Особенности плавления и кристаллизации металла при ЭШП на постоянном токе с вращением расходуемого электрода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Пятыгин, Дмитрий Александрович

• Пятыгин, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пятыгин, Дмитрий Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Электрошлаковые установки, работающие на постоянном токе

1.2. Влияние рода тока на технологические параметры ЭШП

1.2.1. Электрохимия процесса

1.2.2. Распределение тока и КПД установки

1.2.3. Параметры металлической ванны

1.2.4. Рафинирование металла

1.2.5. Массо-и теплоперенос

1.3. Управление структурой электрошлакового слитка за счет внешнего воздействия на шлаковую и металлическую ванну

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности плавления и кристаллизации металла при ЭШП на постоянном токе с вращением расходуемого электрода»

Наиболее перспективными способами повышения качества металла и улучшение их физико-механических свойств являются переплавные процессы, в частности электрошлаковый переплав (ЭШП). Высокая температура металла, развитая поверхность взаимодействия, применение шлаков различных композиций обеспечивают получение качественного металла и способствуют более равномерному распределению физико-механических свойств в продольном и поперечном направлении. Электрошлаковому переплаву подвергаются почти все основные классы сталей, в том числе и ответственного назначения. В производстве крупных и сверхкрупных слитков с ЭШП не может конкурировать ни один металлургический передел.

Электрошлаковый переплав предполагает активное управление процессом в направлении повышения степени рафинирования исходного металла, получение металла с минимальной концентрацией неметаллических включений определенной морфологии и дисперсности, повышение служебных свойств металла и, как следствие, повышение надежности металлопродукции. Решение этой задачи, в условиях рыночной экономики, необходимо совмещать с решением другой важной задачи - снижением себестоимости самого электрошлакового металла.

Энергетически затраты электрошлакового процесса находятся в пределах 1200-2000 кВт-ч/т, тогда как теоретическая затраты составляют около 400 кВт-ч/т [1]. Большая часть подводимой энергии теряется в результате теплопроводности через боковые поверхности шлаковой ванны и передается охлаждающей воде, а также в результате излучения с поверхности шлаковой ванны. Низкая энергетическая эффективность процесса, высокая стоимость электроэнергии (порядка «30% от себестоимости тонны электрошлакового металла приходится на электроэнергию) и используемых при переплаве флюсов не позволяет сделать электрошлаковый металл дешевым [2,3]. Поиск новых технологических приёмов, которые позволили бы повысить энергетическую эффективность процесса без дополнительных затрат и снижения качества получаемого металла, представляется весьма актуальным.

Современные электрошлаковые установки, как правило, работают на переменном токе. В то же время известно, что использование постоянного тока при производстве электростали значительно снижает расход потребляемой электроэнергии. Как показывает практика, снижение расхода электроэнергии на производство тонны металла может достигать 20% и более [1,2,4,5]. Однако, постоянный ток применяют относительно редко и к нему относятся с некоторым недоверием. Вообще существуют значительные опасения применимости и полезности ЭШП на постоянном токе, несмотря на преимущества, которые он может дать [4]. Основными недостатками ЭШП на постоянном токе называют: высокая стоимость выпрямительного оборудования, отсутствие стабильности электрических параметров на протяжении всего переплава, относительно высокая загрязненность получаемого металла неметаллическими включениями и появление таких кристаллизационных дефектов как пятнистая ликвация, изменение угла наклона столбчатых кристаллов в продольном сечении слитка, послойная кристаллизация, возникающие вследствие неконтролируемого движения шлаковой и жидкой металлической ванны.

В то же время в ряде работ [1,4,5] отмечают нехарактерные для ЭШП на переменном токе процессы, а именно, снижение концентрации газов и достаточно активный переход элементов содержащихся в рабочем флюсе в формируемую заготовку.

Целью настоящей работы является поиск решений, позволяющих, сохранив преимущества постоянного тока при электрошлаковом процессе, обеспечить качество получаемого металла на уровне металла производимого по действующей технологии. Для реализации поставленной цели необходимо оценить величину пондеромоторных сил, вызывающих неконтролируемое движение жидкой металлической ванны по сечению слитка и найти способы их подавления; рассчитать силы, позволяющие стабилизировать жидкую металлическую ванну относительно оси слитка; определить технологические параметры, обеспечивающие максимальную рафинирующую способность процесса для конкретных условий ЭШП; разработать технологию получения отливок методом ЭШП на постоянном токе с управлением процессом кристаллизации для устранения изменения угла наклона кристаллов в продольном сечении слитка возникающего вследствие действия пондеромоторных сил; провести опытный переплав; провести сравнительный технико-экономический анализ использования переменного и постоянного тока при ЭШП, оценить влияние изменения технологии на качество получаемого металла.

Работа выполнена на кафедре "Общая металлургия" филиала ГОУ ВПО Южно-Уральского государственного университета в г. Златоусте. Данная работа является продолжением работ Вачугова Г.А. и Чуманова В.И. Большое влияние на постановку проблемы и помощь в ее решении оказали работы авторов Истомина С.А. и Миронова Ю.В.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Пятыгин, Дмитрий Александрович

Основные результаты работы сводятся к следующему.

1. Изучен процесс ЭШП на постоянном токе, дано научное обоснование и экспериментально подтверждено влияние пондеромоторных сил на ванну жидкого металла и, как следствие, положение и форму фронта кристаллизации. Показано, что при ЭШП на постоянном токе снижается расход электроэнергии при одновременном увеличении производительности процесса.

2. Аналитическая оценка пондеромоторных сил действующих на каплю электродного металла, ванну жидкого металла и шлака подтвердила негативное влияние на структуру формируемого слитка (пятнистая ликвация, изменение угла наклона столбчатых кристаллов в продольном сечении слитка, послойная кристаллизация) и позволила сформулировать гипотезу о возможности управлением формой фронта кристаллизации посредством внешнего воздействия (вращение расходуемого электрода).

3. Установлено смещение центра тяжести ванны жидкого металла, относительно оси кристаллизатора, в зависимости от скорости вращения расходуемого электрода для конкретных технологических параметров переплава. На основании полученной зависимости составлена программа для качественной и количественной оценки пондеромоторных сил, действующих на электродный металл и ванну жидкого металла, позволяющая получить рациональные режимы скорости вращения расходуемого электрода для стабилизации формы и положения фронта ванны жидкого металла.

4. Разработана и реализована электрическая схема перевода полупромышленной электрошлаковой установки А-550 с переменного на постоянный ток.

5. Экспериментальные исследования электрошлакового переплава на постоянном токе с внешним воздействием подтвердили позитивное влияние рассредоточения места падения капель электродного металла в жидкую металлическую ванну на форму ванны, направление роста кристаллов, расстояние осей дендритов, процессы рафинирования при кристаллизации от растворимых и взвешенных примесей.

6. Сформулированные положения об электрошлаковом переплаве на постоянном токе с вращением расходуемого электрода позволили рекомендовать технологические параметры электрошлаковой плавки с вращением расходуемых электродов, в результате чего удаётся сэкономить до 15% рабочего флюса, снизить расход электроэнергии на 38%), повысить производительность на 26% без увеличения подводимой мощности.

7. Исследовано качество опытного металла и сопоставлено с обычными плавками. Установлено, что предложенный способ позволяет получать металл по качеству структуры, содержанию неметаллических включений и физико-механических свойств не хуже, чем при действующей технологии.

8. Установлено, что рафинирующую способность процесса с вращением расходуемого электрода увеличивается, поскольку плёнка на торце электрода более равномерна (плоский торец электрода), а толщина её меньше, в том числе в осевой области переплавляемого электрода, где загрязнённость неметаллическими включениями максимальна. Кроме того, в случае вращения электрода, отрывающиеся под действием центробежных сил капли металла имеют меньший размер и проходят более длинный путь в шлаке, что также способствует более полному удалению включений в шлак.

9. В процессе работы был получен патент на способ получения расходуемых электродов для ЭШП (Пат. №2233895 Российская Федерация. Способ получения расходуемых электродов / Чуманов В.И., Чуманов И.В., Вотинов В.В., Пятыгин Д.А. опубл. 2004, Бюл. №22.) и получена приоритетная справка на способ ЭШП на постоянном токе с вращением расходуемого электрода (Пат РФ Способ электрошлакового переплава. Регистрационный №2006126937, дата поступления 24.07.2006 г.)

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пятыгин, Дмитрий Александрович, 2006 год

1. Роберте Р. Технология ЭШП, обеспечивающая максимальную скорость плавки при минимальном расходе электроэнергии. // Электрошлаковый переплав. вып. 4. Наукова думка. Киев. - 1971. - С. 106-109.

2. Электрошлаковый металл. / Под. ред. Б.Е. Патона., Б.И. Медовара. Наукова думка. Киев. - 1981. - 680 с.

3. Электрометаллургия стали и ферросплавов: Учебник для вузов. Д.Я. Пово-лоцкий, В.Е. Рощин, Н.В. Мальков, 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия. 1995.-592 с.

4. Дьюснап П., Шлаттер Р. Электрошлаковый переплав легированных сталей на постоянном токе. // Электрошлаковый переплав, вып. 4. Наукова думка. Киев.-1977.-С. 76-96.

5. Глебов А.Г., Машкевич Е.И. Электрошлаковый переплав М.: Металлургия. 1985.—450 с.

6. Миронов Ю.В. Влияние рода тока на процессы в электрошлаковых установках./ Электрометаллургия. №4. - 2002. - С. 25-32.

7. Электрошлаковые печи /Патон Б.Е., Медовар Б.И., Ступак J1.M. и др. Киев: Наукова думка. 1976. - 414 с.

8. Дакуорт У., Хоил Д. Электрошлаковый переплав. М.: Металлургия. 1973.192 с.

9. Лепинских Б.М., Истомин С.А. Электрохимическое легирование и модифицирование металла. М.: Наука 1984. - 145 с.

10. Митчелл А., Шекели Дж, Элиот Дж.Ф. Математическое моделирование процесса ЭШП / Электрошлаковый переплав, вып. 2, Наукова думка, Киев, -1974.-С. 19-47.

11. Миронов Ю.М., Миронова А.Н. Химия и химические технологии. Чебоксары: Изд-во Чувашского гос. ун-та, 1970. Вып. 1. С. 11-18.

12. Бармин Д.Н. Кинетика электродных реакций при электрошлаковых процессах на постоянном токе. //Республиканская научно-техническая конференция. Екатеринбург: УГУ, - 1993. - с. 56.

13. Электрические промышленные печи. Дуговые и установки спецнагрева / под. ред. А.Д. Свенчанского. М.: Энергоиздат, 1981. 296 с.

14. Хаукинс Р.Дж., Суинден Д.Дж., Поклингтон Дж. Лабораторные опыты и контроль химического состава металла ЭШП в промышленных условиях. / Электрошлаковый переплав, вып. 2, Наукова думка, Киев, 1974. - С. 45-76.

15. Суцумото Т., Сугихара Т. Качество стали ЭШП. / Электрошлаковый переплав. вып. 3, Наукова думка, Киев, 1975. - С. 128-134.

16. Истомин С.А. Электрохимическое легирование, модифицирование и рафинирование сталей при электрошлаковом переплаве. Дис. .док. тех. кан. Екатеринбург, 1992, с. 571.

17. Чучмарев С.К., Есин О.А., Бармин JI.H. О влиянии электрического тока на поведение водорода, растворенного в жидком металле. / Известие вузов. Чёрная металлургия. 1958. №5. С. 59-64.

18. Рощин В.Е., Мальков Н.В., Поволоцкий Д.Я., Гимадеев Ш.Н., Бирюков П.П. Трансформация неметаллических включений в металле расходуемых электродов при рафинирующих переплавах/ Известие вузов. Чёрная металлургия. 1978. №12. С. 37-41.

19. Каджиока X., Ямагучи К., Сато Н., Сежима К., Сакагучи С. Влияние различных параметров переплава на качество слитков ЭШП/ Электрошлаковый переплав, вып. 3, Наукова думка, Киев, 1975. - С. 118-128.

20. Митчелл А., Джексон P.O., Балэнтайн А.С. Тепло- и массоперенос в системе электрод шлак - слиток. / Электрошлаковый переплав, вып. 3, Наукова думка, Киев, - 1975. - С. 29-38.

21. Роусон Дж.Д., Доусон Д.И., Кирхем Н. Движение шлака и металла в процессе ЭШП / Электрошлаковый переплав, вып. 3, Наукова думка, Киев, -1975.-С. 70-89.

22. Дудко Д.А., Рублёвский И.Н. Влияние вибрации электрода на капельный перенос электродного металла при электрошлаковом процессе //Автоматическая сварка. 1959. - № 1. - С. 25 - 29.

23. Топилин В.В. Некоторые вопросы кристаллизации электрошлаковых слитков и качества никелевых сплавов, высокомарганцевых сталей и сплавов //В кн.: Новое в металлургии сталей и сплавов. М.: Металлургия, 1967. - С. 71 -76.

24. Применение ультразвука при ЭШП сталей и сплавов. /В.П. Курелькин, М.М. Клюев, С.И. Филипов и др. //В кн.: Сборник трудов 3~й Всесоюзной конференции по ЭШП. Киев: Наук, думка, 1968. - С. 47 - 51.

25. Воздействие ультразвуковых колебаний на капельный перенос металла при электрошлаковом переплаве / В.П. Куделькин, М.М. Клюев, С.И. Филиппов и др. //Известия вузов. Чёрная металлургия. 1969. -№ 3. - С. 54 - 59.

26. Куделькин В. П., Клюев М. М., Филиппов С. И. и др. Воздействие ультразвуковыми колебаниями на кристаллизацию при электрошлаковом переплаве // Известия вузов. Черная металлургия. 1969. -№11. - с. 64 - 70.

27. Клюев М.М., Волков С.Е. Электрошлаковый переплав. М., Металлургия. 1984, 208 с.

28. А.С. (СССР) № 470179 Способ электрошлакового переплава (Б.Е. Патон, Б.И. Медовар, А.Н. Казимиров и др.). Опубликовано: Спецэлектрометаллургия, 1976 г., вып. 31, с. 98.

29. Новая технология электрошлаковой выплавки листовых слитков. Б.Е. Патон, Б.И. Медовар, А.Н. Казимиров и др. Специальная металлургия, 1976, вып. 31. с. 98.

30. Бутаков Б. И., Грабовый В.Н., Петриченко В.Н. и др. Особенности обработки ударными импульсами сталей и сплавов, наплавляемых в водоохлаж-даемом кристаллизаторе. В кн.: Новое в теории и практике электрогидравлического эффекта. Киев, 1983, с. 102 - 108.

31. Дудко Д. А., Корнеев Д. И., Сидорук В. С. Новый способ электрошлаковой сварки с сопутствующей обработкой кристаллизующегося металла импульсами тока. Киев, 1984.

32. Клюев М.М., Никулин А.А. Скорость движения и время нагрева металлической капли в шлаке при ЭШП. Бюлл. ЦНИЧМ и ГЭИЧМ. 1970., № 4, С. 3234.

33. Управление кристаллизацией крупных электрошлаковых слитков./ Б.Е. Па-тон, Б.И. Медовар, Ю.Г. Емельяненко и др. В кн.: Вопросы специальной электрометаллургии. Москва-Киев, 1973.-С. 85-87.

34. Патент РФ № 274798 "Способ получения слитка" Патон Б.Е., Медовар Б.И., Латаш Ю.В. и др. (подан 15.01.69.)

35. Патент РФ № 337000 "Способ электрошлакового переплава" Медовар Б.И., Чекотило Л.В., Анненко О.Я. и др. (подан 14.12.70)

36. Принудительное оплавление расходуемых электродов при электрошлаковом переплаве. / Патон Б.Е., Медовар Б.И., Кумыш И.И. и др. Специальная металлургия. 1974. вып. 25. С. 5-7.

37. А.С. (СССР) № 415987 Способ электрошлаковой выплавки слитков электрошлаковым переплавом. / Патон Б.Е., Медовар Б.И., Кумыш И.И. и др. (не публ.)

38. К вопросу электромагнитного воздействия на кристаллизацию слитка при ЭШП. / Медовар Б.И., Ступак Л.Н., Мохиан В.Н. и др. Специальная металлургия, 1970, вып. 4, С 16-20.

39. Патент РФ № 439184 "Способ электрошлакового переплава" Бондаренко О.П., Медовар Б.И., Баглай В.М. и др. (подан 10.07.72.)

40. Патент РФ № 422281 "Установка для электрошлакового переплава" Бондаренко О.П., Медовар Б.И., Баглай В.М. и др. (подан 10.07.72.)

41. Дудко Д.А., Рублевский И.Н. Электромагнитное перемешивание шлаковой и металлической ванны при электрошлаковом процессе/ Автоматическая сварка. №9 (90). - 1960. - С. 12-16.

42. Томмас Ф., Кнэл Ф., Вайнгертнер Е. Действие магнитного поля при вакуум-но-дуговом и электрошлаковом переплаве. / Электрошлаковый переплав, вып. 4, Наукова думка, Киев, 1977. - С. 293-304.

43. Патент РФ № 196065 "Устройство для электрошлакового переплава" Патон Б.Е., Медовар Б.И., Бондаренко О.П. и др. (подан 24.04.66)

44. Применение соленоида постоянного тока при ЭШП. / Ю.И. Заболуев, Б.И. Машкевич, Г.М. Бродский и др. Специальная электрометаллургия. 1976, вып. 29, С. 44-49.

45. Гельфгат Ю.М., Лиебаусис О.М., Щербини Э.В. Жидкие металлы под действие электромагнитных сил. / Рига.: Знание, 1976, - 350 с.

46. А.С. (СССР) № 309956 Способ электрошлакового переплава. Вачугов Г.А., Хасин Г.А., Чехомов О.М. и др. Опубликовано: Специальная электрометаллургия, 1982, вып. 44, С 7-8.

47. Улучшение макроструктуры стали ШХ15 выплавленной в дуговой вакуумной печи. / Окороков Г.Н., Бояршинов В.Я., Шамиль Ю.П. и др. Сталь, М. -№ 1.- 1963.-С. 30-34.

48. Остроумов Т.А. Физико-математические основы магнитного перемешивания расплавов. //Металлургиздат.-М.-1960.

49. Sarapulov F., Sidorov О., Timofeev V. Industrion MND-Devicees and mathematical Simulation. //FIFTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON UEES.-2001.-P.165-174.

50. Тимофеев B.H. Анализ трёхмерного электромагнитного поля индукционных устройств. //Вопросы совершенствования электротехнического оборудования и электротехнологий. Екатеринбург: - 2000. - №8 - С.271-275.

51. Христинич P.M., Тимофеев В.Н. Работа индукционной машины с жидкоме-таллическим ротором в знакопеременных режимах //Вопросы совершенствования электротехнического оборудования и электротехнологий. Екатеринбург: - 2002. - №6 - С.271-275.

52. Потапов В.И., Бугаев М.С. Моделирование на ЦВМ динамики теплообмена вакуумного дугового переплава. //ИФЖ. 1980. - Т.39 - №4 - С.758-759.

53. Потапов В.И. Математическое моделирование теплофизических процессов при вакуумном дуговом переплаве. //Тез. Доклада второй всероссийской ФАМ конференции. Красноярск: ИВМ СО РАН. - 2003. - С.90-91.

54. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М. Наука, 1984 - 789с.

55. Вачугов Г.А., Хлынов В.В., Хасин Г.А. / Сталь, 1967, №6. С. 514-516.

56. А.С. 699800 (СССР) Установка электрошлакового переплава. Чуманов В.И., Помещиков А.Г., Завьялов В.Г. и др.). (не публ.).

57. Челмерс Б. Теория затвердевания. М.: Металлургия, 1968. -286 с.

58. Розенберг В.М. Шалимов А.В. Заводская лаборатория. 1970 №6. -С. 23-28.

59. Мовчан Б.А. Границы кристаллов в литых металлах и сплавах. Киев.: Техника, 1970 150 с.

60. Румшинский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: Металлургия, 1969. 211 с.

61. Уманский Я.С. Ренгенография металлов и полупроводников. М.: Металлургия, 1979.- 114 с.

62. Дьяконов В.М., Вачугов Г.А. Влияние вращения переплавляемого электрода на процесс удаления неметаллических включений // Спец. Электрометаллургия.- 1976. №29. С. 21-25.

63. Дьяконов В.М., Вачугов Г.А. Математическое моделирование процесса удаления неметаллических включений из жидкой пленки металла при электрошлаковом переплаве // Спец. Электрометаллургия. 1976. №4. С. 71-74.

64. Чуманов В.И., Белозеров Б.П., Чуманов И.В. Математическая модель переплава вращающегося электрода // Известие вузов. Чёрная металлургия. 1991. №12. С. 74-75.

65. Чуманов В.И., Чуманов И.В. Влияние условий периферийного капельного переноса при ЭШП на структуру и свойства стали // Совершенствование машиностроительных материалов, конструкций машин и методов обработки деталей.- Челябинск: ЧГТУ. 1995. С.3-11.

66. Салтыков С.А. Заводская лаборатория, №11, 1949.

67. Салтыков С.А. Стериометрическая металлография. Металлургиздат, 1972.

68. Чуманов В.И., Белозёров Б.П., Чуманов И.В. Кинетическая модель переплава вращающегося электрода // Известие вузов. Чёрная металлургия. 1994. №8. С. 57-60.

69. Чуманов И.В., Рощин В.Е. Особенности моделирования электрошлакового переплава на прозрачных моделях // Известие вузов. Чёрная металлургия. 1998. №8. С. 30-35.

70. Бородулин Г.М., Мошкевич Е.И. Нержавеющая сталь. М., Металлургия, 1973.-319 с.

71. Справочник "Металловедение и термическая обработка" // под. ред. акад. Бернштейна Н.А., ктн Рахштад А.Г. М.Металлургиздат1956 г. - 1204 с.