Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Анализ современных тенденций развития электрошлаковой технологии и управления качеством слитка 19
1.1. Современные тенденции развития электро шлаковой технологии и оборудования 19
1.2. Контроль и регулирование окислительно-восстановительных процессов, протекающих при электро шлаковом переплаве 34.
1.3. Электрические и тепло физические процессы при ЭШП, моделирование основных физических явлений и способов управления качеством слитка 53
Раздел 2. Особенности поведения кислорода, термодинамически непрочных оксидов, элементов с высоким сродством к кислороду и серы при ЭШП 72
2.1.Развитие теории и совершенствование практики контроля окисленности шлака 72
2.1.1 Условия использования твёрдого электролита для контроля парциального давления кислорода в оксидно-фторидном расплаве 73
2.1.2. Метро логические характеристики датчика окисленности шлака 81
2.2.Поведение железа и раскислителей в шлаке 86
2.2.1.Взаимодействие раскислителей со шлаком 87
2.2.2. Условия изменения валентности железа в оксидных и оксидно-фторидных шлаковых расплавах 91
2.3. Определение показателей сульфидной ёмкости шлака и создание кинетической модели десульфурации при градиенте окисленности в системе шлак-металл 100
2.3.1. Исследование распределения серы в системе шлак-металл при равномерной ее окисленности 101
2.3.2.Десульфурация при наличии градиента окисленности в системе шлак металл
2.4. Математическая модель поведения кислорода при ЭШП и её использование для выбора шлаковых композиций, раскислителей, управления содержанием легкоокисляющихся элементов в слитке 116
2.4.1.Взаимосвязь окисленности шлака с содержанием алюминия, кремния, титана и кислорода в металле при ЭШП 117
2.4.2.Материальный баланс кислорода 126
2.4.3.Технологические возможности приложения модели при выборе шлаковых композиций и раскислителей 128
2.4.4.Прогнозирование и управление содержанием легкоокисляющихся элементов в слитке ЭШП на основе контроля окисленности шлака 135
Раздел 3. Управление физико-химическими и тепло физическими процессами, определяющими формирование структуры слитка при электрошлаковом переплаве 143
3.1.Оценка воздействия теплового, технологического и специального методов на первичную кристаллическую структуру слитков ЭШП 146
3.2. Анализ влияния технологических параметров ЭШП на формирование структуры полых слитков 162
3.3.Управление первичной кристаллической структурой и распределением химических элементов при ЭШП с применением переменного тока пониженной частоты 170
3.4. Электрошлаковый переплав - экономичный металлургический процесс, обеспечивающий высокое качество и конкурентные преимущества для изделий ответственного назначения 178
Раздел 4. Создание новых комплексов оборудования для электрошлакового переплава 183
4.1. Разработка технических требований к современным печам ЭШП 184
4.2. Модернизированная модельная установка ЭШП в АО «НПО ЦНИИТМАШ 187
4.3. Создание комплекса ЭШП 15/30 на ОАО «МК ОРМЕТО ЮУМЗ» 190
4.4. Разработка и использование новых систем оборудования, предназначенных для повышения качества продукции электрошлакового переплава 194
4.4.1. Разработка оборудования и режима эксплуатации системы контроля положения границы раздела шлак-металл 194
4.4.2.Регулирование электрических, кинематических и тензометрических показателей процесса при монофилярной и бифилярной схемах
переплава 201
4.4.3. Разработка оборудования и режима эксплуатации системы контроля окисленности и температуры шлака на промышленных установках ЭШП 206
Раздел 5. Разработка и реализация технологии электрошлакового переплава крупных слитков с использованием методов контроля окисленности шлака и управления тепло физическими процессами 212
5.1. Электрошлаковый переплав 18-60 тонных слитков для роторов турбин высокого и среднего давления, парогенераторов установок БН из высокохромистых
сталей 212
5.2. Электрошлаковый переплав 20 тонных слитков для дисков турбин высокого давления из сверхчистой высокохромистой стали KGTW-RO 225
5.3.Электрошлаковый переплав 18 тонных слитков из стали 08Х18Н10Т для внутрикорпусных устройств АЭУ 242
5.4. Электрошлаковый переплав 18 тонных слитков хромо-никелевой стали с титаном типа ЭП 674 для дисков газовых турбин 246
5.4.1.Разработка рекомендаций по составу и уровню окисленности шлака 249
5.4.2.Электрошлаковый переплав стали ЭП 674 на печи ОКБ-1111 258
Раздел 6. Новый подход к управлению качеством и свойствами ответственных поковок и заготовок из сплошных и полых слитков ЭШП для атомного и энергетического машиностроения 261
6.1. Управление качеством, механическими свойствами и служебными характеристиками металла заготовок электрошлаковой выплавки из теплоустойчивых и жаропрочных сталей 262
6.2.Управление качеством, технологическими характеристиками деформационной обработки, сварки и наплавки стали для корпусов изделий второго контура АЭУ 276
6.3.Технико-экономические предпосылки применения ЭШП как способа снижения себестоимости изделий ответственного назначения 287
Выводы 295
Список литературы
- Контроль и регулирование окислительно-восстановительных процессов, протекающих при электро шлаковом переплаве
- Условия изменения валентности железа в оксидных и оксидно-фторидных шлаковых расплавах
- Анализ влияния технологических параметров ЭШП на формирование структуры полых слитков
- Модернизированная модельная установка ЭШП в АО «НПО ЦНИИТМАШ
Введение к работе
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.
-
Разработка теоретических аспектов и практических приемов управления качеством металла при ЭШП на основе контроля и регулирования физико-химических и теплофизических параметров переплава.
-
Исследование окислительно-восстановительных процессов, взаимосвязи содержания кислорода и легкоокисляющихся элементов в слитке с окисленностью шлака и разработка математической модели поведения кислорода при ЭШП.
-
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 (Рог), 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 рентгено флюоресцентного 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 (yFe) в оксидно-фторидных системах при изменении Ро2 и, на основе обобщения экспериментальных данных, определить, что условием понижения yFe от +3 до +1 при 1600С является создание дефицита кислорода за счет понижения Рог от 105доЮ"10Па;
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 наплавлення 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-Спецсталь» регламенты дифференцированного
раскисления шлака, обеспечивающие оптимальные уровни Рог при выплавке
слитков массой от 20 кг до 60 т из сталей углеродистых (10"5-10"5'5Па),
высокохромистых (10"5'5-10"6Па) 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 «Hanjung».
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:
-
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 105 до 10"10 Па.
-
Новый подход к управлению физико-химическими процессами при ЭШП, базирующийся на контроле окисленности шлака.
-
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 Рог в шлаке.
-
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.
-
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 тепло физических 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 наплавлення 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 [П-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
Контроль и регулирование окислительно-восстановительных процессов, протекающих при электро шлаковом переплаве
Интенсивное развитие специальной электрометаллургии, охватывающей процессы последовательного наплавлення, в том числе электрошлаковый переплав (ЭШП), началось в пятидесятых годах прошлого столетия. Термин «спецэлектрометаллургия», возникший тогда, определялся спецификой многочисленных задач в энергетическом машиностроении, авиакосмической технике и оборонной промышленности, решаемых как в отечественной, так и в зарубежной металлургии в стремлении качественно и количественно обогнать друг друга. Следствием стал колоссальный скачок в методах и средствах повышения качества материалов [1].
К основным факторам, обуславливающим улучшение качества металла при ЭШП, относятся: - обработка жидкого металла рафинирующими шлаками на оплавляемой поверхности электрода, в процессе прохождения капель через слой шлака и на поверхности раздела «шлаковая ванна - металлическая ванна»; - последовательная направленная кристаллизация слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе; формирование слитка в шлаковом гарнисаже, способствующем получению ровной гладкой поверхности, не требующей дополнительной механической обработки для подготовки к деформационному переделу.
Решение актуальных технологических задач не могло быть осуществлено без разработки новых видов плавильного оборудования, в том числе, для реализации процесса электрошлакового переплава, автором которого был Институт электросварки им. Е.О.Патона АН УССР (ИЭС). Среди основных направлений развития оборудования можно выделить: - расширение номенклатуры: освоение выплавки слитков квадратного и прямоугольного сечений, а также фасонных и полых заготовок; - увеличение единичной массы слитков вначале до 40 - 60 т, а впоследствии- до 100-250 т; - освоение различных электрических схем переплава: моно- и бифилярная (одноэлектродные и многоэлектродные установки), трёхфазная, с использованием переменного тока пониженной частоты; использование технологических приёмов, позволяющих увеличить производительность оборудования и качество изделий: электромагнитное перемешивание расплава, вторичное охлаждение слитков, создание защитной атмосферы в рабочем пространстве печи и др.
Успехи в развитии технологии электрошлакового переплава и оборудования для её реализации, опирались на ведущиеся широким фронтом фундаментальные и прикладные исследования, в которых активное участие принимали как академические, так и отраслевые научно-исследовательские технологические, конструкторские и проектные организации. ИМЕТ, ЦНИИТМАШ, ЦНИИЧЕРМЕТ, ИЭС, ВНИИЭТО и другие.
Использование различных методов исследования (аналитических, физического и математического моделирования, экспериментальных) обеспечивало глубокое проникновение в суть металлургических явлений, сопровождающих процессы кристаллизации металла и формирования заготовок. Основные направления совершенствования оборудования ЭШП были направлены на расширение его функциональных возможностей, включая: -использование взаимного перемещения кристаллизатора и расходуемого электрода для производства длинномерных слитков и полых заготовок; - создание источников питания, обеспечивающих необходимый уровень мощности и максимально плавное регулирование напряжение на нагрузке (шлаковой ванне); - применение кристаллизаторов, конструкция которых создает оптимальные условия формирования структуры металла заготовок; - разработку и внедрение систем автоматизированного управления оборудованием и процессом плавки, обеспечивающих реализацию наиболее прогрессивных достижений технологии ЭШП; создание систем, предохраняющих расплав от непосредственного взаимодействия с воздухом и формирующих защитную атмосферу, в том числе при повышенном давлении; - создание систем контроля и регулирования параметров процесса, оказывающих непосредственное влияние на металлургическое качество продукции (датчики, дозаторы, анализаторы и пр.); - конструктивные решения по смене расходуемых электродов в процессе плавки.
Печи электрошлакового переплава комплектовались стационарными (глуходонными) кристаллизаторами, которые до настоящего времени остаются наиболее распространёнными. Большинство таких кристаллизаторов спроектировано для узкого диапазона соотношений характерных размеров слитков (диаметр и высота), который изменяется в пределах от 1:3 до 1:4. Это обусловлено требованием получения оптимальных, с точки зрения дальнейшего передела, размеров слитка. В номенклатуру отечественных печей ЭШП входят, в основном, кристаллизаторы круглого, квадратного и прямоугольного поперечного сечения.
Развитие, ряда отраслей промышленности, прежде всего энергетического машиностроения, выдвигало требование увеличения массогабаритных показателей слитков ЭШП, увеличивались и габариты плавильной оснастки -кристаллизаторов. Возрастали затраты на их изготовление, что, в свою очередь, приводило к повышению стоимости продукции.
Разработка технологии ЭШП с взаимным перемещением слитка, расходуемого электрода и кристаллизатора позволила использовать разнообразные, спроектированные по одному из двух основных вариантов укороченные подвижные кристаллизаторы (рисунок 1.1): - сварные с охлаждением по схеме «замкнутая водяная полость»; - сборные с канальной системой охлаждения.
Условия изменения валентности железа в оксидных и оксидно-фторидных шлаковых расплавах
Исследованию воспроизводимости показаний э.д.с. и Ро2 посвящена серия лабораторных и промышленных экспериментов [181], в которых фиксировали с помощью 3-4 параллельных замеров окисленность шлаковых расплавов АНФ-6, АНФ-1, 55% СаО - 45% А1203. В лабораторных экспериментах в тигле из карбонитрида бора, помещенном в изотермическую зону печи сопротивления с графитовым нагревателем при температуре 1873К получены следующие результаты (в числителе - среднеквадратичное отклонение; в знаменателе -среднее абсолютное значение):
Воспроизводимость показаний э.д.с. не выходит за пределы 3% в исследованном диапазоне окисленности шлака. Однако воспроизводимость по lgPo2 в случае раскисленного шлака (Ро2=10" Па) достигает 6%, что может быть связано с возрастанием электронной составляющей проводимости (понижением доли ионной проводимости) твердого электролита при понижении Ро2 [120].
Для измерения парциального давления кислорода в равновесии со шлаком в промышленных условиях на основе описанных датчиков разработан сменный блок измерительного зонда - устройства контроля окисленности и температуры шлака (УКОШ-Т), конструкция которого описана в разделе 4.4, а результаты промышленного применения - в разделах 5.1-5.4.
Таким образом, разработана методика определения окисленности шлака, основанная на измерении равновесного парциального давления кислорода (Ро2) с помощью электрохимического датчика с твердым электролитом. Установлено, что без ухудшения точности измерений для защиты твердого электролита как в оксидных, так и в оксидно-фторидных шлаках могут быть использованы кислородопроницаемые покрытия из молибдена и карбонитрида бора и созданы устройства для одновременного измерения в металлургических агрегатах Ро2 и температуры шлака.
Оценены инструментальная погрешность измерения AlgPo2, не превышающая 0,35 в интервале lgPo2(TIa) =-4...-10 и достигающая 0,88 при lgPo2 = -13, что связано с соответствующим понижением доли ионной проводимости твердого электролита при Ро2 10" Па. Эта же причина по-видимому снижает воспроизводимость показаний датчиков в зоне значений Ро2, достигаемых при «глубоком» раскислении шлака. Однако указанная зона не характерна в практике электрошлакового переплава стали, рассмотренной в разделах 4 и 5, для которой метрологические характеристики датчика окисленности шлака можно считать приемлемыми.
Решение теоретических и методических вопросов контроля окисленности оксидных и оксидно-фторидных шлаков позволяет перейти к исследованию поведения химических элементов в ходе окислительно-восстановительных процессов при ЭШП. 2.2 Поведение железа и раскислителей в шлаке
Содержание примесных элементов, газов и неметаллических включений в стали обычно определяется особенностями взаимодействий, протекающих в системе шлак - металл. Распределение компонентов, как результат такого взаимодействия, зависит от окисленности системы, причем, как указывалось в разделе 1.2, последний фактор определяет важнейшие физико-химические и технологические характеристики шлака.
В работах [75,76,84] показано, что в оксидных расплавах отношение числа атомов металла к числу атомов кислорода не постоянно и зависит от окислительно-восстановительного потенциала среды. Это является проявлением более общей закономерности сосуществования газовой и конденсированной фаз, содержащих общий компонент. Известно [88, 71-73, 102,107-109], что твердые и жидкие оксиды являются фазами переменного состава по кислороду, хотя области их гомогенности во многих случаях очень малы [73,86] и зачастую не могут быть обнаружены обычными методами химического анализа. При этом даже незначительные изменения состава существенно влияют на сорбционные, транспортные, электрические и другие свойства оксидов. Иначе говоря [71-73, 83, 102], состояние шлаковой фазы не может быть полностью описано указанием только температуры, давления и валового химического состава. Необходимы дополнительные данные, фиксирующие уровень окислительно восстановительного потенциала.
Объективный критерий окислительно-восстановительного потенциала указывает теория электронного строения конденсированных систем. Согласно современным представлениям, изложенным в разделе 1.2, наиболее общей мерой окислительно-восстановительного потенциала является парциальная свободная энергия электронов данной фазы, которая связана с равновесным парциальным давлением кислорода Ро2 (величиной, доступной для прямых измерений) соотношением (1.5). Экспериментальное изучение поведения компонентов шлака в условиях изменения его окисленности проводилось с использованием разработанных датчиков по методу э.д.с. с твердым окисным электролитом. Такой метод оказался весьма чувствительным даже к небольшим изменениям состава шлака при введении в него малых добавок раскислителей, а также оксида железа. Объектами исследования были выбраны синтетический шлак системы СаО-А1203 и промышленные шлаки (табл.2.4). Синтетический шлак готовили из предварительно прокаленных на воздухе при 1273К в течение 4 часов химически чистых оксидов сплавлением их в тиглях из карбонитрида бора. Масса шлака в среднем составляла 70 г. Ро2определяли по методике, описанной в разделе 2.1.Пробы шлака анализировали рентгенофлюоресцентным методом.
Анализ влияния технологических параметров ЭШП на формирование структуры полых слитков
Изменение тепло физических условий процесса, как отмечалось в работах Руттера и Чалмерса [222], Тиллера [223], Вайнгарда [224], оказывает существенное, в некоторых случаях, решающее влияние на процессы накопления примесей перед фронтом затвердевания, гидродинамические условия в ДФО, первичную кристаллическую структуру ( ), возможность появления шнуров внецентренной ликвации и скорость их роста [139].
Специальный метод - приложение физического воздействия, например постоянной составляющей переменного тока или переменного тока пониженной частоты, оказывающего определенное по направлению и силе влияние на один или несколько заранее выбранных факторов. Основные закономерности такого воздействия, влияющего на первичную структуру, рассмотренные в работах зарубежных авторов [140, 143, 149, 216] и ряде других, а также отечественных публикациях [13, 225], экспериментально подтверждены и обобщены в ходе работы.
При выборе метода воздействия на процессы формирования слитка необходимо исходить из требований, предъявляемых к качеству готового изделия, возможностей и структуры технологического оборудования, экономических соображений, а при разработке новых комплексов оборудования учитывать возможности указанных методов на стадии проектирования.
В отличие от традиционного слитка, характеризуемого [139] как система устойчивая по отношению к разного рода физическим и физико-химическим воздействиям, слиток последовательного наплавлення, по сути протекающих при наплавлений и кристаллизации процессов, должен активно откликаться на изменение условий его формирования.
Действительно, в обычном слитке при постоянных внешних условиях теплоотвода конфигурация и протяженность ДФО, распределение температуры в затвердевшем металле определяются в основном интенсивностью выделения скрытой теплоты затвердевания и возможностями отвода возникающего при этом теплового потока. В общем количестве тепла, которое необходимо отвести от обычного наливного слитка в процессе затвердевания, доля скрытой теплоты кристаллизации достигает 80-90%.
В слитке последовательного наплавлення за счет дополнительного подвода тепла от внешних источников долю скрытой теплоты затвердевания в общем тепловом балансе можно изменять в широких пределах. Принципиальным отличием ЭШП является то, что в зависимости от особенностей конструктивной и электрической схемы, можно в достаточно большом диапазоне значений варьировать объем (глубину) и форму жидкой металлической ванны, комбинируя возможности теплового и специального методов. При этом, изменяется протяженность двухфазной области и ее тепло физические параметры (G, v3 и є). Изменение глубины металлической ванны оказывает также значительное влияние на градиент температуры в расплаве (GL).
Если в обычном слитке накопление ликвирующих примесей в его незатвердевшей части идёт непрерывно в течение всего времени затвердевания, то в слитке ЭШП происходит постоянное разбавление расплава ванны и рафинирование жидкого металла от вредных примесей, газов и неметаллических включений [226]. Следовательно, композиционный метод, связанный с уменьшением содержания элементов, определяющих степень развития ликвации, является основой технологического процесса и обеспечивает химическую однородность слитка.
При ЭШП, как и при других процессах последовательного наплавлення, в каждый данный момент времени в жидком состоянии находится относительно небольшая масса металла (3-10% от полной массы слитка). Это обстоятельство позволяет более эффективно влиять на процесс затвердевания не только тепловыми и композиционными, но и специальными методами. Например, И.В.Чуманов и В.Е. Рощин [15] предложили воздействовать на гидродинамические процессы в металлической ванне и кристаллизацию слитков с помощью центробежных сил, возникающих при вращении электрода. Этот способ [253] обеспечил повышение равномерности теплового поля в металлической ванне, улучшение условий кристаллизации и расширил принципиальные возможности производства слитков переменного по сечению состава. Наиболее широкое распространение получили различные варианты электромагнитных и электрохимических воздействий, описанных в разделах 1.1 и 1.3, не имеющих жестких ограничений в отношении массы и геометрических размеров слитка.
Поэтому создание специализированных установок ЭШП для производства крупных слитков, которые используют переменный ток пониженной частоты [199, 227, 228, 229], позволяет реализовать специальные методы управления процессами перераспределения примесей и кристаллизации.
Тепловые методы, основанные на задании и поддержании хорошо регулируемых параметров (электрических характеристик, производительности процесса), позволяют в большинстве случаев осуществлять управление и автоматизацию процессов. Сочетание технологического и специального (основанного на использовании переменного тока пониженной частоты) метода при переплаве может обеспечить не только условия необходимые для получения однородных по составу и свойствам крупных сплошных слитков, но и полых литых заготовок.
Модернизированная модельная установка ЭШП в АО «НПО ЦНИИТМАШ
Определение аттестованных характеристик проведено по ГОСТ 21639.0-76 -ГОСТ 21639.10-76 с использованием фотометрического, пирогидролизного, атомно-абсорбционного, инфракрасно-спектроскопического методов. В качестве проверочного использовался рентгено-флюоресцентного метод.
При разработке технологии ЭШП исследовалась зависимость чистоты стали от состава шлака, содержания фосфора и серы в нем с применением методики, аналогичной описанной в разделе 2.4.1. Использованы шлаки, составы которых приведены в таблице 5.4. На основании полученных данных (таблица 5.5) определены коэффициенты распределения серы и фосфора между шлаком и металлом и выявлены зависимости указанных характеристик от Ро2 и чистоты исходных материалов. Полученные результаты по распределению серы представлены на рисунке 5.10. Здесь же приведено сравнение с результатами исследований для шлака № 1 в условиях ООО «ОМЗ-Спецсталь» (раздел 5.1).
С уменьшением Ро2, а также увеличением содержания СаО в шлаке увеличивается отношение ((S))/([S]), то есть можно ожидать более полного удаления серы из металла. Вместе с тем, следует отметить что в лабораторных условиях при применении шлака № 1 содержание серы в металле лишь однажды опускалось ниже 0,004%. Переплав с использованием шлака № 3 при Ро2 менее 10" Па дает возможность получать содержание серы в слитке ниже 0,003%.
Результаты экспериментальных исследований позволили сделать вывод, что, в случае успешного решения задачи десульфурации стали KGTW-RO на этапах выплавки и внепечной обработки металла для расходуемого электрода, шлак №1 может быть использован для ЭШП при поддержании Ро2 менее 10" Па. В противном случае необходимо использовать шлаки с повышенным содержанием СаО (№№ 2,3,4), что неизбежно влечет использование дополнительных мер защиты металла от наводороживания и компенсирующих мероприятий, связанных с противофлокенной термической обработкой.
Влияние Ро2 на коэффициент распределения фосфора между шлаком и металлом не обнаружено, что лишь подкрепляет сведения [83] об отсутствии дефосфорации при достигаемом в практике ЭШП диапазоне окисленности шлака.
235 Получены данные, дающие возможность оценить эффективность предложенных шлаков с точки зрения предотвращения рефосфорации при переплаве. Отношение содержания фосфора в исходном шлаке к содержанию его в электроде (или к заданному содержанию фосфора в слитке ЭШП) должно быть менее 1,0 для шлака № 1и менее 0,6 для шлака № 3.
Зависимость коэффициента распределения серы от Ро2 при ЭШП в лабораторных и промышленных условиях -шлак№1, - шлак№2, І -шлак №3, - шлак АНФ-6 (данные исследований на ООО «ОМЗ-Спецсталь» - раздел 5.1)
Для исследования окислительно-восстановительных процессов и выявления условий, обеспечивающих заданное содержание кислорода и алюминия в слитке стали типа KGTW-RO проведены опытные плавки на модельной печи ЭШП АО «НПО «ЦНИИТМАШ». Использовали электроды из стали, выплавленной в дуговой сталеплавильной печи, обработанной на установке внепечного рафинирования и вакуумирования следующего состава: С - 0,12 %/Si- 0,05 %;Мп -0,05 %/Сг - 12,0 %; [О]- 0,005 %/Ni- 2,5 %; Mo -1,5%;V - 0,3 %; Р - 0,004 %; S 239 0,005 %; Al- 0,01 %;[N]- 0,06 %. Результаты плавок, приведенные на рисунках 5.11-5.13, демонстрируют соответствие данным, полученным ранее при переплаве аналогичного состава металла российского производства на ООО «ОМЗ-Спецсталь», а также в опытных плавках хромистых сталей, проведенных на заводе «Hanjung». Это обстоятельство можно считать одним из подтверждений обоснованности и воспроизводимости технологии и разработанных способов ее контроля.
Расчетные величины находятся в пределах одного порядка (по Ро2) с экспериментальными результатами, заметная дисперсия которых может быть связана с затруднениями, особенно при анализе низких (менее 0,01%) содержаний алюминия в производственных условиях.
Данные, полученные в промышленных условиях ООО «ОМЗ-Спецсталь» и на заводе «Hanjung», в целом согласуются с результатами лабораторных исследований.
Различия конкретных окислительно-восстановительных условий на разных плавках, связанные, например, с вариацией коэффициента заполнения кристаллизатора, качеством поверхности электрода, неоднородностью его состава, а также с масштабным фактором, учитываются при корректировке режимов раскисления, обеспечивающих поддержание заданного Ро2 и зависящих от него показателей химического состава стали..
Выплавка крупных слитков ЭШП из титан содержащих сталей для изготовления внутрикорпусных устройств реактора - сложная техническая задача, решение которой в условиях ООО «ОМЗ-Спецсталь» позволяет снизить расход металла открытой выплавки и трудоемкость производства в результате применения литых электродов, а также исключения механической обработки слитков перед ковкой при замене способа изготовления ВДП на ЭШП.
Результаты исследований, представленные в разделе 2.4.1.2, позволили установить связь распределения титана между шлаком и металлом с окисленностью (Ро2) и температурой (tC) шлака, выраженную соотношением 2.58, которое для практического использования при контроле и управлении угаром титана в ходе промышленных плавок преобразовано в номограмму для определения отношения —- по результатам замеров параметров шлака (рисунок
Задача технолога, таким образом, сводится к обеспечению окисленности и температуры шлака в заданных пределах за счет управления режимом раскисления и мощностью, выделяемой в шлаковой ванне.
Характеристики окислительно-восстановительных процессов, выявленные на лабораторных плавках, в том числе взаимосвязь окисленности шлака с содержанием в нем оксида железа (рисунок 2.16) и угаром титана следовало сопоставить с производственными данными. Такие исследования были выполнены на предварительных плавках №№ 11262, 11305, 11306, 11309, 11793, 11793, 11792, 11630, 11712, 11769, а также в ходе ЭШП 18 т слитков из стали 08Х18Н10Т на плавках №№ 12019,12032,12186 с использованием методики и устройств контроля окисленности и температуры шлака.