Разработка рациональных режимов электрошлакового переплава роликов и стенок кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Юсин, Александр Николаевич

• Юсин, Александр Николаевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юсин, Александр Николаевич

Введение.

1. Состояние вопроса.

1.1. Сущность процесса электрошлакового переплава.

1.2. Влияние конструкции кристаллизатора на ход процесса ЭШП.

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

1.4. Математическое моделирование процесса ЭШП.

1.5. Возможность электрошлакового переплава цветных металлов

1.6. Цели и задачи исследования.

2. Математические модели процесса электрошлакового переплава

2.1. Электрическая модель процесса электрошлакового переплава

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

3. Математическое моделирование процесса ЭШП.

3.1. Моделирование электрического режима переплава.

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

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

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

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

3.3. Оценка результатов моделирования электрического режима процесса ЭШП.

4. Технология ЭШП отходов металлургического оборудования.

4.1. Исследование действующей технологии по ЭШП роликов

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

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

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

5. Совершенствование технологии ЭШП меди.

5.1. Исследование существующей технологии ЭШП меди.

5.2. Коррекция состава флюса № 1.

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка рациональных режимов электрошлакового переплава роликов и стенок кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

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

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

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

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

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Юсин, Александр Николаевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Юсин, Александр Николаевич, 2004 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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