:

[0] = -¿-[(l+^)St^M + (l-f st)[0]0] (7)

bt + ty, Г2 Г0 г2

Здесь St- диффузионный критерий Стентона, равный отношению эффективного коэффициента массопереноса кислорода (К-сложная функция К| и К2) к линейной скорости наплавления слитка vc.

Соотношение (7) можно использовать для определения содержания кислорода в металле на основе измерения Ро2 с учетом термодинамических и кинетических параметров, включая химический состав, площадь сплавляемого торца электрода и металлической ванны, скорость наплавления слитка.

Технологические приложения модели дают оценку условий удаления кислорода в начальном периоде ЭШП: СРе<[О]0 ^ (8), где фРе- атомный

Кэ ре

коэффициент активности железа в шлаке и в стационарном режиме переплава: р°2<[0]£ (^г )2 (9), где КРе- константа равновесия реакции: [Те]+[0]<->(Ре0).

При величине эффективного коэффициента массопереноса кислорода К=ЗДН0"м/с (81=0,2) расчетное соотношение (7), адекватно описывает экспериментальные данные.

Способ дифференцированного раскисления [27], позволяющий на основе контроля Ро2 регулировать содержание в слитке элементов с высоким сродством к кислороду, также является технологическим приложением модели.

Новый подход к контролю окислительно-восстановительных процессов с различными режимами раскисления был продемонстрирован во время опытных плавок нержавеющей хромоникелевой стали с титаном на модельной печи. Установлена связь распределения титана между шлаком и металлом с Ро2 и температурой шлака (рисунок 5), которая, с учетом термодинамических данных А.Гош по реакции (10), может быть выражена соотношением (11):

1ёК10=-^~ + 30,033; (Т1305) ^ 3[Т1] + 5/202 (10)

, 0,93(ТЮ2) 117720

'е [^]з =-ШР+1,91ёРо2+17,53 (11)

Численный коэффициент 0,93, в числителе левой части соотношения (11), выражает изменение атомной доли титана при пересчете из "П305 на ТЮ2,

поскольку именно в такой форме титан указывается обычно в протоколах химического анализа шлака. г=о32 Рисунок 5 Связь распределения титана с температурой и окисленностью шлака (разными точками обозначены результаты разных плавок на модельной печи ЭШП)

__Анализ окислительно-восстановительных

•ъ-и

¡4

ю Ю- 10- Ю- Ю-8 10-' 10-» реакций предусматривает учет изменения

В», Па

температуры, поскольку ее градиент в ванне жидкого металла может достигать ЗООК при варьировании от температуры, близкой к ликвидус на оплавляемом торце электрода, до, возможно, 2000-2100К на границе металлическая ванна - шлаковая ванна, в соответствии с результатами математического моделированиям, анализ которых выполнен в разделе 1. Это существенно для реакций, протекающих со значительным тепловым эффектом, например, реакций с участием алюминия и титана.

Еще один важный аспект окислительно-восстановительных реакций, протекающих с изменением валентностей элементов - их участников, связан с влиянием частоты тока переплава. Согласно расчетным данным А.Митчелла и

А.Хариша, частота переменного тока переплава влияет на общую электрохимию процесса, причем степень такого влияния зависит от обратимости циклического процесса (симметричности анодного и катодного периодов). Заметное выпрямление переменной составляющей тока, идущего на стенку кристаллизатора при использовании пониженной частоты, инициирует электрохимические реакции на участках кристаллизатор - электрод - слиток, точный механизм которых пока не известен.

Приведенные результаты обосновывают необходимость контроля окисленности и температуры шлака как объективной основы управления физико-химическими и теплофизическими процессами, разработки технологий раскисления, выбора типа и расхода раскислителей.

В разделе 3 исследованы вопросы управление физико-химическими и теплофизическими процессами, определяющими особенности кристаллизации сплошных и полых слитков ЭШП. Оценены возможности технологического, композиционного, теплового и специального методов воздействия на формирование структуры слитка и управления его физической и химической однородностью.

При ЭШП в каждый момент времени в жидком состоянии находится относительно небольшая масса металла - до 10% от массы слитка. Это обстоятельство предоставляет возможность эффективно влиять на процесс затвердевания. Комбинирование перечисленных методов позволяет, в зависимости от конструктивных особенностей печей, в той или иной степени реализовать принципиальные возможности технологии: варьировать глубину и форму металлической ванны, изменять протяженность двухфазной области и ее теплофизические параметры.

Расстояние между осями дендритов первого порядка X, определяющее размер затвердевающей ячейки, пропорционально произведению градиента температур в на линейную скорость затвердевания У3: Х=а Я« С]'У,=Уссо5а (а-эмпирический коэффициент, а - угол кристаллизации (отклонения осей кристаллов от оси слитка), характеризующий форму ванны.

Экспериментами на модельной печи ЭШП показано, а в условиях плавок ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ» подтверждено, что уменьшение частоты электрического тока, используемого для плавления электродов, позволяет эффективно управлять теплофизическими параметрами процесса (скоростью плавления и коэффициентом формы ванны, параметрами ДФО). Установлено, что использование переменного тока пониженной частоты приводит:

- к уменьшению глубины металлической ванны и увеличению кажущегося градиента температуры в ДФО;

- к уменьшению расстояния между осями дендритов первого и высших порядков и локального времени затвердевания;

- к локальному росту коэффициента распределения, снижению степени дендритной и прямо связанной с ней зональной ликвации.

В процессе затвердевания в замкнутых дендритных ячейках, вследствие сложной комбинации процессов термодинамических (равновесное распределение), кинетических (изменение равновесных коэффициентов распределения в зависимости от скорости кристаллизации) и гидродинамических (изменение толщины диффузионного слоя, массобмена между ДФО и остальной частью расплава), а также вследствие особенностей формирования первичной кристаллической структуры (степень дисперсности структуры) возникают условия химической и физической неоднородности. Проведенные исследования показали, что изменение весовой скорости наплавления оказывает влияние не только на форму и протяженность ДФО, но и на характеристики дендритной структуры - расстояние между осями дендритов и параметры распределения примесей. Их изменение связано с уровнем теплофизических параметров (скорости затвердевания и градиента температур). В слитке диаметром 550 мм (рисунок 6) при массовой скорости переплава 485 кг/час параметр дисперсности дендритной структуры ^ изменяется от 320мкм у поверхности и 610 мкм на расстоянии % радиуса слитка от нее до 1500 мкм в центре, проходя через максимум 2530 мкм на Уг радиуса слитка, что подтверждает данные В.С.Дуба и В.Хольцгрубера и находится в соответствии с недавними результатами А.Хариша, приведенными в разделе 1.

> "Н v*> %* 4 Рисунок 6 Дендритные структуры слитка ЭШП - сталь 20,

*> , 0 550 мм, вы плавленного при частоте тока 2 Гц

iJ» Анализ влияния технологических параметров переплава на

,■ структуру полых слитков ЭШП позволил, с помощью "jur* ' математического и физического моделирования, выявить

* основные причины образования дефектов типа рассеянной

* "г-*- пористости и определить способы их предотвращения [9].

" —* В среде математического моделирования литейных

"«а пРоцессов PROCAST совместно с И.А.Ивановым проведены

* ^ расчеты процесса затвердевания металла при ванне различной

глубины. Температурные и фазовые поля моделировали с учетом выделения тепла при кристаллизации и решением 9' 10' 1Г р.

фильтрационной задачи, включая моделирование полей j Г Р

давления. Модуль программного пакета позволил 7,я| рассчитать ход кристаллизации полого слитка, включая Я) | т. температуру и долю жидкой фазы, тепловые узлы, J &Г"] ~ Г~Т0Г] усадочные раковины. Д- » j j '

Сечение расчетного сегмента с контурами нижней BJ j | | границы металлической ванны и схематичным В щ

отображением дефектов усадочного происхождения \,У' представлено на рисунке 7.

Рисунок 7 Продольное сечение полого слитка

Расчет подтвердил, что существует граничная величина глубины металлической ванны (в пределах от 1 до 1,2 толщины стенки полого слитка), превышение которой приводит к возникновению усадочной рыхлости или раковин.

Для апробации результатов численного моделирования проведены эксперименты на печи ЭШП-0,5У, где выплавлены модельные слитки из стали 20, представляющие собой сегменты трубной заготовки

Результат экспериментальных плавок согласуется с результатом численного расчета максимальной глубины ванны, равной толщине стенки заготовки (60 мм в условиях экспериментов). Установлено критическое значение коэффициента формы ванны, который не должен превышать 0,7 для получения структуры металла, лишенной усадочных дефектов.

Рисунок 8 Форма металлической ванны на макроструктуре продольных темп лето в:

(белой стрелкой отмечены частицы вольфрама, а черной - поры)

Особенности управления параметрами выплавки полых слитков 0550x87 мм из стали 16ГС-Ш по бифилярной («электрод - электрод») схеме исследованы на установке ЭШП-5Л ООО «Белэнергомаш». Опытный режим переплава позволял вводить на первой группе электродов мощность на 40-100 кВт (5-15%) выше, чем на второй. Из металла, полученного в период опытного режима переплава, вырезали продольные и поперечные темплеты для металлографического исследования и образцы для ударных испытаний

Показано, что неравномерность ввода мощности приводит к различиям скорости плавления. Под первой группой электродов, где вводимая мощность больше, металлическая ванна глубже а, коэффициент формы ванны выше, что отражается расположением осей дендритов и ^ углом кристаллизации а. Различие ударной вязкости образцов А и Б составило 25%. На изломах (рисунок 9) оценена доля хрупкой составляющей: 40% и 15%. Рисунок 9 Изломы образцов, вырезанных под первой группой электродов (А) и между электродами (Б) с оценкой Б площади хрупкой составляющей

Результаты численного и физического моделирования, анализ технологических параметров переплава, исследования структуры и свойств металла указывают, что основной причиной образования дефектов структуры

;

шшлаш

при ЭШП полых слитков для заготовок труб является неравномерная скорость плавления, влияющая на глубину и форму металлической ванны.

Для преодоления этого препятствия представляет интерес, особенно при выплавке длинномерных полых слитков по бифилярной схеме, использование комбинированных (основного и дополнительного) источников питания переменного тока пониженной частоты [21, 24].

Особенность теплофизических процессов при ЭШП, обеспечивающая ряд преимуществ применению тока пониженной частоты, связана с нагревом расходуемого электрода не только теплом, поступающим из шлаковой ванны на его торец и боковую поверхность, но, в первую очередь, электрическим током, влияющим на его тепловой режим, что сказывается на скорости переплава, следовательно, структуре слитка и качестве его боковой поверхности.

Основные допущения при анализе нагрева сводятся к следующему: а) температурный перепад вдоль оси электрода на участке нагрева током отсутствует (установлено В.Б.Гуткиным); б) тепло, выделяемое в электроде, распределяется равномерно по сечению; в) теплообмен с боковой поверхности в среду с температурой ^ осуществляется по закону Ньютона (излучением и свободной конвекцией).

Температура поверхности электрода ^ в момент времени т связана с максимальной ее температурой 1:м и постоянной времени нагрева т0:

1,= (12), где 1:м и т0 определяются соотношениями:

^ __1___ су Б, _1_

руун'ииш,-!) т° " £[[-, ' 1-н2я;рпэ/£ (14)

Здесь Н= <7/II, -действующее значение напряженности магнитного поля на поверхности электрода, £ -коэффициент теплоотдачи, учитывающий теплообмен излучением и свободной конвекцией; с -удельная теплоемкость; у -плотность металла; П, -периметр электрода; 8, -площадь его поперечного сечения; -начальное значение сопротивления единицы его длины (при температуре ъ); Р -температурный коэффициент удельного электросопротивления металла; 0 -действующее значение силы тока.

Поскольку, согласно Л.Нейману, °'00278>/

Пэ

где П0-удельное электросопротивление металла при начальной температуре 10; це-его относительная магнитная проницаемость; { - частота тока переплава, соотношения (13) и (14) преобразуются:

£ __1__суБз _1_

м Р(збо£/нг иь) т0 ^ "£_ЗбОН2р71ОТ (17)

Таким образом, с понижением частоты тока максимальная температура поверхности электрода и постоянная времени его нагрева уменьшаются по закону корня квадратного, вследствие чего, при прочих равных условиях, снижается весовая скорость плавления расходуемого электрода.

Учет этого результата и основных положений классических работ Б.Чалмерса, У.А.Тиллера, В.С.Дуба и других авторов, связывающих снижение скорости переплава с повышением температурного градиента на фронте затвердевания, показывает, что в результате понижения частоты тока переплава следует ожидать значительного уменьшения расстояния между осями дендритов, что приводит к уменьшению размеров образующихся в литом металле неметаллических включений.

Теоретические выводы о влиянии особенностей разогрева расходуемого электрода переменным током пониженной частоты на скорость плавления, форму металлической ванны и характеристики дендритной структуры согласуются с результатами экспериментальных исследований, приведенных как в разделе 3, так и в разделе 5.

Управление физико-химическими и теплофизическими процессами, определяющими формирование структуры слитка ЭШП, с использованием источников питания переменного тока пониженной частоты и современных возможностей технологического контроля обеспечивает снижение энергетических затрат, повышение качественных показателей слитка и является решающей предпосылкой увеличения коэффициента использования металла как на этапе ЭШП, так и на последующих переделах. Приведенные в предыдущих разделах результаты послужили основой разработок новых комплексов оборудования ЭШП, результаты которых приведены в разделе 4.

В разделе 4 установлены и обоснованы ориентиры разработки комплексов оборудования для ЭШП, соответствующих современному мировому уровню развития металлургии и машиностроения, сформулированы основные требования к конструкции входящих в них систем, обеспечивающих высокое качество слитков, реализованные на практике и представленные в работах [1,5,52,55,57]:

• модульная компоновка для эффективной загрузки оборудования;

• регулирование частоты тока источника питания, характеризуемого высоким уровнем электрического к.п.д., низким расходом электроэнергии, обеспечивающего широкие возможности развития массогабаритных характеристик и номенклатуры слитков;

• использование универсальной плавильной оснастки;

• реализация монофилярной и бифилярной электрических схем переплава;

• автоматический контроль процесса взаимного перемещения расходуемого электрода, выплавляемого слитка и/или кристаллизатора;

• экспрессный контроль и регулирование состава шлака, металла и защитной атмосферы в ходе переплава;

• дозирование необходимых добавок и управление скоростью плавления расходуемого электрода.

Показано решение принципиального вопроса - расширения массива контролируемых показателей процесса: электрических (ток, напряжение, мощность и сопротивление шлаковой ванны), кинематических (скорость

движения и перемещение кареток), тепловых (температура шлака в кристаллизаторе и воды в трактах системы охлаждения), тензометрических (моменты сил трения, препятствующие движению кареток), физико-химических (Ро2), радиоизотопных (уровень сигнала датчика гамма-излучения).

Столь разнообразное информационное обеспечение позволяет не только автоматизировать управление, но и воздействовать на качество формирующегося слитка и технико-экономические показатели процесса.

Поэтому САУ современной печи ЭШП позволяет реализовать:

• автоматическое поддержание и регистрацию параметров электрического режима в соответствии с заданием, в том числе по программе;

• контроль веса расходуемого электрода и скорости переплава;

• контроль положения границы раздела металла и шлака и уровня шлака;

• контроль состояния шлака, включая его окисленность и температуру;

• контроль состояния оборудования, распознавание нештатных ситуаций;

• отображение контролируемых параметров, включая ошибки оператора, на динаминированных мнемосхемах, создание протокола и паспорта плавки.

Современную печь ЭШП трудно представить без возможности реализации процесса плавки в среде контролируемого газового состава, необходимой для производства слитков из флокеночувствительных марок стали. В определенной мере эту проблему устраняет сочетание технических решений с применением пониженной частоты переменного тока и ряда компенсационных мероприятий, включающих экспрессный анализ содержания водорода в слитке и последующую корректировку режима противофлокенной термической обработки. Подобный опыт нашел отражение в практических решениях [6] и был использован при разработке технологии производства роторов из высокохромистых сталей [8].

Апробирование способов реализации сформулированных выше требований проведено на модельной печи ЭШП, оснащённой источниками питания переменного тока промышленной и пониженной частоты.

В ходе опытных плавок успешно испытаны основные приемы нового подхода к управлению технологическими параметрами ЭШП сплошных и полых слитков. Впервые в мире с использованием бифилярной схемы переплава на переменном токе пониженной частоты выплавлены полые слитки.

Достигнутые результаты послужили основой создания в 2009-2011г. не имеющего аналога в России современного комплекса спецэлектрометаллургии, основу которого составляет печь ЭШП 15/30У (рисунок. 10). На печи может быть реализована одновременная выплавка двух слитков с помощью двух расходуемых электродов в два кристаллизатора. Если возникает необходимость получить слиток максимальной массы, колонны могут быть объединены с помощью траверс. При этом плавка ведётся в один кристаллизатор.

При создании комплекса использованы защищённые патентами технические решения [18,20,22,24,25,28], учтена перспектива расширения номенклатуры с увеличением массогабаритных показателей сплошных слитков

до 120 т, диаметра - до 2000 мм, полых слитков - до длины 10000 мм, диаметра - до 1800 мм.

Рисунок 10 Печь ЭШП 15/30У ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ»

Разработка теоретических и практических аспектов управления физико-химическими и теплофизическими процессами стала основой создания новых систем оборудования, необходимого для повышения качества продукции ЭШП.

Такой, например, является система контроля положения границы раздела «шлак-металл», отличающаяся принципиально новым вариантом использования бесконтактного датчика уровня гамма-излучения Ыа22 [19], функционирующего

[а.

Рисунок 11 Фрагмент

регистрограммы плавки слитка 0550 мм, стали 9Х2МФ по монофилярной схеме с контролем положения границы раздела «шлак-металл»

по принципу улавливания отраженного

При использовании бифилярной схемы переплава контролируются и регулируются токи главного и дополнительных источников питания, напряжения фаз и межфазное напряжение, сопротивления шлаковой ванны, соответствующие обеим фазам (группам электродов). Управление этими параметрами предотвращает разбаланс токов и обеспечивает равномерное плавление электродов, исключая возможность образования в стенке полого слитка дефектов усадочного происхождения, исследованных в разделе 3.

Система контроля окисленности и температуры шлака, предназначенная для регистрации изменений содержания в шлаке ИеО, а в металле - кислорода и легкоокисляющихся элементов, создана на базе датчика окисленности шлака, разработка которого отражена в разделе 2.

Для оценки представительности измерений окисленности шлака проведены последовательные замеры при ЭШП слитков массой от 20 кг до 60 т. >

Их результаты показали: сходимость последовательных определений Ро2 в различных точках шлаковой ванны соответствует метрологическим характеристикам (воспроизводимости показаний) датчиков, установленным в разделе 2, что позволяет считать полученные данные представительными.

Оборудование для контроля окисленности, температуры и пробоотбора шлака поставлено в Республику Корея на завод фирмы «Нагуш^» и успешно использовано (раздел 5) при выплавке слитков массой 20 т, предназначенных для изготовления дисков турбин высокого давления из особо чистой высокохромистой стали КОТ\¥-ЯО.

В разделе 5 на основе управления физико-химическими и теплофизическими процессами при ЭШП разработан общий технологический подход, который использован при производстве широкой номенклатуры крупных слитков. Представлены примеры его реализации, технологические решения и достигнутые результаты.

Первый пример: в ходе плавок слитков массой 18-60 т из сталей 22К, 9Х2МФ, 10ГН2МФА, 10Х9МФБ, 07Х12НМБФ, ЦДМ, 10Х18АГ18 и др. в стационарных кристаллизаторах на печи ОКБ-1111 Ижорского завода (ныне -ООО «ОМЗ-Спецсталь»), проведенных с равномерным раскислением шлаковой ванны, осуществлялись измерения окисленности, температуры и отбор проб шлака. Ряд плавок проводился с использованием источника питания пониженной частоты. Результаты исследования взаимосвязи содержания железа в шлаке Сре с Ро2 приведены на рисунке 12.

Рисунок 12 Связь содержания железа в шлаке типа АНФ-6 с Ро2

1 =0,8?, « = 0,34

10

10"'

о?

10"* 10"

П0а?СТеН).56« « = 1,19

0.02 0,040,06 0,10 0,20 0,40 Ср.,%

2,

Валентность железа в шлаке уРе, (кривая 1 -плавки на печи ОКБ-1111; 2 -лабораторные плавки) находится в пределах от +1 до +1,5, соответствуя расчету по соотношению (3) и экспериментальным данным, приведенным на рисунках 2 и 3. Различие коэффициентов при степенной зависимости 1ёРо2 от 1ёСРе вполне объяснимо отличием температуры на границе металлической и шлаковой ванн от температуры шлака в лабораторных а увеличение дисперсии результатов, связано с

состава шлака разных плавок в промышленных

экспериментах раздела различиями "валового" условиях.

От боковой поверхности слитков на уровнях, соответствовавших моментам замеров Ро2, отбирали пробы металла, в которых анализировали содержание кислорода, алюминия и кремния. Характер зависимости содержания кислорода в металле [0]с от Ро2 (рисунок 13) соответствует установленной в разделе 2 связи (рисунок 4- кривые 1-3) и может быть описан уравнением (7) с учетом параметров: содержание кислорода в расходуемом электроде, соотношение его диаметра с диаметром слитка, состав стали. Рисунок 13 Зависимость содержания кислорода в слитках ЭШП массой 18-60 т от Ро2 (2) и данные лабораторных исследований (1)

1000

: 1(ю

Анализ приведенных на рисунке 13 зависимостей показывает, что при ЭШП исследованных сталей содержание кислорода

1.=0,81;в=0,00}8

0.6";<т=0,0010

11 -10

-4

в крупном слитке достигает уровня менее 20 ррт при обеспечении окисленности шлака в интервале значений Ро2 =10"75... 10"' Па. Низкий уровень содержания кислорода в крупных слитках обусловлен приближением к равновесию [О] с [А1] на границе металлической и шлаковой ванн при одновременном уменьшении температуры по сравнению с условиями ЭШП на модельной печи, что продемонстрировано в разделах 1-3. Понижение температуры связано со снижением плотности тока через поверхность металлической ванны при увеличении диаметра слитка.

Смещение кривой 2 относительно кривой 1 является следствием уменьшения константы равновесия упомянутой реакции на 2,5 порядка при понижении температуры от 1750°С до 1600°С. Экстремальный характер кривых 1 и 2, полученных экспериментальным путем, согласуется с характером равновесных кривых раскисления расплава на основе железа алюминием, приведенных Д.Эллиотом и И.С.Куликовым, а также с расчетными схемами А.Митчелла для различных температурных условий и частот переменного тока, используемого при переплаве. Влияние последнего фактора, согласно А.Митчеллу и А.Хариша, может сказываться некоторым повышением общего содержания кислорода в слитке из-за кинетических ограничений поляризационных процессов, имеющих место на границах фаз. Регулирование уровня окисленности шлака и в этом случае обеспечивают прогнозируемый результат.

Второй пример использования методов контроля окисленности шлака для управления физико-химическими процессами при ЭШП крупных слитков -апробирование дифференцированного раскисления шлаковой ванны, то есть

изменение расхода раскислителя на основании результатов измерения Ро2 Дифференцированный режим

раскисления позволил в течение плавки 60 т слитка стали 10Х9МФБ-Ш поддерживать Ро2 на постоянном уровне (рисунок 14а). В интервале 0,09-0,13% стабилизировалось содержание железа в шлаке.

Рисунок 14 Изменение Ро2 (а) и

содержания алюминия в металле (б) при ЭШП на печи ОКБ-1111 (разными точками обозначены результаты различных плавок)

1- раскисление по ТИ №262-84;

2-дифференцированное раскисление в ходе плавки стали 10Х9МФБ-Ш №11363

Анализ проб металла показал регламентированное содержание

0,3 0,2

С

1од

Мл с о а с.читка, т

—Чк,

»ч

25 50

Масса слитка, т

75

(<0,15%) и равномерное распределение алюминия (рисунок 146), а также кислорода и серы по мере наплавления слитка, что, в свою очередь, предопределило положительные результаты испытаний длительной прочности заготовок для парогенераторов установок, работающих на быстрых нейтронах.

Третий пример реализации нового технологического подхода связан с разработкой и внедрением на ООО «ОМЗ-Спецсталь» комплексной технологии, включающей электрошлаковый переплав слитков 18, 30 и 60 т из высокохромистых сталей 12Х1 ОМ 1В1 ФБРА-Ш и X12CrMoWVNbN 10-1-1 для роторов среднего и высокого давления турбин ССКП. Опыт первого и второго примеров, а также результаты исследований, приведенные в разделах 2-4, позволили рекомендовать шлаковую композицию, выполнить мероприятия, ограничивающие поступление водорода в металл, обосновать новый способ раскисления [27], откорректировать технологический режим переплава, в том числе скорость наплавления слитка, получив удовлетворительное качество его структуры и поверхности. Разработанная технология обеспечила в 60 т слитке ЭШП требуемые содержания химических элементов, в том числе: [Si]HH3=0,06%, [Si]Bepx=0,04%, [А1]низ=0,010%, [А1]верх=0,012%, [0]низ=0,0020%, [0]верх=0,0033%.

Четвертый пример отражает результаты исследований и опробования нового подхода к управлению физико-химическими процессами на основе контроля окисленности шлака при разработке технологии ЭШП стали KGTW-RO на заводе «Hanjung». Особое внимание было обращено на решение вопросов, связанных с необходимостью получения низких содержаний кремния, марганца, серы, а также с раскислением шлака, так как конечное содержание кислорода в металле не должно было превышать 40 ррт.

Учитывая ограничение содержания алюминия в стали и результаты исследования взаимодействия раскислителей со шлаком, представленные в разделе 2, при проведении плавок применили добавки титана с расходом, регулируемым в зависимости от содержания FeO и Сг2Оэ в шлаке и Ро2.

Результаты исследований, приведенные на рисунках 15 и 16, демонстрируют принципиальное соответствие данных, полученных на разных предприятиях и в лабораторных условиях. Это

обстоятельство можно считать одним из подтверждений ..

обоснованности нового принципиального 200

Рисунок 15 Зависимость содержания кислорода в слитке е 160

от окисленности шлака при ЭШП хромистых сталей g [О] = 16,361gPo22 + 203,91gPo2 + 677,5 г = 0,84 £ 120

• - данные плавок АО «НПО «ЦНИИТМАШ»; данные ООО «ОМЗ-Спецсталь»; 80 - результаты плавок 12-% хромистой стали KGTW-RO 40

(№ 5А20080 и 5А20081);

♦ - результаты плавок сталей STD 11 и STD 61 на заводе .7 -5 -4 «Hanjung» IgP<>2

технологического подхода и разработанных методов контроля процесса.

На рисунке 16 регрессионная зависимость, отражающая изменение содержания алюминия в слитке ЭШП при изменении Ро2, согласно исследованиям в АО «НПО «ЦНИИТМАШ» и на заводе «Hanjung», сопоставлена с изотермой равновесия при 2073К реакции 2[А1]+3/202<->(А1203), построенной по соотношению (18), с использованием термодинамических параметров Д.Эллиота: lg [Al] = -0,75 lgPo2 - ^+13,22+l,51gf0 (18)

Рисунок 16 Зависимость содержания алюминия в слитке ЭШП от lgPo2 в- данные плавок АО «НПО «ЦНИИТМАШ» • - результаты «Hanjung» сталь KGTW-RO;- изотерма равновесия (18) при 2073К

Расчетные величины находятся в пределах одного порядка (по Ро2) с экспериментальными результатами, заметная дисперсия которых может быть следствием затруднений анализа низких (менее 0,01%) содержаний алюминия в производственных условиях.

Приведенные выше результаты позволили рекомендовать ориентировочный интервал lgPo2 от -5,5 до -6,0, необходимый для получения заданного состава стали KGTW-RO при ЭШП. На этой основе решена задача создания комплексной технологии изготовления заготовок дисков газовой турбины диаметром 2130 мм, толщиной 500 мм из сверхчистой 12% хромистой стали, содержание кремния и марганца в которой ограничено величиной 0,05% каждого, алюминия - 0,01%, а серы и фосфора по 0,005%, что в период выполнения работы соответствовало требованиям ведущих мировых производителей.

Пятый и шестой примеры охватывали исследования выплавки 18 тонных слитков ЭШП из титан содержащих сталей на печи ОКБ-1111:

- 08Х18Н10Т для изготовления внутрикорпусных устройств реактора: решение этой задачи в условиях ООО «ОМЗ-Спецсталь» позволяет снизить расход металла и трудоемкость производства в результате применения литых электродов, а также исключения механической обработки слитков перед ковкой при замене вакуумно-дугового переплава на электрошлаковый;

- 08Х15Н25Т2МФР (ЭП 674) для дисков газовых турбин проекта ГТД110: необходимы заготовки, получаемые из слитков массой более 10 т.

Сопоставление результатов измерений и анализов, выполненных при ЭШП хромоникелевой стали с титаном и сталей других марок на печи ОКБ-1111 (рисунок 17), подчеркивает общий характер нового технологического подхода.

ю-* 1(г'

К>1.Ля

10'7 ю-'

I I f

1

0.Л

Рисунок 17 Взаимосвязь Po2 с содержанием оксида железа в шлаке типа АНФ-6

• , в,■-,- плавки низколегированных сталей; #,1 ,»- плавки стали 08Х18Н10Т 1=0,86 6=0,06

Для практического управления угаром титана при ЭШП стали типа 08Х18Н10Т результаты расчета по соотношению (11) отражены номограммой на рисунке 18. Задача оператора сводится к обеспечению необходимого уровня Ро2 и Т за счет управления раскислением и мощностью, выделяемой в шлаковой ванне.

Отмеченное в разделе 2 восстановление титана из шлака, связанное с чрезмерным снижением его окисленности и температуры, наблюдалось и в

ходе промышленных плавок. На поверхности

™........!....................;......Li.......i......./..Li...... слитка при этом образовывался гарнисаж,

имевший значительную адгезию к металлу, по-видимому, вследствие упомянутых выше электрохимических процессов. Рисунок 18 Номограмма для определения характеристики распределения титана

С учетом изложенного в технологию ЭШП 18 т слитков из стали 08Х18Н10Т внесены и реализованы следующие положения:

"" „„Г "* ' получение в заливаемом шлаке содержания

ТЮ2=5%;

- проведение переплава электродов с [А1]=0,1% при поддержании Ро2 в пределах 10 8— 10 8 5 Па за счет введения алюминия и титана в соотношении 1:1 при расходе от 4 кг/т каждого в начале до 2,5 кг/т к концу плавки;

- поддержание температуры шлака (при ее контроле в зазоре между электродом и кристаллизатором) в пределах 1640-1700°С.

Технология ЭШП слитков из титан содержащих сталей была освоена в промышленном масштабе фирмой Teledyne и впоследствии фирмой Kobe Steel, масса слитка из модифицированного сплава А286 с пониженным содержанием титана (1,3-1,4%) и кремния (0,10-0,15%) доведена до 40 т. Тем не менее, переплав ее российского аналога - стали ЭП-674 (содержание титана 1,9-2,4%, кремния - не более 0,7%) имеет ряд особенностей, связанных как с возможным угаром титана и алюминия, равномерным распределением их по слитку, так и с качеством макроструктуры, зависящим от состава шлака и режима переплава. Разработка способов управления процессом, обеспечивающих выполнение указанных требований, актуальна для отечественного энергетического машиностроения.

/

/

/

f

М.Окатига и его сотрудники обратили внимание на необходимость контроля парциального давления кислорода в рабочем пространстве печи над шлаком и температуры последнего. Предложенная ими гипотеза окисления титана предполагала реакцию с участием кислорода атмосферы, сопровождающуюся изменением валентности титана в поверхностном слое шлака от +3 до +4, последующее понижение этого параметра до +3 в объеме шлаковой ванны за счет взаимодействия с титаном и алюминием, растворенными в каплях. На границе шлаковой и металлической ванн следовало восстановление титана алюминием с последующим растворением в металлической ванне. Измерение температуры в шлаке позволяло контролировать направление протекания реакций, характеризующихся значительными тепловыми эффектами.

Рисунок 19 Зависимость угара титана от окисленности шлака при ЭШП стали А286 и ЭП 674 ■ Данные Окамура (40т) оДанные Окамура(Зт) •ДанныеЦНИИТМАШ(0,04т) «Данные ЦНИИТМАШ (18т)

На основании анализа

отечественного и зарубежного опыта,

« 20 исследовании, выполненных в ю * 6 ^ ^^

разделе 2, в качестве базового выбран

флюс состава CaF2-ocнoвa,8-150/oAl20з,8-15%MgO,7-10%Ti02. Раскисление шлаковой ванны алюминием в ходе плавок на модельной печи ЭШП обеспечило угар титана не более 9%, а легирование титаном в расчете на 1% массовой скорости плавления в сочетании с защитой шлаковой ванны аргоном привело к увеличению содержания титана в слитке почти на 1 % относительно его содержания в электроде. При достижении 1цРо2 < -8,2 угар титана не превышал 5%, а при 1§Ро2< -8,5 отсутствовал (рисунок 19). Переплав при температуре шлаковой ванны выше 1800°С приводил к повышению угара титана и кремния.

Результаты исследований согласуются с данными, полученными японскими специалистами при переплаве сплава А286 и подтверждают правильность приведенной выше термодинамической оценки процесса.

Полученные результаты позволили разработать рекомендации по технологии переплава стали типа ЭП674, которые были опробованы и уточнены в ходе плавок на печи ОКБ-1111. Для предотвращения угара титана, повышения равномерности распределения его по высоте слитка, необходимо вводить диоксид титана в шлак по расчету на 7-10%, обеспечивать окисленность шлаковой ванны не выше значения ^Ро2= -8,5 за счет раскисления ее алюминием с расходом 0,3% массовой скорости плавления и

в . •

О ® / *

ж 1 о со / У* 1ТНсл - 1ТШ 1Тфл л =-3,5^Ро2- *,5 1§Ро2°'75-72,5

поддержания температуры шлака в пределах 1700 - 1800°С за счет управления электрическими параметрами режима плавки.

Основные положения технологических рекомендаций сводились к увеличению скорости переплава на 20% по сравнению со скоростью переплава нержавеющих сталей, содержащих титан, а также дифференцированному раскислению шлаковой ванны алюминием и ферротитаном в зависимости от содержания этих элементов в электродах и фактической величины измеряемой окисленности шлаковой ванны (Ро2). Дифференцированный в зависимости от результатов измерений окисленности шлака (1§Ро2=-7,6...-9,9) расход алюминия 2,5-8 кг/т и ферротитана 4,3-8 кг/т обеспечил угар/прирост титана в пределах 10%, что согласуется с данными исследований, приведенными на рисунке 19.

Результаты использования общего технологического подхода к управлению физико-химическими и теплофизическими процессами в практической деятельности предприятий, эксплуатирующих печи ЭШП, позволяют значительно повысить качество продукции и сократить затраты на всех стадиях производства.

В разделе 6 на основе результатов расчетов и экспериментальных исследований, а также реализованных на практике технических решений разработаны способы управлению качеством и свойствами сплошных и полых слитков ЭШП, поковок и заготовок из перспективных сталей для атомного и энергетического машиностроения.

Использование современных возможностей технологии ЭШП обеспечивает управление физико-химическими и теплофизическими процессами при охлаждении металлического расплава в интервале температур ликвидус-солидус, рассмотренными в предыдущих разделах, определяет ключевые параметры качества и свойств слитков, поковок и заготовок, эксплуатационную надежность и конкурентные преимущества изделий ответственного назначения. К ним относятся: однородность химического состава; дисперсность литой дендритной структуры; морфология и распределение избыточных фаз, ответственных за прочность и пластичность при температурах эксплуатации и в критических условиях; склонность (сопротивление) к хрупким разрушениям; индивидуальные кинетические особенности поведения литого и деформированного металла при термической обработке [7].

Практическую значимость приложений разрабатываемого подхода раскрывает накопленная в АО «НПО «ЦНИИТМАШ» актуальная информация о качественных показателях труб и элементов трубопроводов тепловой и атомной энергетики, заготовками для которых являются полые слитки электрошлаковой выплавки (ЭШВ). Производство котельных труб методом ЭШВ в соответствии с ТУ 1301-039-00212179-2010 внедрено на ООО «Белэнергомаш» на введенной в эксплуатацию в 2010г. печи ЭШП-15Л. [9,54].

Сравнение свойства ЭШВ по

Временное сопротивление 800

Ударная вячкость

/

у

/

400 300 ГГ/ЛИГл^,!

Рисунок 20 механических металла труб

направлению вырезки §_

образцов (продольные - ось е ординат, тангенциальные -ось абсцисс).

Результаты исследования более 20 труб ЭШВ (диаметром до 920 мм, длиной до 6000 мм) показали высокую степень однородности химического состава (в пределах точности определения элементов), чистоты по неметаллическим включениям (0,5 - 1,5 балла по ГОСТ 1778), однородности и изотропности механических свойств, например, представленных на рисунке 20. Подобные результаты получены при исследовании образцов стали марок 20 и 15Х1М1Ф из опытных полых слитков-заготовок труб, выплавленных на печи ЭШП 15/ЗОУ ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ» [61]. Конструктивные и технологические решения, использованные при строительстве обеих печей, реализуют основные положения работы, изложенные в разделах 2-4.

Исследованием механических свойств трубной заготовки диаметром 550^50 мм из стали 15Х1М1Ф в литом состоянии при температурах 250-450°С установлено, что коэффициенты запаса прочности, рассчитанные по пределу текучести (1,7-3,5) и по временному сопротивлению (2,7-4,1) превышают в 1,5 и 2,4 раза, соответственно, требуемые нормами расчёта на прочность РД 10249-98 коэффициенты запаса прочности. Длительная прочность стали 15Х1М1Ф-Ш, при температурах 580°С и 610°С, выше среднемарочного уровня этого параметра для труб различных способов производства. Длительная пластичность (минимальное значение относительного удлинения 9%) превышает в 1,5 раза соответствующую характеристику труб ЭШВ, производившихся без использования приемов управления качеством, изложенных в настоящей работе.

Исследованием дисперсности дендритной структуры труб ЭШВ [3], результаты которого приведены на рисунке 21, впервые продемонстрирована возможность получения практически однородной по толщине стенки трубы размерной характеристики литой структуры X - среднего расстояния между

осями дендритов первого порядка. За счет применения переменного тока пониженной частоты взамен 50Гц дендритная неоднородность труб в направлении поверхность-центр уменьшается до 4 раз.

Рисунок 21 Средние расстояния между осями дендритов в металле 20 40 60 зо то труб электрошлаковой выплавки Относительная толщина (сталь 15Х1М1Ф-Ш: а)-2Гц; б)-50Гц

стенкн трубы,%

1200

Установленный факт позволяет трактовать представленные выше данные по изотропности, физической и химической однородности литого металла ЭШП как следствие специального воздействия (низкая частота тока) на процесс кристаллизации, природа которого рассмотрена в разделах 1 и 3.

Результаты использования разработанных методов управления качеством слитка положительно повлияли на технологические характеристики деформационной обработки стали для корпусов изделий второго контура АЭУ. Такое влияние исследовано на примере макетов трубы из стали 10ГН2МФА-Ш для главного циркуляционного трубопровода (ГЦТ), выплавленных на модельной печи ЭШП АО «НПО «ЦНИИТМАШ». Установлено [53, 56], что механические свойства металла ЭШП в литом состоянии при нормальной и повышенной температурах после штатной термообработки превышают соответствующие характеристики металла кованых из полых слитков заготовок ГЦТ, полученных с использованием дуговой сталеплавильной печи (ДСП).

Линейная экстраполяция температурной зависимости величины ударной вязкости стали (рисунок 22) показала снижение (по сравнению с требованиями технических условий) переходной температуры хрупкости Тк0 до -35°С (литой

Рисунок 22 Ударная вязкость и температура вязко-хрупкого перехода (Тк„) стали 10ГН2МФА различных способов выплавки

Балл ферритного зерна литого металла 7-10 по шкалам ГОСТ 563982 превышает требование технических условий, установленное для деформированного металла.

Результаты исследования макетов труб ГЦТ из стали марки 10ГН2МФА-Ш, выплавленных с применением переменного тока пониженной частоты при дифференцированном режиме раскисления, корректированном на основе контроля окисленности шлака, показали, что металл характеризуется высокой чистотой по неметаллическим включениям, при этом возрастает доля мелких (менее 1мкм) - более 60% от общего содержания включений, причем размер включений до 2мкм составляет около 90%, а максимальный размер включений не превышает 5 мкм (рисунок 23). Такое распределение неметаллических включений по размерам выгодно отличает металл ЭШП, выплавленный с использованием тока пониженной частоты, от металла, выплавленного на токе промышленной частоты.

Этот эффект определяется влиянием частоты тока на параметры кристаллизующейся ячейки и среднее расстояние между осями дендритов, установленным в разделе 3. Среднее расстояние между осями первичных дендритов и вариация этого параметра по сечению заготовки уменьшается (в

металл ЭШП) и до -40°С (при укове 4). |зоо

и и» £ ню

.г •

/ >

I о.

-30 -£0 -10 -20

Температура

Й- Лигой металл ЭШП О Кованый металл ЭШП, 2 уков

Ж Полые слиткп, металл ДСП О Кованый металл ЭШП, 4 уков

рассматриваемом примере X не превышает 600 мкм при среднем значении около 400 мкм). Ограничиваются возможности роста осей высших порядков, что приводит к уменьшению объема кристаллизующейся ячейки и размера образующихся включений.

Результаты фракционного газового анализа неметаллических включений демонстрируют преобладание алюминатов при исключительно низком содержании силикатов и шпинелей (менее 0,002%), что коррелирует с низким содержанием кислорода в металле и позволяет объяснить малую деформируемость включений, отмеченную при металлографических исследованиях образцов металла с различной степенью укова.

Проведенные исследования показали, что изменения в характере структуры металла и распределения включений отчетливо реализуются в свойствах. Заметно повышаются характеристики, определяющие сопротивление металла хрупкому разрушению (пластичность, ударная вязкость), улучшаются технологические характеристики горячей обработки и уменьшается ее объем, требующийся для достижения заданной структуры, как следствие - снижение необходимой степени укова с 6-6,5 до 1,3-2. Указанные преимущества нового подхода позволяют уменьшить массу необходимой заготовки, а в перспективе повысить энергетические характеристики оборудования.

Результаты исследования свойств, структуры, чистоты металла по неметаллическим включениям, технологических проб свидетельствуют о целесообразности применения полых заготовок электрошлаковой выплавки в литом состоянии либо с оптимизированной степенью укова для изделий атомного энергетического машиностроения (АЭМ). Эти результаты легли в основу разработки [53,57] принципиальной технологической схемы производства заготовок ГЦТ из полых слитков ЭШП с пониженной степенью деформации.

^ «

-ЭШП на нткой частоте

-ЭШП на промышленной частоте

Рисунок 23 Влияние частоты тока на размер неметаллических включений в металле ЭШП

- бе? ЭШП

О 4 в 12

Конечный Полы» слиток Полый слиток Полый шло*. (таек ДСП ЭШП, уков I,? ЭШП пион

Рисунок 24 Принципиальные технологические схемы производства заготовки трубы ГЦТ 0990*65*8100 мм массой 12т из стали 10ГН2МФА и 10ГН2МФА-Ш

151*1 ^ 50,5 т |

г—

9шт

• м.От

Оценка технико-экономических предпосылок использования ЭШП как способа снижения себестоимости

Выход годного по »пшоптшш схемам, ' • 25.: 23." 58.5 65.0

1, • 6)Ю

заготовок ГЦТ и корпусных изделий из стали марки 10ГН2МФА-Ш демонстрирует снижение основных материальных, энергетических затрат, длительности операций термодеформационного передела и механической обработки по сравнению со сплошным или полым кузнечным слитком ДСП.

Совокупность результатов исследований можно считать достаточным основанием для постановки специальных работ, направленных на внедрение заготовок из полых слитков ЭШП нового уровня качества для изделий второго контура АЭУ. Примеры номенклатуры таких изделий приведены в таблице 1.

Таблица 1 Оценка коэффициента использования металла при производстве заготовок оборудования АЭУ из полых слитков ЭШП и ДСП

Номенклатура Марка стали Масса, тонн КИМ

деталь поковкаДСП заготовкаЭШП поковка ДСП заготовкаЭШП

Арматура Ду300-600 08Х18Н10Т 0,6-3,0 1,5-7,5 0.9-4,6 0,40 0,65

20 0,3-3,0 0,75-7,5 0,5-4,6 0,40 0,65

ГЦН (патрубки, л иски, молено) 06X12 НЗД 2,0-14,0 6,0-25,0 3,2-20,0 0.30 0,60

Трубы ГЦТ 10ГН2МФА 6,0-12,2 15,0-36,0 9,5-19,0 030 0,63

Обечайка парогенератора ПГВ 10ГН2МФА 43,2-43,3 87,0-92,5 60,0-72,0 0.48 0,59

Корпу с коллектора ПГВ 10ГН2МФА 19,5-19,9 36,5-37,5 33,4-33,9 0,30 0,58

30,3-30,7 0.64

Значительные преимущества заготовок из полых слитков ЭШП в литом или малодеформированном состоянии предполагают: сокращение металлоемкости заготовок АУЭ на 5%; значительное уменьшение времени изготовления оборудования; обеспечение дополнительных запасов его надежности за счет существенного повышения стойкости металла против хрупкого разрушения и снижения температуры вязко-хрупкого перехода.

Выводы

1. Контроль и управление физико-химическими, в том числе окислительно-восстановительными, и теплофизическими процессами при электрошлаковом переплаве обеспечивают, при использовании разработанных методов измерения окисленности шлака и выбора частоты переменного тока, возможность эффективного влияния на качество слитков для изделий ответственного назначения.

Установлено, что изменение качества и свойств металлоизделий, полученных в литом и деформированном состоянии с использованием ЭШП, обусловлено одновременным протеканием взаимосвязанных теплофизических и физико-химических процессов, влияющих на особенности первичной кристаллической структуры, определяющих степень рафинирования металла, развитие ликвационных явлений, морфологию и распределение избыточных, в первую очередь оксидных фаз.

2. На основе теоретических и экспериментальных исследований окислительно-восстановительных процессов и кинетики поведения в них кислорода:

2.1. Разработана математическая модель поведения кислорода при ЭШП, учитывающая термодинамические и кинетические факторы процесса -химический состав стали, окисленность шлака, площадь сплавляемого торца электрода и металлической ванны, скорость наплавления слитка.

2.2. Оценены эффективный коэффициент массопереноса кислорода

(К=3х10 5м/с) и диффузионный критерий Стентона (81=0,2), позволяющие впервые с применением указанной модели прогнозировать содержание кислорода в металлической ванне при ЭШП.

2.3. Выявлено, что контроль окисленности шлака, которая характеризуется величиной равновесного парциального давления кислорода Ро2, позволяет объективно и эффективно контролировать и управлять окисленностью металла.

3. С позиций теории электронного строения шлака описано и на основе обобщения экспериментальных данных подтверждено изменение валентности железа от +3 до +1 при понижении парциального давления кислорода Ро2 от 105 до Ю"10 Па в оксидных и фторидно-оксидных шлаковых системах, что вызывает значительное изменение технологических и сорбционных характеристик шлака.

Впервые описанная зависимость определяет допустимое (не приводящее к переходу кислорода в металлическую ванну) содержание железа в исходном шлаке при ЭШП, позволяет обосновать подход к выбору шлаковых композиций с учетом их окислительно-восстановительных характеристик:

3.1. Установлено, что введение элементов-раскислителей в расплав, состоящий исключительно из термодинамически прочных оксидов приводит к скачкообразному (на 5-9 порядков) понижению Ро2, ввиду создания дефицита кислорода. Поскольку область гомогенности такого расплава мала, введение раскислителя «сразу исчерпывает» возможное отклонение от стехиометрического состава, и выделяется металлическая фаза, а Ро2 стабилизируется. Присутствие в промышленных шлаках оксидов железа, хрома, марганца, обладающих широким интервалом гомогенности при отклонениях от стехиометрического состава приводит к постепенному снижению Ро2 по мере увеличения расхода раскислителей, что объясняется постепенным изменением валентности железа и других компонентов с последующим восстановления их в металлическую фазу.

3.2. Полученные результаты позволили обосновать необходимость и целесообразность контроля окисленности шлака при переплаве как объективной основы управления технологией раскисления и микролегирования, выбора типа раскислителя и интенсивности его введения.

3.3. Впервые установлены зависимости содержания кислорода и легкоокисляющихся элементов в металлической ванне от окисленности шлака, характерные для различных условий ЭШП. На этой основе реализованы

принципиальные преимущества разработанных технологий, обеспечивающих получение заданного содержания алюминия, кремния, титана в слитке.

3.4. Реализованы регламенты дифференцированного раскисления шлака с учетом скорости плавления, контролем и обеспечением оптимального уровня Ро2 при выплавке слитков из сталей углеродистых (10"5-10 Па), высокохромистых (10"5'5-10"бПа) и легированных титаном (10"8-10"8'5Па).

3.5. Разработана методика, спроектирована и изготовлена аппаратура для экспрессного контроля Ро2, позволившая исследовать непосредственно в промышленных условиях ЭШП поведение элементов с высоким термодинамическим сродством к кислороду, таких как алюминий, кремний, титан, редкоземельные металлы. Получены патенты Российской Федерации.

4. Показано и подтверждено, что уменьшение частоты электрического тока, используемого для плавления электродов при ЭШП, позволяет эффективно управлять теплофизическими параметрами процесса (скоростью плавления и коэффициентом формы ванны, геометрическими параметрами двухфазной области).

4.1. Экспериментально подтверждено, что использование переменного тока пониженной частоты взамен промышленной приводит:

- к уменьшению глубины жидкой металлической ванны;

- к значительному увеличению кажущегося градиента температуры в двухфазной области;

- к локальному увеличению коэффициента распределения (снижению ликвации).

4.2. В результате таких изменений:

- уменьшается расстояние между осями дендритов первого и высших порядков и в результате уменьшается время локального затвердевания;

- уменьшается степень дендритной и прямо связанной с ней зональной ликвации;

- уменьшается размер неметаллических включений, формируемых в двухфазной области.

4.3. Экспериментально подтверждено на слитках ЭШП (сплошных диаметром от 110 до 550 мм и полых диаметром от 275 до 920 мм с толщиной стенки от 50 до 110 мм) массой от 20 кг до 12 т из сталей 20, 15Х1М1Ф, 10ГН2МФА, 10Х9МФБ:

- увеличение дисперсности литой структуры (уменьшение расстояний между осями дендритов в 2-4 раза);

- уменьшение среднего размера неметаллических включений до 1 мкм и менее.

5. На основе результатов проведенных исследований и анализа основных тенденций развития ЭШП разработаны и реализованы технические требования, конструктивные решения, технические и рабочие проекты новых комплексов оборудования:

5.1. Модельная установка ЭШП в АО «НПО «ЦНИИТМАШ» и комплекс ЭШП 15/30 на ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ», введенные в эксплуатацию 2011г.,

отличающиеся модульной конструкцией, разнообразием технологических схем переплава, использованием современных источников питания током пониженной частоты, новых принципов управления, основанных на учете значительного массива электрических, тепловых, весовых, физико-химических и кинематических параметров, что обеспечивает новый уровень качества получаемых заготовок и снижение энергозатрат на 20-25%. 5.2. Комплекс оборудования контроля окисленности, температуры и пробоотбора шлака на ООО «ОМЗ-Спецсталь» и заводе фирмы «Hanjung» в Республике Корея, реализованный по контракту, который обеспечил осуществление технологического процесса ЭШП для достижения заданного содержания алюминия (не более 0,01%), кислорода (не более 0,0035%) и снижения вдвое различий содержания кремния по высоте 20т слитка высокохромистой стали.

6. Выполнены системные исследования свойств и качества слитков, поковок и заготовок ЭШП из перспективных сталей для энергетического, в том числе атомного машиностроения, что позволило предложить ряд технологических направлений и расширить возможности существующих, одновременно обеспечив:

- повышение физической и химической однородности крупных заготовок до 3 раз;

- снижение анизотропии свойств по высоте и сечению заготовок из стали марок 20, 15ГС, 16ГС, 15Х1М1Ф с 2,5-3 до 1- 1,2;

- повышение прочности используемых материалов на примерах стали марок 10ГН2МФА и 15Х1М1Ф при сохранении/повышении уровня пластических свойств и сопротивления хрупкому разрушению, что позволяет уменьшить массу или повысить эксплуатационные характеристики оборудования;

- улучшение длительных характеристик при повышенных до 600°С температурах;

- понижение температуры вязко-хрупкого перехода стали 10ГН2МФА с +10°С до -40°С;

- улучшение технологических характеристик горячей обработки и уменьшение ее объема, требующегося для достижения заданной металлургической структуры, как следствие - снижение необходимой степени деформации с 6-6,5 до 1,3-2.раз.

7. Результаты исследований и разработанные технологические предложения позволили:

7.1. Осуществить комплексные технологии электрошлакового переплава:

- при производстве слитков массой 18, 30, 60т для роторов турбин ССКП высокого и среднего давления из сталей 12Х10М1В1ФБРА-Ш и Х12СгМо\\^У№>-10-1-1 по заказу КНР и корпусов парогенераторов установки, работающей на быстрых нейтронах, из стали 10Х9МФБ-Ш на ООО «ОМЗ-Спецсталь»;

- при производстве слитков массой 20т для дисков турбин высокого давления из сверхчистой высокохромистой стали KGTW-RO на предприятии фирмы «Hanjung» в Республике Корея;

- при электрошлаковом переплаве 18т слитков хромо-никелевых сталей с титаном типа 08Х18Н10Т для внутрикорпусных устройств АЭУ и ЭП 674 для дисков газовых турбин на ООО «ОМЗ-Спецсталь»;

- при производстве бесшовных труб электрошлаковой выплавки из углеродистых и легированных сталей 20, 15ГС, 16ГС, 15X1М1Ф для трубопроводов острого пара ТЭС и АЭС на ООО «Белэнергомаш»;

- при производстве слитков для валков холодной прокатки из стали 9Х2МФ на ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ».

7.2. Разработать технические условия и технологические инструкции на выплавку слитков и полых заготовок из перспективных теплоустойчивых, жаропрочных и конструкционных сталей. Внедрение технологий подтверждено документально.

7.3. Предложить принципиально новую технологическую схему изготовления полых заготовок для атомного и энергетического машиностроения, обеспечивающую уменьшение в 2,5 раза объема операций при ковке, повышение коэффициента использования металла в 1,2-2 раза при одновременном повышении надежности ответственных изделий, позволяющую по-новому оценить роль ЭШП как способа снижения себестоимости заготовок. Представить одобренную научно-техническим советом ГК Росатом «Технологическую дорожную карту применения ЭШП в атомном энергетическом машиностроении».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: Публикации в ведущих резензируемых изданиях, рекомендованных ВАК

1. Дуб A.B., Дуб B.C., Кригер Ю.Н., Левков Л.Я., Шурыгин Д.А. и др. Многоцелевая печь ЭШП для современного энергетического и тяжелого машиностроения // Электрометаллургия.2011.№9. С.2-9.

2. Скоробогатых В.Н., Левков Л.Я., Щенкова И.А. и др. Технология и комплекс свойств заготовок электрошлаковой выплавки для оборудования ТЭС и АЭС//Тяжелое машиностроение. 2014. №11-12, С.32-38.

3. Левков Л.Я., Шурыгин Д.А., Орлов C.B. и др. Исследование влияния скорости плавления на качество полых стальных заготовок электрошлаковой выплавки //Металлург.2014. №8. С.72-77.

4. Левков Л.Я., Сидоренко Д.М., Новиков В.А. и др. Определение серопоглотительной способности шлаков на основе контроля их окисленности //Черная металлургия.1989.№11.С.39-43.

5. ДедневА.А., Киссельман М.А., Нехамин С.М., Левков Л.Я. и др. Система автоматизированного управления для контроля и регулирования уровня расплава в кристалллизаторе печи ЭШП// Электрометаллургия.2013.№6. С.42-48.

6. Васильев Я.M., Левков Л.Я., Алииатов В.И. Спецэлектрометаллургия в энергетическом и тяжелом машиностроении //Электрометаллургия. 1999г. №5. С. 31-39.

7. ДубА.В., Дуб B.C., Кригер Ю.Н., Левков Л.Я. и др. Электрошлаковый переплав-способ кардинального повышения качества и свойств ответственных изделий в современном машиностроении. Технические требования и новые решения//Тяжелое машиностроение.2012.№6.С. 2-6.

8. Дуб B.C., Дуб A.B., Дурынин В.А., Колпишон Э.Ю., Куликов А.П., Левков Л.Я. и др. Основные положения технологии производства заготовок из высокохромистых жаропрочных сталей для энергоустановок суперсверхкритических параметров // Тяжелое машиностроение.2012г. №7. С.28-34

9. Дуб B.C., Левков Л.Я.. Шурыгин Д.А., Лесунов A.C. и др. Опыт производства полых трубных заготовок методом электрошлаковой выплавки// Электрометаллургия №1 2015.С. 10-19

10. Ноздрина А.И., Фролов А.Г., Левков Л.Я. и др. Выбор состава флюса и режима раскисления для электрошлаковой плавки стали 10ГН2МФА// Электрометаллургия. 2013. № 10. С. 10-13

Авторские свидетельства, патенты

11. Авторское свидетельство 1124219 (СССР) Устройство для измерения парциального давления кислорода в высокотемпературных средах /ЛевковЛ.Я. , ВишкаревА.Ф.,.Дуб B.C. и др. - Зарег.15.07.1984г.

12. Авторское свидетельство 1308004 (СССР).Устройство для измерения парциального давления кислорода/ Л.Я.Левков, А.Ф.Вишкарев, В.С.Дуб и др. Зарег. 01.01.1987г.

13. Авторское свидетельство 1422843 (СССР). Измерительный зонд./ Левков Л.Я., Табанаков А.Г., Васильев Я.М. и др. Зарег. 08.05.1988г.

14. Авторское свидетельство 1441800 (СССР). Способ электрошлаковой отливки слитков../Падалко В.Г., Цвященко H.A., Васильев Я.М. Левков Л.Я. и др. Зарег. 01.08.1988г.

15. Авторское свидетельство 148090 (СССР). Устройство для экспрессного контроля параметров металлургических расплавов. /Левков Л.Я., Иванов A.A., Покидышев В.В., Синельников В.А. и др. Зарег. 01.02.1989г.

16. Авторское свидетельство 1445218 (СССР). Способ электрошлакового переплава. /Левков Л.Я., Васильев Я.М., Дуб B.C. и др. Зарег. 15.08.1988г.

17. Авторское свидетельство 1582672 (СССР). Способ рафинирования стали при электрошлаковом переплаве. /Левков Л.Я., Васильев Я.М., Свитенко И.А. и др. Зарег. 01.04.1990г.

18. Патент №2448173, РФ. Способ электрошлакового переплава и устройство для его осуществления. /Левков Л.Я., Каманцев C.B., Кригер Ю.Н. и др. Опубл.20.04.2012г.

19. Патент №2456118, РФ. Способ контроля уровня жидкой металлической или шлаковой ванны в кристаллизаторе и устройство для его осуществления. /Левков Л.Я., Каманцев C.B., Кригер Ю.Н. и др. Опубл. 20.07.2012г.

20. Патент №2442030, РФ. Способ изготовления длинномерного сборного винта. /Левков Л.Я., Нехамин С.М., Овумян Г.Г., Клауч Д.Н. и др Опуб. 10.02.12г.

21. Патент№2424325, РФ. Способ электрошлаковой выплавки полого слитка. /Дуб A.B., Дуб B.C., Нехамин С.М., Левков Л.Я. и др. 0публ.20.07.2011г.

22. Патент №2424336 РФ Электрошлаковая печь. /Дуб A.B., Дуб B.C., Полушин A.A., Каманцев C.B., Левков Л.Я. и др. 0публ.20.07.2011г.

23. Патент №2424335, РФ. Способ электрошлакового переплава. /Дуб A.B., Дуб B.C., Швейкерт М.И., Нехамин С.М., Левков Л.Я. и др. 0публ.20.07.2011г.

24. Патент №2445383, РФ. Установка для электрошлаковой выплавки полых слитков./ Дуб A.B., Дуб B.C., Полушин A.A., Каманцев C.B., Левков Л.Я. и др. опубл.20.03.2012г.

25. Патент №2456355, РФ. Установка для электрошлаковой выплавки крупных полых и сплошных слитков. /Красовский A.B., Дуб A.B., Дуб B.C., Левков Л.Я., и др. 0публ.20.07.2012г.

26. Патент №2412770, РФ. Способ изготовления трубной заготовки с однородной структурой. /Ефимов В.М., Лебедев А.Г., Левков Л.Я. и др. 0пуб.27.02.2011г.

27. Патент № 2541333, РФ. Способ раскисления стали при электрошлаковом переплаве. /Данилов А.И., Лебедев А.Г., Левков Л.Я. и др. Опубл. 10.02.2015г.

28. Патент №2497649, РФ. Установка для электрошлаковой выплавки крупных полых и сплошных слитков. /Красовский А.В.,Дуб A.B., Дуб B.C., Левков Л.Я. и др. Опубл.20.04.2013г.

29. Патент№2456121, РФ. Способ производства литого расходуемого электрода. /Дуб B.C., Семенов В.В., Назаратин В.В., Левков Л.Я. и др. Опубл. 20.03.2012г.

30. Патент №2487182, РФ. Способ электрошлакового переплава. /Дуб B.C., Каманцев C.B., Бессонов A.B., Левков Л.Я. и др. Опубл. 05.08.2013г.

31. Патент №2506142, РФ. Способ электрошлаковой выплавки заготовки корпуса с патрубком. /Дуб A.B., Дуб B.C., Левков Л.Я. и др. Опубл. 10.10.2013г.

32. Патент №2497959, РФ. Способ электрошлакового переплава и установка для его осуществления. /Дуб B.C., Левков Л.Я., Свитенко И.А., Кригер Ю.Н. Опубл. 20.06.2013г.

33. Патент №2012140777, РФ. Способ электрошлакового переплава. /Левков Л.Я., Кригер Ю.Н., Орлов C.B. и др. Опубл. 27.03.2014г.

34. Патент №1804122,РФ. Способ изготовления заготовки типа корпус с патрубком. /Матевосов Л.М., Свитенко H.A., Левков Л.Я. Опубл. 10.02.1997г.

35. Патент №2412770, РФ. Способ изготовления трубной заготовки с однородной структурой. /Ефимов В.М., Лебедев А.Г., Левков Л.Я. и др.Опубл. 17.09.2009г.

36. Патент №2431794, РФ. Печь для термической обработки крупногабаритных изделий./Дуб B.C., Скоробогатых В.Н., Усачев А.Б., Левков Л.Я. и др. Опубл. 16.03.2010г.

37. Патент №2371491, РФ. Способ электрошлакового переплава. /Дуб B.C., Левков Л.Я., Ригина Л.Г. и др. Опубл. 26.11.2007г.

38. Патент №2483125, РФ. Способ перемешивания шлаковой ванны при электрошлаковом переплаве расходуемого электрода. /Левков Л.Я.,Кригер Ю. Н., Орлов С.В. и др. Опубл. 27.05.2013г.

39. Патент № 2373297, РФ. Способ производства заготовок из аустенитных, стабилизированных титаном сталей./ Дуб B.C., Левков Л.Я., Лебедев А.Г., Волков В.Г. и др. Опубл. 20.11.2009г.

40. Патент №146501, РФ. Стан для профилирования круглой трубы в шестигранную трубу. /Левков Л.Я., Кобелев О.А., Дуб А.В., Пакерманов Е.М. и др. Опубл. 10.09.2014г.

Другие публикации в других журналах, сборниках научных трудов, в материалах конференций

41. Шурыгин Д.А., Левков Л.Я., Дуб B.C. и др. Управление технологическими процессами при электрошлаковом переплаве //Metal Russia/ Металл.2013. №7. С. 20-23.

42. Левков Л.Я., Вишкарев А.Ф., Васильев Я.М. Исследование окислительно-восстановительного потенциала шлака электрошлакового переплава. /Теория и практика внепечной обработки стали. Тез.докл. Всесоюз. конф. М., 1985. С.59-51.

43. Васильев Я.М., Вишкарев А.Ф., Левков Л.Я. Экспериментальное определение равновесной активности кислорода в металлической ванне при ЭШП /Теория и практика внепечной обработки стали. Тез.докл. Всесоюз. конф. М„ 1985. С.61-62.

44. Левков Л.Я. Применение метода э.д.с. для исследования окисленности шлака при электрошлаковом переплаве./Металловедение, металлургические и литейные процессы в энергетическом машиностроении / Труды ЦНИИТМАШ, М.. 1984. № 181. С.181-192.

45. T.V. Dubovik, A.I. Itsenko, L.P. Donskaya, N.S. Zyatkevich, and L.Ya. Levkov . Use of boron carbonitride in devices for rapid analysis of slag oxidation //Powder Metallurgy and Metal Ceramics, Vol. 33, № 1-2, 1994.p.l00-102

46. Левков Л.Я. Электрохимические измерения окислительно-восстановительного потенциала шлака при электрошлаковом переплаве./Конференция молодых научных сотрудников НПО ЦНИИТМАШ, М„ 20-23.11.1984 С.31-33.

47. Левков Л.Я. Oxidation-reduction modeling of electroslag remelting./Intemational Conference on Mathematical Modeling and Simulation of Metal Technologies- MMT. Israel. 2000. p. 35-37.

48. Биктагиров Ф.К., Латаш Ю.В., ЛевковЛ.Я. и др. Методика экспериментального определения сульфидной емкости оксидно-фторидных шлаков // Проблемы специальной электрометаллургии. 1989.№3. С.6-11.

49. Левков Л.Я., Васильев Я.М., Вишкарев А.Ф., Дуб B.C. Поведение кислорода, алюминия и кремния при электрошлаковом переплаве стали //Проблемы специальной электрометаллургии. 1986, № З.С.9-15.

50. Левков Л.Я., Васильев Я.М., Быстрое В.А. и др. Устройство контроля окисленности и температуры шлака М., 1986 - Препринт/НПО ЦНИИТМАШ: Л-6324Г.-1с.

51. Дуб А.В, Дуб B.C., Кригер Ю.Н., Левков Л.Я. и др. Современный металлургический комплекс ЭШП 15/30 на ОАО «МК ОРМЕТО - ЮУМЗ»./ 2-я Междунар. Научн.Конф. «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов», Орск, 2011г., тезисы докладов, С. 3-9.

52. Дуб A.B., Левков Л.Я., Шурыгин Д.А., Кригер Ю.Н. и др. Перспективы производства оборудования для АЭС с использованием ЭШП.//Вопросы Атомной Науки и Техники - материалы и технология изготовления оборудования РУ. — Вып. № 34. - 2013. С. 11-18.

53. V.S. Dub., L.Ya. Levkov, D.A. Shurygin. Experience of Production of Hollow Tubular Ingots by Electroslag Melting // Russian Metallurgy (Metally). Vol.2015.№6. p.478-486.

54. Деднев A.A., Нехамин C.M., Левков Л.Я. и др. Оборудование для специальной электрометаллургии // Современные проблемы электрометаллургии стали. XV международная науч. Конференция. Челябинск, ЮУрГУ ,2012г., С.8-12.

55. Дуб B.C., Левков Л.Я. , Шурыгин Д.А. и др. Электрошлаковый переплав-способ повышения качества, потребительских свойств и конкурентноспособности оборудования в современном машиностроении/11-я научно-техн. конференция Новые перспективные материалы, оборудование и технологии для их получения/Сборник трудов .Москва.2013г.С.306-314.

56. Дуб A.B., Левков Л.Я., Шурыгин Д.А. и др. Создание и промышленное освоение инновационной ресурсосберегающей технологии спецметаллургии для производства паропроводов острого пара и роторов турбогенераторов атомной и тепловой энергетики, высокостойких прокатных валков / Научно-практическая конференция с международным участием и элементами школы для молодых ученых. Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР/ Сборник трудов Екатеринбург. 2013.С 71-75.

57. Левков Л.Я., Шурыгин Д.А., Дуб B.C. и др. Разработка способов контроля и управления окислительно-восстановительными процессами и кристаллизацией слитков ЭШП /Современные проблемы электрометаллургии стали. XV международная науч. Конференция. Челябинск, ЮУрГУ. 2013г., С.91-96.

58. Дуб A.B., Лебедев А.Г., Левков Л.Я. и др. Технологические факторы в процессе производства материалов и их влияние на качество/3-я междунар.научно-техн.конференция Развитие атомной энергетики на основе замкнутого топливного цикла с реакторами на быстрых нейтронах: Инновационные технологии и материалы. Москва. «Энергоатом».2009г.,С.17.

59. Левков Л.Я.. Шурыгин Д.А., Дуб B.C. Новый подход к управлению технологическими параметрами при ЭШП/Междун.научн.-практич. Конференция проблемы разливки и кристаллизации стали, сварки, термообработки и математическое моделирование технологических процессов. Москва, ЦНИИТМАШ, 2012г./Сборник тезисов. С. 27-28.

60. Левков Л.Я., Шурыгин Д.А., Дуб B.C. и др. Электрошлаковый переплав. Новые технические решения- новое качество металла./6-я международная конференция Металлургия-Интехэко-2013.Москва./Сборник докладов. С.39-42.

61. Левков Л.Я., Шурыгин Д.А., Дуб B.C. Особенности физико-химических процессов и новый подход к управлению технологическими параметрами при ЭШП. /Междун. Науч. конференция Физико-химические основы металлургических процессов посвящ.110-летию со дня рожд.акад. A.M. Самарина. Москва. ИМЕТ 2012г./ Сборник трудов. С.20.

62. Иноземцева E.H., Пономаренко А.Г., Левков Л.Я., Мелентьев В.Л. Равновесие с участием элементов переменной валентности. 4.2/ Донецкий политехи, ин-т- Донецк, 1986.-Деп. в ин-те Черметинформация 10.02.87. № 3809.-Юс.

Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 125 экз. Заказ 35.

Отпечатано с готового оригинал-макета 115088, Москва, ул Шарикоподшипниковская, 4