Виявлення фізичних закономірностей розподілу вуглецю в системі графітований електрод-шлак-метал. Розроблення методики і визначення сульфідної ємності розплавів системи CaF2–CaO–Al2O3–SiO2 в діапазоні концентрацій компонентів, що входять до її складу.
Аннотация к работе
Основною перевагою електрошлакової плавки з невитратними електродами є відсутність жорсткого звязку між потужністю, що підводиться до шлакової ванни, та швидкістю плавлення металу, яка може бути і нульовою, коли здійснюється лише нагрів. Не дивлячись на багато загального з класичним ЕШП, електрошлакова плавка з невитратними електродами має певні особливості, які вимагають усестороннього вивчення та наукового узагальнення. Роботи щодо вивчення та уточнення закономірностей електрошлакової плавки з невитратними електродами та її застосування в різних галузях промисловості продовжувались. Патона в рамках таких тем: 5.42.03/016-97 ”Розробка технології та обладнання для електрошлакової обробки металевих розплавів із використанням невитратних електродів” (1993-1994 р.р., відповідальний виконавець); 2/789-97 ”Розробка технології виготовлення із сировини України мерганцевомідних сплавів функціонального призначення та їх упровадження в промисловість” (1997-2000 р.р, виконавець); 20,8/220 ”Розробити екологічно чисті технології та обладнання для утилізації та переробки промислових відходів з використанням низькотемпературної плазми, індукційного, електрошлакового нагрівання” (1997-1999 р.р., № ДР 0198U001496, виконавець); 20/9 ”Дослідити фізико-хімічні процеси і технологічні особливості відновлення, компактування і рафінування хімічно активних і тугоплавких металів, феросплавів і лігатур із використанням дугових розрядних систем, індукційного, електрошлакового і гібридних схем нагрівання”(2003-2006 р.р., № ДР 0103U005252, виконавець); 20/2 ”Дослідити фізико-хімічні і теплофізичні особливості електрошлакової виплавки і рафінування металів і сплавів із техногенних відходів та мінеральної сировини і розробити основи технології і устаткування” (2007-2009 р.р., № ДР 0107U000128, відповідальний виконавець). визначити умови застосування електрошлакової плавки для переробки неметалевої шихти з отриманням феросплавів і лігатур із мінеральної сировини та розробити технологію виробництва ванадійвміщуючої лігатури з ванадієвого конверторного шлаку.Даний спосіб поєднує в собі достоїнства електрошлакового обігріву, рафінування металу шлаком, розливання під шлаком і є методом комплексного впливу на умови формування зливка. Для дослідження впливу складу шлаку та металу, а також температурних умов на перерозподіл вуглецю в системі графітований электрод-шлак-метал була використана методика і створена лабораторна установка, що дозволяє тривалий час витримувати метал і шлак у рідкому стані і виключає дію матеріалу плавильної ємкості на масообмінні процеси між контактуючими фазами. Отримані результати пояснюються протіканням обмінних реакцій в системі метал-шлак-електрод, коли при тривалій витримці константа розподілу елементів між шлаком і металом визначається із залежності: (4) де - активність елементів і в шлак у і металі; - валентність. Активності вуглецю та кисню в шлаку визначали відповідно до методики, де шлаковий розплав розглядається як фаза, що має колективну електронну систему, а активність елементів в ній визначається концентрацією та енергією обміну, що враховує взаємний вплив елементів в шлаку. Установлені закономірності формування зливків при електрошлаковому обігріві їх головної частини, теплової взаємодії між шлаком і металом, поведінки вуглецю в системі электрод-шлак-метал і рафінування металу шлаками послужили основою для розробки науково обґрунтованої технології електрошлакового та порційного електрошлакового відливання зливків, у тому числі на установках УО-106 і ЭШО-200И1.Показано, що для успішної та ефективної реалізації технологічних процесів, що засновані на електрошлаковій плавці з невитратними електродами, необхідно вивчення та наукове узагальнення властивих для неї фізико-хімічних і теплофізичних особливостей. Установлено вплив складів шлаку та металу і температурних умов на перерозподіл вуглецю в системі графітований электрод-шлак-метал. Виявлено, що при певному співвідношенні між оксидами кальцію та кремнію, що містяться в шлаку, зменшується взаємодія шлаку з вуглецем електродів. Установлено, що інтенсифікація навуглецювання металу при електрошлаковій обробці починається при температурі шлаку вище 1873 К, коли створюються термодинамічні умови для утворення карбідів кальцію та кремнію, які є основними переносниками вуглецю від шлаку до металу. Термодинамічно обґрунтовано, експериментально підтверджено та запропоновано спосіб фізико-хімічної дії на поведінку вуглецю при електрошлаковій обробці металів за рахунок забезпечення на рівні 1•10-7 - 1•10-8 Па окислювально-відновного потенціалу шлакового розплаву регульованими добавками оксидів заліза.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
На основі дослідження та узагальнення фізико-хімічних і теплофізичних процесів електрошлакової плавки з графітованим невитратним електродом розроблені нові технології виробництва високоякісних ковальських зливків методами ЕШВ і ПЕШВ, демпфуючих марганцевомідних сплавів із підвищеними вібропоглинаючими властивостями, а також виплавки ванадійвміщуючої лігатури з ванадієвого конверторного шлаку з високими техніко-економічними показниками.
1. Показано, що для успішної та ефективної реалізації технологічних процесів, що засновані на електрошлаковій плавці з невитратними електродами, необхідно вивчення та наукове узагальнення властивих для неї фізико-хімічних і теплофізичних особливостей.
2. Установлено вплив складів шлаку та металу і температурних умов на перерозподіл вуглецю в системі графітований электрод-шлак-метал. Виявлено, що при певному співвідношенні між оксидами кальцію та кремнію, що містяться в шлаку, зменшується взаємодія шлаку з вуглецем електродів. При концентрації САО близько 30% в шлак необхідно вводити від 10 до 30 % SIO2. Рекомендований для застосування при електрошлаковій обробці металів оксидно-фторидний шлак зі вмістом SIO2 10-15 %, який за технічних умов ІЕЗ ім. Е.О. Патона отримав позначення АНФ-34.
3. Установлено, що інтенсифікація навуглецювання металу при електрошлаковій обробці починається при температурі шлаку вище 1873 К, коли створюються термодинамічні умови для утворення карбідів кальцію та кремнію, які є основними переносниками вуглецю від шлаку до металу.
4. Термодинамічно обґрунтовано, експериментально підтверджено та запропоновано спосіб фізико-хімічної дії на поведінку вуглецю при електрошлаковій обробці металів за рахунок забезпечення на рівні 1•10-7 - 1•10-8 Па окислювально-відновного потенціалу шлакового розплаву регульованими добавками оксидів заліза.
5. Розроблена методика та експериментально визначена в широкому концентраційному та температурному діапазонах сульфідна ємність оксидно-фторидних розплавів системи CAF2 - CAO - Al2O3 - SIO2, що є основою шлаків, які використовуються в електрошлакових технологіях. Установлено позитивний вплив фториду кальцію при концентраціях до 30-40 % на рафінуючі можливості таких шлаків. Визначено, що сульфідна ємність кремнійвміщуючих шлаків ЕШП, таких як АНФ-29 і АНФ-32 в 2-3 рази віще, ніж у безкремністого шлаку АНФ-6.
6. Розрахунковими методами виявлені особливості та закономірності формування сталевого зливка в умовах електрошлакового відливання (ЕШВ). Розроблений і реалізований на практиці удосконалений диференційований режим електрошлакового обігріву, який при формуванні зливка ЕШВ діаметром 800 мм масою 7 т забезпечує скорочення протяжності двофазної зони на 250-300 мм і зменшення локального часу кристалізації на 1000 с, що дозволяє значно покращити якість отриманого металу. Вивчені особливості кінетики кристалізації металу при порційному електрошлаковому відливанні (ПЕШВ), розроблені режими ПЕШВ крупних зливків, у тому числі масою 75 т в кристалізаторі діаметром 1800 мм
7. Розроблена технологія виробництва зливків ЕШВ на спеціалізованій установці УО-106. Виконаний повний комплекс досліджень якості зливків ЕШВ масою до 7 т із різних сталей, у тому числі 38ХН3МФА і 9Х2МФА в литому та і деформованому стані. Визначено, що за всіма показниками - макробудові, густині, однорідності, вмісту та розподілу неметалевих включень, механічним властивостям і т.д. зливки ЕШВ перевершують зливки традиційного виробництва, що позитивно позначається на отриманих виробах. Так, стійкість валів холодного прокату, виготовлених зі зливків ЕШВ, на 40 % вище, ніж аналогічних виробів зі звичайних зливків.
8. Показано, що якість металу крупних зливків порційного електрошлакового відливання знаходиться на рівні, що досягається при електрошлаковій переплавці, і значно перевершує якість металу звичайного виробництва. Підтверджено дослідженнями металу зливка ПЕШВ масою 75 т в литому стані та поковки ротора турбогенератора, виготовленого зі зливка ПЕШО масою 70 т, що даний метод є одним із найбільш ефективних для виготовлення високоякісних крупних (масою десятки тонн) сталевих заготовок, що використовуються для виробництва відповідальних виробів із поліпшеними службовими характеристиками.
9. Розроблена технологія електрошлакової виплавки та рафінування (ЕШВР) з некомпактної шихти зливків демпфуючого марганцевомідного сплаву середнього складу 73 %Mn - 25 %Cu - 2 %Ni, яка забезпечує високий вихід придатного, однорідність хімічного складу по висоті і перетину зливків і зниження вмісту в металі сірки та неметалевих включень. Установлено, що вібропоглінаючі властивості виробів з отриманого методом ЕШВР сплаву знаходиться на рівні кращих зразків для подібного металу. Показано, що розроблений метод, у тому числі із застосуванням металургійного марганцю замість електролітичного, є перспективним для виробництва високоякісних марганцевомідних сплавів, призначених для виготовлення різних вібропоглинаючих пристроїв.
10. Виконано термодинамічний аналіз окислювально-відновних процесів при силікотермічному отриманні з конверторного ванадіевого шлаку ванадійвміщуючих лігатур. Відпрацьована технологія електрошлакової виплавки з ванадійвміщуючого шлаку одностадійним методом при ступені витягання ванадію 95-97 % лігатури складу, %: 18-20 V, 4-7 Si, 2-6 Cr, 5-10 Mn, 1-2 Ti, 0,1-0,3 С, 0,01-0,04 Р, менше 0,01 %S, решта заліза. При цьому залишковий вміст V2O5 в шлаку, що переробляється, складає менше 0,5 %.
Список литературы
1. Воронин А.Е., Крутиков Р.Г., Биктагиров Ф.К., Тарасевич Н.И. и др. Исследование электрошлаковой отливки крупных слитков // Специальная электрометаллургия, 1984. - вып. 56. - С.11-15.
2. Воронин А.Е., Латаш Ю.В., Биктагиров Ф.К. и др. Влияние состава стали на распределение углерода между шлаком и металлом при электрошлаковой обработке // Специальная электрометаллургия, 1984. - вып. 57. - С. 12-17.
4. Латаш Ю.В., Биктагиров Ф.К., Крутиков Р.Г., Воронин А.Е., Фесенко А.Н. Тепловой баланс шлаковой ванны при однофазной и трехфазной схемах токоподвода в условиях электрошлакового процесса с нерасходуемыми электродами // Специальная электрометаллургия, 1986. - вып. 61. - С.11-14.
5. Флюс: А.с. 754864 СССР, МКИ С 21 С 5/56 / Ю.В. Латаш, А.Е. Воронин, Крутиков Р.Г., Матях В.Н. , Биктагиров Ф.К., Волкотруб Н.П., Пшеничный Б.А. (СССР). - № 2648540; Заявл. 24.07.78.
6. Способ электрошлаковой отливки слитков: А.с. 1441800 СССР, МКИ С 22 В 9/18 / В.Г.Падалка, Н.А.Цвященко, Я.М.Васильев, Л.Я.Левков, Ю.В.Латаш, А.Е.Воронин, Ф.К.Биктагиров, Н.А.Решетилов (СССР). - № 4156072; Заявл. 22.09.86.
7. Установка для электрошлаковой отливки слитков: А.с. 1489197 СССР, МКИ С 22 В 9/18 / Латаш Ю.В., Рейда Н.В Костюченко А.И., Думчев А.Е., Пшеничный Б.А., Воронин А.Е., Дидыченко В.И., Биктагиров Ф.К. и др. (СССР). - № 4271595; Заявл. 29.06.87 .
8. Способ электрошлаковой отливки слитков: А.с. 1490989 СССР, МКИ С 22 В 9/18 / Ю.В. Латаш, Ф.К. Биктагиров, А.Е. Воронин, Б.А. Пшеничный, Р.Г. Крутиков, В.Б. Тынянкин (СССР). - № 4349691; Заявл. 10.10.87.
9. Латаш Ю. В., Воронин А.Е., Биктагиров Ф.К. и др. Крупные кузнечные слитки порционной электрошлаковой отливки // Электрошлаковый переплав, вып. 9. - Киев: Наукова думка, 1987. - С. 78-84.
10. Латаш Ю. В., Биктагиров Ф.К., Левков Л.Я., Воронин А.Е., Струина Т.А., Фетисова Т.Я. Методика экспериментального определения сульфидной емкости оксидно-фторидных шлаков // Проблемы специальной электрометаллургии. - 1989. - № 3. - С. 6-11.
11. Воронин А.Е., Латаш Ю.В., Крутиков Р.Г., Биктагиров Ф.К. и др. Влияние технологических параметров электрошлаковой обработки на загрязненность конструкционных сталей неметаллическими включениями // Проблемы специальной электрометаллургии. - 1989. - № 4. - С. 7-12.
12. Латаш Ю.В., Биктагиров Ф.К., Воронин А.Е. и др. Влияние порционной электрошлаковой отливки на свойства металла ротора турбогенератора // Специальная электрометаллургия, 1989. - вып. 67. - С. 21-26.
13. Латаш Ю.В., Биктагиров Ф.К., Вихриев С.Б. и др. Свойства роторов, изготовленных из слитков различных способов производства // Проблемы специальной электрометаллургии. - 1990. - № 1. - С. 21-28.
14. Биктагиров Ф.К., Латаш Ю.В., Воронин А.Е.,Фетисова Т.Я. Сравнительная оценка сульфидной емкости оксидно-фторидных шлаков // Проблемы специальной электрометаллургии. - 1991. - № 4. - С. 3-5.
15. Биктагиров Ф.К., Демченко В.Ф., Пшеничный Б.А., Воронин А.Е. Влияние параметров режима электрошлаковой отливки на формирование слитка // Проблемы специальной электрометаллургии. - 1996. - № 1. - С. 21-24.
16. Биктагиров Ф.К., Латаш Ю.В., Пшеничный Б.А., Крутиков Р.Г. Электрошлаковая отливка слитков на установке УО - 106 // Проблемы специальной электрометаллургии. - 1997. - № 2. - С. 7-12.
17. Латаш Ю.В., Биктагиров Ф.К., Крутиков Р.Г. и др. Электрошлаковое рафинирование и выплавка марганцевомедных сплавов высокого демпфирования // Проблемы специальной электрометаллургии. - 1999. - № 1. - С. 3-8.
18. Скородзиевский В.С., Устинов А.И., Латаш Ю.В., Биктагиров Ф.К. и др. Структура и демпфирующие свойства сплава Mn-23Cu-2Ni, полученного с использованием технологии электрошлаковой плавки и рафинирования // Металлофизика и новейшие технологии. - 2001. - т. 23, № 5. - С. 615-626.
19. Яковлев А.П., Токарь И.Г., Скородзиевский В.С., Биктагиров Ф.К. Демпфирующие и упругие свойства некоторых марганцевомедных сплавов индукционной плавки и электрошлакового рафинирования и возможность использования этих материалов для деталей крепления агрегатов ГТД // Вибрации в технике и технологиях. - 2001. - №4. - С. 127-130.
20. Биктагиров Ф.К. Применение электрошлакового процесса с нерасходуемыми электродами для плавки, рафинирования и обработки металлов. Сообщение 1 // Проблемы специальной электрометаллургии. - 2002. - № 4. - С. 11-17.
21. Биктагиров Ф.К. Применение электрошлакового процесса с нерасходуемыми электродами для плавки, рафинирования и обработки металлов. Сообщение 2 // Современная электрометаллургия. - 2003. - № 1. - С. 5-9.
22. Биктагиров Ф.К., Крутиков Р.Г, Скородзиевский В.С., Токарь И.Г. Применение электрошлакой технологии для получения демпфирующих сплавов системы Mn-Cu // Специальная металлургия: вчера, сегодня, завтра. Материалы международной научно-технической конференции. - Киев: Политехника, 2002. - С. 158-162.
24. Биктагиров Ф.К., Крикент И.В. Особенности теплового взаимодействия между шлаком и металлом в условиях электрошлакового обогрева // Современная электрометаллургия. - 2004. - № 4. - С. 13-17.
25. Жадкевич М.Л., Биктагиров Ф.К., Шаповалов В.А., Игнатов А.П., Гнатушенко А.В. О применении электрошлаковой плавки для получения ферросплавов и лигатур из минерального сырья // Современная электрометаллургия. - 2005. - № 1. - С. 12-16.
29. Биктагиров Ф.К. Худик Б.И., Жадкевич М.Л. и др. Производство ванадийсодержащих лигатур с использованием электрошлаковой технологии // Современная электрометаллургия. - 2007. - № 3. - С. 7-11.