Способ и технология для плавки металла в индукционной печи

Индукционные печи – принцип работы индукционной печи

Принцип действия индукционных печей основан на токах, возникающих в расплаве с помощью специальных устройств — индукторов. При этом наведенные токи позволяют достигать температуры плавления в металлах, достигается высокая равномерность расплавов за счет перемешивания. Все элементы расплавов подвергаются вихревому воздействию токов, таким образом происходит движение слоев и достигается максимально возможное смешивание различных присадок и металлов. К основным достоинствам индукционных печей следует отнести простейший ремонт, высокий КПД, возможность получения сплавов, обладающих заданными характеристиками и выполнять термообработку в любом режиме.

Индуктор, помимо создания электрического тока в обрабатываемом металле, воспринимает механические вибрационные и температурные нагрузки, поэтому при проектировании предусматривается необходимая прочность и тугоплавкость как токопроводящей, так и изолирующей части. В качестве изоляции может применяться воздушная прослойка, при этом должно быть обеспечено необходимое расстояние между витками и жесткое закрепление проводника.

Также применяют ленточную изоляцию, которая наносится поверх лакового покрытия. Лента должна обладать хорошими диэлектрическими свойствами, обеспечивающими надежную изоляцию витков.

Другим способом обеспечения необходимой диэлектрической изоляции витков индуктора является применение специального прокладочного материала, устанавливаемого между витками. Крепление прокладок осуществляется с помощью специального клея. Такой способ обычно применяется для изоляции индуктора большой мощности.

Компаундирование также служит для обеспечения нужного уровня изоляции. Данный способ не нашел широкого применения, поскольку индуктор в этом случае очень сложно отремонтировать.

Токопроводящая часть индуктора должна обладать хорошей электропроводностью, снижающей потери мощности. Кроме того, материал, используемый в электрической части индуктора должен быть немагнитным. Для того, чтобы обеспечить максимальную площадь со стороны, обращенной к обрабатываемому металлу и меньшую массу, используются различные сечения с внутренними полостями.

Каркас печи должен обеспечить жесткость всей конструкции и исключить поглощение мощности деталями. В промышленных печах обычно применяется цилиндрический каркас из листов стали со специальными технологическими отверстиями, обеспечивающими свободный доступ к индуктору.

Плавка металла в индукционной печи позволяет точно регулировать температурные режимы, поддерживать необходимую температуру в течение определенного времени. КПД индукционных печей очень высокий, поскольку отсутствуют дополнительно нагреваемые элементы, нагревается только обрабатываемый металл. По экологическим характеристикам индукционные печи являются наиболее безопасными, так как отсутствуют продукты сгорания топлива и вредные вещества, выделяющиеся при других способах плавки.

Индукционные печи применяются для выплавки цветных и черных металлов, закалки, отпуска, отжига, нормализации сталей. Конструктивно индукционные печи бывают канального типа и тигельные. Выпускаются печи, позволяющие производить плавку с доступом воздуха, в определенной газовой среде с избыточным давлением или вакууме.

Помимо цветных металлов, индукционные печи используют для плавки драгоценных металлов. При этом обычно требуется более низкая температура, чем для черных металлов. Плавка палладия в индукционной печи требует окислительной атмосферы, в отличие от других драгоценных металлов.

Выплавка стали в индукционных печах позволяет получать высоколегированные сорта, отвечающие самым жестким требованиям. В некоторых случаях применяется плавка стали в определенной газовой среде или вакууме, что позволяет получать дополнительные качества.

Плавка титана в индукционных печах дает возможность получения слитков или заготовок, обладающих равномерным составом по всему объему. Недостатком плавки в индукционных печах является сравнительно высокое содержание углерода в конечной продукции. Для уменьшения воздействия газов, выплавку титана производят в аргоновой среде или вакууме.

Следует учесть, что плавка влажных или содержащих лед металлов очень опасна, поэтому рекомендуется предварительная сушка. Наличие влаги в рабочей камере печи при появлении расплава вызовет разбрызгивание раскаленного металла, что может повлечь за собой травмы и выход из строя оборудования.

Схема простейшей индукционной печи:

Отлив металла из индукционной печи:

Промышленная печь индукционная

Проектирование промышленных печей осуществляется исходя из требований к технологическому процессу. Проект определяет максимально возможную температуру нагрева, возможность создания определенной газовой среды или вакуума, применение тиглей или канальное устройство рабочей части, степень автоматизации. Промышленные печи должны оборудоваться системами, обеспечивающими максимальную безопасность в процессе работы. Кроме того, так печи работают с применением переменного электрического тока, на мощность печи влияет его частота.

От того, какие температурные режимы требуются, какие виды металлов или сплавов планируется выплавлять, применяют различные виды футеровки. Футеровка индукционных печей может выполняться из огнеупорного материала, содержащего свыше 90% окиси кремния с небольшим количеством других окислов. Такая футеровка получила название кислой и может выдержать до 100 плавок.

Основная или щелочная футеровка изготавливается из магнезита с добавлением других окислов и жидкого стекла. Такая футеровка может выдержать до 50 плавок, в печах большого объема износ происходит намного быстрее.

Нейтральная футеровка применяется чаще других видов и может выдерживать свыше 100 плавок. Наиболее часто она применяется в тигельных печах. Следует учесть, что в результате проведения плавок происходит неравномерный износ футеровки. Таким образом изменяется рабочий объем и толщина стенки футеровки. Больший износ происходит в местах с большей температурой, обычно в нижней части печи.

Так как промышленные индукционные печи работают с большими нагрузками, обмотка индуктора в процессе работы может значительно нагреваться. Для предотвращения негативных последствий перегрева, обычно предусматривается водяная система охлаждения, отводящая излишки тепла от витков индуктора. При проектировании вопрос охлаждения индуктора является одним из важнейших, поскольку от эффективности системы зависит надежность и срок службы всей печи.

Максимально возможная автоматизация процессов термообработки является необходимым условием для нормальной работы промышленных индукционных печей. Правильно подобранная автоматика обеспечит различные режимы, позволяющие наиболее точно выполнить требования технологических процессов.

Производство промышленных печей осуществляется в строгом соответствии с требованиями заказчика и регулирующей НТД. Промышленные печи могут изготавливаться по типовым проектам или индивидуальным заказам. Обязательным условием является аттестация оборудования, которая должна выполняться не реже 1 раза в год.

Плавильная индукционная печь:

Лабораторная индукционная печь

Исследования, проводимые с различными металлами и сплавами, требуют создания определенных условий в процессе плавки или термообработки. Индукционная печь лабораторная служит для обеспечения заданных условий, поэтому степень автоматизации такого устройства очень высока. В зависимости от того, какие материалы планируется исследовать, лабораторные печи снабжаются дополнительным оборудованием. Некоторые модели предусматривают возможность плавки при избыточном давлении или вакууме.

В лабораторных печах для футеровки, помимо указанных выше материалов, могут применяться более современные теплоизолирующие материалы, такие как:

К лабораторным печам можно отнести также ювелирные печи, служащие для обработки драгоценных металлов и стоматологические, предназначенные для изготовления протезов. Печи такого типа обычно не предназначены для получения высоких температур и обработки больших объемов металла, поэтому мощность их не высока.

Каркас лабораторных печей обычно имеет форму куба или параллелепипеда. Для изготовления ребер применяют различные немагнитные материалы (дюралюминий, специальная сталь, медь). Элементы каркаса закрываются асбоцементными листами, обеспечивающими дополнительную теплоизоляцию. Для уменьшения нагрева элементов каркаса применяют специальные изолирующие прокладки. Также они служат для предотвращения возникновения блуждающих токов. Крепление индуктора в этом случае осуществляется к верхним и нижним плитам.

Лабораторные индукторные печи, как и промышленные, требуют эффективного охлаждения обмотки. В некоторых моделях достаточно воздушного охлаждения, в работающих с высокими температурами индукторах применяется водяное.

Читайте также:  Дэу Нексия Р3 2019 цены, комплектации, фото, новая модель, видео тест-драйв

Наличие необходимого уровня защиты от токов индукции в лабораторных печах является необходимым условием, обеспечивающим безопасность персонала. Для обеспечения нужного уровня безопасности, используются специальные электромагнитные экраны. Обычно они изготавливаются из листового алюминия или меди.

Перемешивание металла в тигельных индукционных печах

Индукционные тигельные печи длительное время пользовались популярностью на чугунолитейных и цветнолитейных заводах, а в последнее время начали получать признание на сталелитейных заводах. По сравнению с печами, работающими на топливе, и электродуговыми печами, индукционные тигельные печи обеспечивают более мощное перемешивание жидкого металла и более однородную температуру металла, более низкое загрязнение окружающей среды и более низкий уровень шума, более низкие затраты на футеровочные материалы и выполнение футеровочных работ.

Поскольку физика электромагнитного поля сложна, индукционные печи все еще часто неправильно понимают. Хотя точный количественный анализ магнитогидродинамических моделей, которые определяют поток металла в индукционных печах утомителен, качественное объяснение может быть представлено довольно четко.

Перемешивание металла в индукционной тигельной печи было мало изучено, до проведения Inductotherm в середине 1970-х годов исследований, которые позволили сформировать науку о силах перемешивания. До этого времени считалось, что индуктивное перемешивание в индукционной печи линейно связано с высотой мениска в печи. Эта линейная зависимость представлена на рис. 1.

Рис. 1: Высота мениска расплавленного металла

Высота мениска прямо пропорциональна мощности и ​​обратно пропорциональна квадратному корню из значения частоты. Однако в реальных процессах плавления стало очевидно, что этот упрощенный подход не является точной мерой перемешивания. Печи, содержащие одинаковое количество одного и того же металла, но работающие на разных частотах, не перемешивались одинаково, даже если высота мениска была одинаковой.

Ток, текущий в поверхностном слое расплава, проникает на глубину, определяемую частотой тока, протекающего в индукционной катушке, и типом металла. Этот поверхностный слой называется «глубиной проникновения» и описывается формулой, представленной на рис. 2.

Рис. 2: Распределение тока и глубина проникновения в индукционную тигельную печь

Было обнаружено, что высота мениска обусловлена взаимодействием магнитного поля от индукционной катушки и тока, протекающего в расплавленном металле. Эта сила равна векторному произведению плотности магнитного потока и плотности тока расплава (JxB) и приложена к окружности расплава.

Эта сила, действующая на окружность расплава, сжимает жидкость, в результате чего часть жидкости отрывается от стенки и поднимается вверх (см. рис. 3). Поскольку J и B пропорциональны току, протекающему через катушку, высота мениска пропорциональна в квадрате току, протекающему через катушку.

Рис. 3: Взаимодействие электромагнитных и ферростатических сил в индукционной печи

Так как kW = I²R, где R — сопротивление катушки и расплава, то высота мениска пропорциональна мощности, приложенной к печи, и обратно пропорциональна сопротивлению катушки печи и расплава. Высота мениска (MH) представляет потенциальную энергию расплава так же, как высота воды в резервуаре (WH) представляет потенциальную энергию / давление воды в этом резервуаре (см. рис. 4).

Рис. 4: Высота мениска

В печи поток металла ускоряется только тогда, когда в расплаве течет ток. Таким образом, ускоренный поток возникает только в области, определяемой как глубина проникновения тока. Эта глубина проникновения приравнивается к размеру трубы, соединенной с резервуаром. Большая глубина проникновения тока будет большой трубой, а очень малая глубина проникновения тока будет очень маленькой трубой (см. рис. 5).

Рис. 5: Влияние частоты на глубину проникновения

Очевидно, что для той же высоты мениска (или водяного столба в резервуаре определенной высоты), чем больше глубина проникновения тока (чем больше диаметр трубы), тем больше будет перемешивание (более мощный поток воды).

Когда вы проведете математические расчеты этого процесса, вы обнаруживаете, что перемешивание не линейно пропорционально высоте мениска, а гораздо больше зависит от самой частоты тока. Формула на рис. 6 позволяет рассчитать интенсивность перемешивания в данной системе, используя следующие параметры: мощность, частота, размеры печи и характеристики расплавляемого сплава.

Рис. 6: Индекс перемешивания

Рис. 7 наглядно иллюстрирует доминирование частоты тока над другими параметрами влияющими на интенсивность перемешивания расплава в индукционной тигельной печи.

Рис. 7: Эффект увеличения частоты

Примеры перемешивания

Плавка чугуна

Чугунолитейные заводы обычно нуждаются в среднем уровне перемешивания расплава, чтобы правильно растворить добавки и получить гомогенный сплав. Один чугунолитейный завод производящий высокопрочный чугун с шаровидным графитом достиг желаемого уровня перемешивания с помощью индукционного плавильного агрегата мощностью 9000 кВт, работающего на печи вместимостью 12,5 т. Эта система работала при 210 Гц со средним индексом перемешивания 42,3.

Более крупный литейный завод, производящий серый чугун, использует свою индукционную плавильную систему мощностью 20 500 кВт при частоте 180 Гц для достижения умеренного показателя перемешивания 47,9.

Плавка алюминия

Плавка алюминия требует более высокого уровня перемешивания для плавления стружки и легких материалов. Один производитель алюминиевых сплавов достиг требуемой интенсивности перемешивания с помощью индукционного источника питания мощностью 300 кВт, работающего на печи емкостью 0,8 т. Работая при 60 Гц, он давал очень сильный индекс перемешивания — 117,27.

Другой производитель алюминиевых сплавов, плавивший алюминиевый лом, эксплуатировал свою 1500-киловаттную 7-ми тонную систему плавления алюминия на частоте 60 Гц, чтобы достичь индекса интенсивного перемешивания 75,7.

Плавка стали

Сталелитейные заводы обычно выплавляют свои сплавы при высоких температурах и используют низкий уровень перемешивания, чтобы максимально продлить срок службы футеровки. К примеру, сталелитейный абразивный завод работал с индукционным источником питания мощностью 1500 кВт и индукционной печью вместимостью 2,2 т на частоте 590 Гц для достижения показателя легкого перемешивания — 22,6.

На литейном заводе по выплавке стали, на котором плавили различные стальные сплавы, работала система индукционной плавки мощностью 175 кВт, обслуживая печь вместимостью 75 кг, на частоте 2800 Гц для достижения показателя легкого перемешивания — 25,7.

Индукционная печь с принудительным перемешиванием металла

Перемешивание расплавленного металла в индукционной печи может быть достаточным для большинства металлургических практик. Однако в некоторых случаях различные схемы перемешивания, в дополнение к обычному перемешиванию с «двойным пончиком», могут способствовать процессам плавления, рафинирования или легирования в индукционных печах. Это усиленное перемешивание может быть выполнено с помощью частотно-модулированного перемешивания или многофазного перемешивания с бегущей волной, описанного ниже.

Частотно-модулированное перемешивание

При частотно-модулированном перемешивании мощность и частота в индукционной печи изменяются (варьируются) с низкочастотными интервалами. Изменение тока и частоты изменяет мениск, перемещая его вверх и вниз. Движение мениска посылает волны давления в ванну расплава, которая, отражаясь от дна печи, распространяется обратно на поверхность печи. При правильном выборе частоты модуляции в расплавленной ванне могут образовываться стоячие волны. Эти волны вызывают значительное перемещение металла вверх и вниз внутри печи. В сочетании с естественным круговым движением металла этот тип улучшенного перемешивания обеспечивает отличное перемешивание расплавленной ванны.

Перемешивание бегущей электромагнитной волной

Рис. 8: Однонаправленное перемешивание в двухфазной индукционной печи

Бегущие магнитные волны всегда требуют реализации нескольких катушек и фазового сдвига между токами, протекающими в каждой катушке. Подобно асинхронному двигателю, многофазная печь заставляет металл двигаться в одном направлении вдоль стенки корпуса печи , создавая однонаправленное перемешивание. Изменение последовательности фаз изменяет направление потока расплавленного металла.

Читайте также:  Датчик температуры газа, его виды и неисправности

Однонаправленное перемешивание осуществляется путем подачи двухфазного тока, сдвинутого на 90° для каждой катушки (см. рис. 8). Также возможен трехфазный ток, смещенный на 120 ° или четырехфазный ток.

Ниже приведены практические электрические схемы для возбуждения однонаправленного перемешивания бегущей волны:

1. Один плавильный и один трехфазный источник перемешивания могут быть подключены к одной трехсекционной катушке, как показано на рис. 9. Эта схема использует один среднечастотный инвертор для нагрева / плавления и трехфазный линейный преобразователь частоты для перемешивания.

Рис. 9: Один источник питания с трехсекционной катушкой подключен к главному преобразователю частоты с помощью механических переключателей

2. Трехфазный инвертор, подключенный к трехсекционной катушке, показан на рис. 10. Выходы инвертора могут работать с управлением в однофазном режиме для плавления или в трехфазном режиме для перемешивания. В режиме плавления ток во всех катушках имеет одинаковую фазу. В режиме перемешивания ток в катушках B и C смещается на 120° и 240° соответственно. Эта схема является более надежной, чем другие, потому что она не требует больших переключателей тока для переключения с расплава на однонаправленное перемешивание или наоборот.

Рис. 10: Система Uni-Stir с тремя независимыми инверторами

3. Двухфазный инвертор, показанный на рис. 11, с фазовым сдвигом от 0 до 90° также может производить однонаправленное перемешивание. Хотя интенсивность перемешивания на 25% меньше, чем трехфазное однонаправленное перемешивание, этого достаточно для создания непрерывного однонаправленного потока. Направление потока может быть изменено, когда фаза второго инвертора изменяется от + 90° до -90°.

Рис. 11: Система Uni-Stir с двумя независимыми инверторами

Технология моделирования

Современные компьютерные технологии позволяют моделировать распределение электромагнитных полей и магнитогидродинамических процессов в индукционных печах. Результаты этого моделирования показывают закономерность движения металла.

На рис. 12 показано типичное компьютерное моделирование перемешивания металла в стандартной индукционной плавильной печи. На рис. 13 показано движение металла в той же печи с двухфазным инвертором, вызывающим однонаправленное перемешивание.

Рис. 12: Схема движения металла в плавильной печи

Рис. 13: Схема движения металла в двухфазной перемешивающей печи

Для многих применений может быть достаточно однофазной индукционной печи с естественным перемешиванием. В таких применениях, как вакуумная очистка, специальное легирование, позднее добавление или трудно расплавляемый лом, могут потребоваться улучшенные методы перемешивания. Двух- или трехфазные инверторы предпочтительны для однонаправленного перемешивания, потому что они не требуют переключателей печи с высоким уровнем обслуживания. Трехфазные инверторы могут использоваться в случаях, когда требуется более интенсивное перемешивание.

Рис. 14: Поверхность ванны расплава при обратном однонаправленном перемешивании

На рис. 14 показана поверхность расплава цинка в индукционной плавильной печи, работающей в режиме двухфазного обратного перемешивания. На ней четко видны нити металла, поднимающиеся по стенкам тигля и спускающиеся по центру ванны, образуя воронку. Когда в расплавленную ванну добавляют металлическую стружку из легкого материала, такого как алюминий, она быстро затягивается в ванну и растворяется.

Применение однонаправленного перемешивания позволяет получать сплавы более высокого качества, с более жесткими допусками по химическому составу. Детали, изготовленные из таких качественных сплавов, могут быть меньше и легче при соблюдении необходимых требований к прочности и физическим характеристикам.

Современные технологии предлагают ряд интересных возможностей и решений. Индукционные плавильные / перемешивающие установки должны быть тщательно подобраны для обеспечения наилучшей производительности для конкретных условий клиентов. Назначение процесса и материал сплава определяют размер печи, тип, оптимальную частоту и мощность.

Автор

Satyen N. Prabhu (Сатьен Н. Прабху) — президент и генеральный директор Inductotherm Corp.

Перевод

Олег Виноградов — технический директор Агентства Литье++, г. Киев

Справка

Inductotherm Corp. разрабатывает и производит самые современные системы индукционной плавки, нагрева, выдержки и разливки практически для всех видов обработки металлов и материалов. К ним относятся оборудование для серого и ковкого чугуна, стали, меди и сплавов на основе меди, алюминия, цинка, химически активных металлов, драгоценных металлов, кремния и графита, а также множество других специальных применений. Как ведущий мировой производитель систем индукционной плавки металлов, на сегодняшний день Inductotherm построила более 36500 систем плавки и нагрева для производителей металла и металлообработки по всему миру.

Исследование и разработка технологии выплавки чугунов и сталей в индукционных сталеплавильных печах

Исследование и разработка технологии выплавки чугунов и сталей в индукционных сталеплавильных печах

На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНОВ И СТАЛЕЙ В ИНДУКЦИОННЫХ

СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ

Специальность 05.16.02 – Металлургия

черных, цветных и редких металлов

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре «Металлургия» ГОУ ВПО

«Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

кандидат технических наук,

Ведущая организация – «Свободный сокол»

Защита состоится «11» мая 2010 г. в _1200_ часов на заседании диссертационного совета Д212.08.02 в Липецком государственном техническом университете 0, зал ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Липецкого государственного технического университета.

Автореферат разослан « » 2010 г.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. На сегодняшний день рынок металлопродукции предъявляет ряд жестких требований, как к служебным свойствам черных сплавов, так и к себестоимости их получения. Огромную долю рынка занимают детали механизмов и изделия из конструкционных чугунов и углеродистых качественных сталей.

В настоящее время на территории РФ и стран ближнего зарубежья происходит накопление легковесного стального и чугунного лома, который затруднительно перерабатывать на высококачественные сплавы с использованием классических металлургических схем. Выход из сложившейся ситуации возможен в создании ряда предприятий с неполным металлургическим циклом. Главными плавильными агрегатами «мини-заводов» могут быть индукционные сталеплавильные печи, которые способны работать полностью на твердой металлошихте.

Одной из главных проблем технологий выплавки высококачественных сплавов в индукционных печах являются конструктивные ограничения возможности проведения активных металлургических операций, что в ряде случаев усугубляется наследственным влиянием качества шихтовых материалов, которое до настоящего времени не регламентируется технологическими инструкциями.

Основным направлением развития современной металлургии является исследование и разработка технологий получения сплавов повышенного качества, за счет применения новых и совершенствования имеющихся методов выплавки, внепечной обработки и оценки качества шихтовых материалов.

Все вышесказанное предопределяет актуальность работы, которая направлена на разработку эффективных технологий индукционной выплавки сплавов и выполнена в рамках разрабатываемого в ЛГТУ научного направления «Феноменологические модели и нелинейная динамика высокотемпературных процессов и технологий» при частичной поддержке грантом РФФИ -р_центра_а. Работа удостоена областной премии имени за достижения в области технических наук.

Целью работы является разработка технологий выплавки конструкционных сплавов в индукционных сталеплавильных печах с проведением эффективных металлургических операций, посредством научно обоснованного определения влияния шихтовых материалов и технологических параметров на качество получаемых сплавов.

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

— исследовать особенности выплавки сплавов в индукционных печах;

— разработать улучшенную методику анализа качества кусковых шихтовых материалов;

— исследовать влияние качества шихтовых материалов и температурных режимов выплавки на качество сплавов;

— исследовать поведение элементов при различных температурно-шлаковых режимах выплавки чугунов и углеродистой стали.

Достоверность основных положений и выводов. Достоверность результатов работы подтверждается проведением промышленных плавок, с использованием новейшего оборудования контроля состояния и свойств сплавов, программного обеспечения анализа данных и теоретическим анализом процессов с использованием современных теорий металлургических расплавов.

Читайте также:  Вентилятор улитка в промышленных вытяжных системах - что это такое, принцип работы, как выбрать, отз

Научная новизна работы.

1. Экспериментально установлен факт «структурной наследственности» шихтовых материалов заключающийся в увеличении склонности углеродистых расплавов к дендритной сегрегации при использовании в шихте белых доменных чугунов. Увеличение температуры последнего периода миксирования свыше 15500С усиливает «наследственность» расплавов и одновременно повышает фрактальную размерность поверхности кристаллизующихся дендритов.

2. Предложен принцип организации технологии выплавки сплавов с использованием трех периодов миксирования, заключающийся в температурно-временном разграничении протекания основных окислительных реакций с участием кремния, углерода и марганца, позволяющий наводить жидкоподвижный шлак для кислых и нейтральных футеровок печей.

3. Исследованы особенности технологии выплавки сплавов в индукционных сталеплавильных печах, заключающиеся в поведении основных и «наследственных» элементов и специфических условиях шлакообразования с использованием твердых шлакообразующих смесей на основе системы оксидов «SiO2 Al2O3 CaO».

4. Разработана методика ускоренного исследования качества кусковых шихтовых материалов, позволяющая определять их полный химический состав и внутренние дефекты, влияющие на качество металлопродукции.

Практическая ценность работы.

1. Разработана и испытана в действующем производстве машиностроительный завод» () технология выплавки углеродистой стали на нейтральной футеровке с периодом окисления элементов, позволяющая получать качественный металл из стального лома с завышенным содержанием основных элементов.

2. Разработана и испытана в действующем производстве технология выплавки высококачественных конструкционных чугунов в индукционных печах с кислой футеровкой, позволяющая снизить газонасыщенность сплавов, уменьшить окисление основных элементов и повысить стойкость футеровки.

3. Разработанная технология выплавки повышает качественные характеристики чугуна «нирезист» после модифицирования: увеличен предел прочности (на 15,6%), снижена твердость (на 8,8%) и уменьшено количество газоусадочных дефектов (на 15,85%).

4. С помощью разработанной методики исследовано предельное содержание вредных микроэлементов цветных металлов в доменных чушковых чугунах (от 0,025 до 0,034%) и стальном углеродистом ломе (от 0,016 до 0,023%).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на 3-х научно-технических конференциях: ІII (г. Липецк, 2006), ІV (г. Липецк, 2007) и V (г. Липецк, 2008) международные научно-технические конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия», а также университетских совещаниях и семинарах в период с 2006 по 2008 г. (г. Липецк, ЛГТУ).

Публикации. По материалам опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы и структура. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав с выводами, библиографического списка из 125 наименований, заключения и 4 приложений. Включает 87 страниц текста, содержит 28 рисунков и 30 таблиц.

Основное содержание работы

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

В первой главе дается краткий обзор области применения конструкционных чугунов и углеродистых сталей, способов их выплавки и модифицирования в условиях предприятий с неполным металлургическим циклом. Обозначены параметры качества сплавов, зависящие от правильности и полноты протекания металлургических процессов в условиях индукционной плавки при использовании различных шихтовых материалов. Приведена систематизация современных научных представлений о металлургической наследственности сплавов и её влияния на качество металлопродукции. В конце главы сформулированы цели и задачи исследования.

На предприятиях с неполным металлургическим циклом черные сплавы выплавляются в электропечах, при этом одним из наиболее перспективных плавильных агрегатов, ввиду легкости обслуживания, точности управления температурой, возможности работы в режиме миксирования, но и особо требовательным к качеству шихтовых материалов, является индукционная сталеплавильная печь. Важным технологическим приемом выплавки качественных сплавов в индукционных печах является использование режимов термовременной обработки (ТВО). Проведение эффективных металлургических операций, наряду с внепечным модифицированием расплавов, позволяет существенно улучшить качество сплавов в заготовках.

Показано, что имеются теоретические предпосылки для организации технологии выплавки стали с периодом окисления элементов и возможностью удаления части микроэлементов. В производстве для этих целей используется дорогостоящая основная футеровка, стойкость которой не превышает 5-10 плавок. Результаты современных исследований по использованию нейтральных футеровок для выплавки стали с окислением в периодических изданиях не представлены. Выплавка конструкционных чугунов осуществляется, как правило, на форсированных температурных режимах в печах с кислой футеровкой, с использованием твердых шлакообразующих смесей на основе Al2O3 и SiO2. Стойкость футеровок составляет не более 100 плавок. Понятие «качество сплавов» в современной металлургии определяется не только марочным химическим составом согласно действующей документации, но и концентрацией микроэлементов, растворенных газов и неметаллических включений, влияющих на процесс кристаллизации расплавов.

Согласно литературным данным, качество сплавов зависит не только от совершенства существующих металлургических технологий, но и от явления металлургической наследственности сплавов, которое также оказывает сильное воздействие на процессы кристаллизации, что наиболее характерно для расплавов индукционной плавки. Механизм и физическая сущность наследственности сплавов до сих пор окончательно не раскрыты.

Вторая глава представлена результатами анализа и теоретических исследований металлургической наследственности и физико-химических особенностей технологий выплавки сплавов в индукционных сталеплавильных печах с различной футеровкой.

При содержании углерода более 0,3% и температурах перегрева в пределах от 1550 до 18000С существует большая вероятность сохранения в расплаве г. ц.к. — подобной структуры ближнего порядка. Согласно квазиполикристаллической теории жидких металлов, элементами г. ц.к. — подобной структуры ближнего порядка расплавов являются устойчивые кластеры химических элементов.

Предложено для идентификации наследственных структур сплавов использовать фрактально-кластерную модель структур, согласно которой кластерные образования в сплавах обладают свойством масштабного самоподобия, а в ряде масштабов — иерархичностью строения. Основным свойством фрактального кластера является соответствие между размером, размерностью и числом частиц в агрегации, что характерно и для «наследуемых» типов структур в первично кристаллизованных сплавах.

Показано, что наследуемыми свойствами основных шихтовых материалов могут быть особенности строения макроструктуры (спелеобразный графит, дендриты и т. д.) и газонасыщенность доменных чушковых чугунов, а также общее и видовое содержание микроэлементов в шихтовых материалах.

Вскрыто, что главнейшей задачей режимов индукционной плавки является не только гомогенизация расплава по составу и температуре, активизация растворения и взаимодействия компонентов шлака и металла, но и «упорядочивание» его структуры в различных микрообластях ванны, что в основном ограничивается стойкостью используемых футеровок. В противном случае сохраняется высокая вероятность наследования свойств шихтовых материалов получаемыми сплавами. При этом в производственных условиях не всегда возможно организовать такую технологию выплавки, которая бы обеспечивала стабильное получение сплавов с заданными параметрами качества из любых шихтовых материалов. Поэтому первым этапом экспериментальной разработки технологии выплавки должно быть исследование качества наиболее часто используемых шихтовых материалов и выбор рационального состава шихты. Вторым важным этапом является определение влияния температурного режима плавок и типа доменных чугунов на качество выплавляемых сплавов. Вместе с этим исследование и организация эффективных температурно-шлаковых режимов позволит стабилизировать основные окислительно-восстановительные реакции процесса выплавки и рафинировать расплавы от газов и неметаллических включений.

Третья глава посвящена материалам, оборудованию, описанию проведения экспериментальных плавок и методикам исследования качества шихтовых материалов в лабораторных и производственных условиях.

Существующие методики оценки качества шихтовых материалов, используемые при входном контроле на действующих предприятиях, страдают главным недостатком: большая длительность анализа состава материалов, обусловленная использованием физико-химических методов анализа, при сравнительно небольшом диапазоне исследуемых элементов: C, Si, Mn, Cr, Ni, S и P. Разработана и апробированная методика ускоренного исследования качества материалов, основные стадии которой представлены в табл. 1.

Сравнение методик исследования качества шихтовых материалов

Ссылка на основную публикацию
Солнечный водонагреватель
Солнечный водонагреватель своими руками как изготовить самодельную установку На сегодняшний день современные технологии и материалы позволяют использовать альтернативные источники энергии...
Смеситель для кухни хром матового цвета в интерьере
Хроматирование - Collini Applied Surface Intelligence процесс Хроматирование Хроматирование — это хорошо зарекомендовавший себя и чрезвычайно разносторонний метод нанесения покрытия,...
Смешные статусы про покупку машины
Поздравления с покупкой новой машины Красиву, как девица, модну Купил ты , брат, машину — «хонду», И с тем, открыто...
Соляная Кислота формула, плотность, цена, с чем реагирует
Соляная кислота - Её свойства, воздействие на человека Соляная кислота – вещество неорганического происхождения. Относится к списку очень сильных кислот....
Adblock detector