Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нові технології та обладнання для індукційної плавки металів і сплавів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Необхідність корінного поліпшення якості литого металу обумовило появу і розвиток принципово нових металургійних процесів, у результаті чого в 60-ті роки минулого сторіччя сформувалася нова підгалузь металургійного виробництва - спеціальна електрометалургія. Створені методи плавки засновані на застосуванні висококонцентрованих джерел теплової енергії і передбачають переплав витратних електродів (заготовок) із металу кінцевого хімічного складу: та формування зливка у кристалізаторі, що охолоджується: вакуумно-дуговий переплав (ВДП), електрошлаковий переплав (ЕШП), електронно-променевий переплав (ЕЛП) і плазмово-дуговий переплав (ПДП).

Найважливішою перевагою цих процесів є краплинний перенос рідкого металу з торця витратного електрода (заготовки), що оплавляється у металеву ванну і спрямована послідовна кристалізація металу при формуванні зливка.

Проте, у ряді випадків, згадані методи переплаву можуть виявитися недостатньо ефективними. Це в першу чергу стосується до переплаву легкоплавких металів і сплавів на їхній основі, сплавів легованих елементами з високою пружністю пару, високореакційних металів, наприклад рідкоземельних металів. Крім того, відомі переплавні процеси (за винятком ПДП і ЕЛП із проміжною ємністю) не вирішують проблему утилізації дрібних і сипучих відходів титана і його сплавів, через обмеження введення цих відходів у шихту або електрод що витрачається.

Для зазначеної групи металів і сплавів найбільш оптимальним, є процес плавки заснований на застосуванні менше концентрованого джерела теплової енергії. Ці вимоги достатньо добре узгоджуються з можливостями індукційного джерела нагріву, що знаходить широке застосування в різноманітних областях техніки.

Технологічні можливості і індукційного джерела нагрівання лише частково реалізуються в плавильних тигельних печах, оскільки під час плавки рідкий метал контактує зі стінкою тигля і забруднюється продуктами реакції взаємодії. Інтенсивне перемішування металевого розплаву, у даному випадку, інтенсифікує цей процес.

Це обмежує застосування індукційних тигельних печей щодо переплаву і рафінування високореакційних металів і сплавів з їхньою участю, наприклад титана. Крім того, робоча температура плавки обмежена температурою дисоціації вогнетривких матеріалів, із яких виготовлений тигель.

Зазначені обставини обумовили актуальність робіт, пов'язаних із створенням нових технологій плавки і рафінування металів і сплавів, заснованих на індукційному нагріванні. Це дозволяє розширити області застосування індукційного джерела нагрівання в частині сортаменту металів і сплавів що переплавляються і забезпечить виплавку високоякісного металу.

Дійсна робота розвивалася в двох напрямках: визначення основних параметрів процесу ІПСК, розробка технологій і створення промислових зразків устаткування; розробка методів і технічних засобів для інтенсифікації плавки у великовантажних індукційних тигельних печах (ємністю не менше 1,0 тони) шляхом суміщення індукційного і плазмового нагрівання.

Таким чином, було охоплене достатньо велике коло засобів плавки і процесів, заснованих на індукційному нагріванні.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася по темах ДКНТ і відомчим НАН України: 0.08.10 «Розробити технологію й устаткування для індукційної виплавки зливків чорних і кольорових металів у водоохолоджуваному кристалізаторі і видати рекомендації по їхньому застосуванню в промисловості»; 05.42.08/130 «Розробити процес промислової переробки відходів титанового виробництва з одержанням зливка у високочастотному електромагнітному полі в секційному кристалізаторі»; 1.6.20/28 «Розробити і впровадити багатокомпонентні складнолеговані конструкційні, електротехнічні, сплави і технології їхнє одержання з застосуванням плазмового й інших хімічно чистих джерел нагрівання»; 7.12.20/199 «Розробити і впровадити технологію й устаткування для одержання і рафінування лігатур, що містять нікель і ванадій, із застосуванням плазмової і індукційної плавки в секційному кристалізаторі»; 1.6.1.20.34 «Дослідити процеси плазмово-індукційної плавки високореакційних, рідкісноземельних металів і сплавів та розробити технологію їх рециклювання і рафінування».

Крім того, виконувалися роботи по госпдоговорам із Всесоюзним інститутом авіаційних матеріалів (ВІАМ); Державним науково-дослідним і проектним інститутом рідкіснометалевої промисловості (ДІРІДМЕТ); Державним науково-дослідним і проектним інститутом по обробці кольорових металів (ДІПРОКМО) всі - м. Москва; заводом «Електросталь» (м. Електросталь, Московської обл.); Єкатеринбургським заводом по обробці кольорових металів (м. Єкатеринбург, Росія); Експериментальним заводом якісних сплавів (м. Мценск, Росія); Ленінабадським комбінатом рідкісних металів (Таджикистан); Киргизьким гірничо-металургійним комбінатом (Киргизстан); ПО «Запорожпромарматура» (м. Запоріжжя); Державним підприємством вакуумної металургії і конструкційних матеріалів «Рубін» (м. Харків) і ПО «Київтрактородеталь (м. Київ).

Мета і задачі досліджень. Мета дисертаційної роботи складалася в розробці нових методів і технологій плавки і рафінування металів і сплавів на основі процесу індукційної плавки в секційному кристалізаторі (ІПСК), розробка і створення плавильного устаткування для ИПСК, а також розробка технологій і технічних засобів для інтенсифікації плавки у відкритих і вакуумних печах шляхом суміщення індукційного і плазмового нагрівання.

Для досягнення поставленої цілі необхідно було вирішити такі задачі:

1. Вивчити особливості передачі енергії електромагнітного поля від індуктора до металевої ванни, що знаходиться в секційному охолоджуваному кристалізаторі.

2. Вивчити особливості теплообміну в системі індуктор-кристалізатор-завантаження і визначити складові теплового балансу процесу ІПСК у широкому температурному інтервалі.

3. Вивчити технологічні параметри й особливості ІПСК, включаючи плавлення витратних заготовок і грудкової шихти, формування металевої ванни і кристалізацію зливка у високочастотному електромагнітному полі.

4. Розробити методи і технологічні основи плавки і рафінування високореакційних металів і сплавів, у тому числі і відходів і створити промислове плавильне устаткування для ІПСК.

5. Розробити плазмово-дугові трьохфазні нагрівачі для інтенсифікації плавки у відкритих і вакуумних індукційних печах із ємністю тигля не менше 1,0 т.

6. Визначити теплові, металургійні і техніко-економічні показники роботи індукційних плавильних печей оснащених плазмово-дуговими нагрівачами змінного струму потужністю 300-450 кВт і розробити рекомендації по їх промисловому застосуванню.

Наукова новизна отриманих результатів

Розроблена фізична модель теплообміну в системі індуктор-кристалізатор-завантаження і методика досліджень, що дозволили визначити виділення тепла й електричні втрати в елементах системи.

Встановлена залежність між тепловими втратами в секційному кристалізаторі, температурою металевої ванни і висотою наплавленого зливка. Показано, що теплові втрати в кристалізаторі зростають при підвищенні температури металевої ванни і збільшенні висоти наплавленого зливка.

Встановлено взаємозв'язок технологічних режимів процесу ІПСК (електрична потужність і частота робочого струму) із геометричними і тепловими параметрами металевої ванни. При підвищенні частоти робочого струму, об'єм металевої ванни і її температура збільшуються. Запропоновані критерії оцінки геометричних параметрів відтиснутої частини ванни такі як коефіцієнт форми ванни і відносний об'єм ванни, що дозволяє робити порівняння параметрів ванни для різних діаметрів кристалізатора.

Встановлено та описано механізм утворення дефектів поверхні зливків і розроблені методи вилучення усадочної порожнини в головній частині зливка.

Визначені особливості й описано механізм плавлення витратних заготівок при ІПСК. Характерною рисою плавлення витратних заготівок при ІПСК є надзвичайно розвинута поверхня плівки рідкого металу на її частині, що оплавляється.

Визначені особливості виплавки гомогенних зливків із грудкової шихти при її порційній подачі та визначені оптимальні співвідношення між масою порції шихти, обсягом металевої ванни й інтервалом подачі порцій при виплавці зливків у секційних кристалізаторах різних діаметрів.

Встановлено кінетичні закономірності випару легкоплавких домішок, наприклад кальцію, із чорнових РЗМ (іттрія і неодима) в умовах ІПСК. Показано залежність швидкості випару кальцію від температури металевої ванни (в межах 1300-1900 К) тиску в плавильній камері від 50,5 до 101,0 кПа. Швидкість випару зростає при підвищенні температури ванни і зниженні тиски аргону в плавильній камері.

Визначена кінетика випару легуючих елементів із високою пружністю пару, наприклад цинку при переплаві латуні у відкритій і плазмово-індукційній печі. Встановлено, що додатковий плазмовий нагрів призводить до інтенсифікації процесу випару. Швидкість випару цинку при плазмово-індукційній плавці в 1,7 разу вище, ніж при відкритій індукційній плавці.

Практична цінність. Розроблено промислові технології індукційної плавки з формуванням зливка в секційному кристалізаторі щодо переплаву відходів із титанового сплаву ОТ4-2 (технологія і дослідно-промислова установка ОП117 упроваджені на київському заводі ім. І. Лепсе ПО «Київтрактородеталь»), відходів лігатури на основі ванадію, АВТУ (технологія і дослідно-промислова установка ОП151 упроваджені на Ленінабадському комбінаті рідкісних металів, (Таджикистан), промислових відходів платини і сплавів на її основі (технології і дослідно-промислові установки ОП154 упроваджені на Єкатеринбургському заводі по обробці кольорових металів у Росії і державному підприємстві «Рубін», м. Харків).

Розроблені дослідно-промислові установки ІПСК для виплавки зливків діаметром від 80 до 250 мм (ОП117, ОП139, ОП144, ОП151 і ОП154) і, у перспективі, діаметром до 400 мм (ОП146).

Розроблені плазмово-дугові нагрівачі змінного струму для інтенсифікації плавки у відкритих (ПДТУ-300 і ПДТУ-450) і вакуумних-індукційних (УП124) печах ємністю не менше 1000 кг, а також технології переплаву низькосортних відходів мідних сплавів (латунь і бронза) у печах із комбінованим плазмово-індукційним нагрівом і одержанням марочних сплавів для виливки промислової запірної арматури (ПО «Запоріжпромарматура», м. Запоріжжя).

На підставі результатів виконаних досліджень запропоновані конструкторські рішення і розроблені технологічні процеси (на рівні винаходів) для плавки і рафінування різноманітних металів і сплавів і, одержання нових металевих матеріалів з особливими функціональними властивостями.

Особистий внесок здобувача. Запропонована й обгрунтована схема процесу ІПСК з обмеженої по висоті кристалізатора плавильною зоною. Здобувач, у співавторстві й індивідуально, брав участь у розробці теоретичних основ нових процесів плавки, методик дослідження їх теплових і металургійних параметрів, а також технологій плавки і рафінування металів і сплавів на базі індукційного нагрівання.

Описано механізм плавлення витратних заготовок при ІПСК, механізм утворення дефектів поверхні зливків при їхній виплавці на токах низької частоти, запропоновані критерії оцінки геометричних параметрів відтиснутої частини металевої ванни. Запропоновані принципи і дані рекомендації щодо технологічних прийомів виведення усадочної порожнини в головній частині зливків при ІПСК.

Запропоновані концепції створення плазмово-дугових нагрівачів змінного струму для інтенсифікації плавки у відкритих і вакуумних індукційних печах із ємністю тигля не менше 1,0 т.

Брав участь у розробці принципових схем промислових плавильних установок для ІПСК, плазмово-дугових нагрівачів змінного струму і дослідних технологій, а також у роботах по промисловому впровадженню і дослідно-промисловому випробуванню плавильних печей і технологій.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати роботи були повідомлені:

на Всесоюзних конференціях по прогресивних методах плавки (м. Москва, 1986, 1993 р.);

на міжнародному конгресі по індукційному нагріву (м. Страсбург, 1991 р.);

на Всесоюзних конференціях по зварюванню і спецелектрометалургії (м. Київ, 1984, 1990 р.);

на міжнародній конференції по зварюванню і родинних технологіях (м. Київ,

1998 р.);

на міжнародній конференції «Спеціальна металургія: учора, сьогодні, завтра» (м. Київ, 2002 р.).

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи опубліковані в монографії, 35 статтях і захищені 17 авторськими свідоцтвами.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, загальних висновків і списку використаних літературних джерел із 256 найменувань. Основний зміст викладено на 337 сторінках машинописного тексту, включаючи 126 малюнків і 42 таблиці.

Основний зміст роботи

кристалізатор електромагнітний індуктор

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі, що необхідно було вирішувати в процесі досліджень і розробці промислових технологій, приведені наукові і практичні результати роботи.

Сучасні методи індукційної плавки і рафінування металів і сплавів. У першому розділі дисертації, на підставі аналізу технологічних характеристик і можливостей різноманітних джерел електронагріву показано, що індукційне джерело має унікальний комплекс технологічних можливостей.

Аналіз роботи індукційних тигельних печей показав, що ці агрегати достатньо продуктивні, мають гарну технологічну гнучкість і мають високі економічні показники. Проте, у силу того, що металевий розплав знаходиться під час плавки в тиглі з вогнетривкого матеріалу, він забруднюється продуктами реакції, що протікає між рідким металом і стінкою тигля. Тому, є обмеження по хімічному складі металів і сплавів, що переплавляються і температурі їх плавлення.

Іншою хибою індукційних тигельних печей є низький термічний КПД у період нагрівання і плавлення шихти, коли між шматками немає достатнього електричного контакту і індуктовані токи, при цьому, замикаються в кожному шматку окремо.

Задача усунення джерела забруднення рідкого металу при індукційній плавці вирішена в плавильних агрегатах із холодним тиглем (процес ІПХТ) або секційним кристалізатором (процес ІПСК). Сутність цих процесів полягає в тому, що замість тигля з вогнетривкого матеріалу використовується мідний тигель що прохолоджується або секційний кристалізатор, конструкція яких дозволяє передавати енергію електромагнітного поля від індуктора до металу що переплавляється. Розглянуті відмінні риси і технічні характеристики цих процесів.

Вітчизняний і закордонний досвід свідчать про те, що для інтенсифікації плавки в індукційних печах можуть бути використані відомі доробки і методи спеціальної електрометалургії, зокрема один із найбільш концентрованих і технологічних джерел теплової енергії - низькотемпературна дугова плазма. Відзначається, що для індукційних тигельних печей ємністю від 500 кг і вище переважне застосування плазмово-дугових нагрівачів змінного струму. Енергетичне устаткування для їх живлення більш просте і нагрів ванни більш рівномірний.

Проте, як показав аналіз літературних джерел, на початок виконання робіт із тематики ІПСК системні дослідження цього методу плавки не виконувались і потрібно було проведення комплексу дослідницьких, технологічних і конструкторських робіт для вивчення процесу ІПСК і його доведення до рівня промислового освоєння.

Значно краще складалися справи по плазмово-дуговій плавці. У ІЕЗ ім. Є.О. Патона був накопичений достатній досвід у конструюванні металургійних плазмотронів, створенні плазмово-дугових печей для виплавки зливків у охолоджуваному кристалізаторі і розробці різноманітних технологічних процесів заснованих на застосуванні плазмового нагріву. Тому з метою інтенсифікації плавки в індукційних тигельних печах ємністю біля 1,0 т необхідно було раніше створені дугові плазмотрони змінного струму адаптувати до умов роботи індукційних печей (відкритих і вакуумних).

На підставі узагальнення й аналізу відомостей, обгрунтовані доцільність і необхідність подальших досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень.

Дослідження теплових параметрів процесу індукційної плавки з формуванням зливка в секційному кристалізаторі

Механізм передачі енергії електромагнітного поля до металевої ванни при ІПСК відрізняється від звичайної індукційної тигельної плавки оскільки між індуктором і ванни знаходиться охолоджувана стінка секційного кристалізатора, що як показали результати досліджень, викривляє електромагнітне поле в плавильній зоні і виконує роль індуктора. На мал. 1 показана схема протікання електричних токів у системі индуктор-кристалізатор-завантаження (металева ванна).

Для визначення електричних втрат у секційному кристалізаторі і тепловиділення в завантаженні були розроблені водоохолоджувані макети завантаження, кожне з яких відповідає характерним для ІПСК варіантам процесу плавки. Макет, виконаний у вигляді параболоїда обертання (мал. 2 а), імітує відтиснуту частину металевої ванни в зоні індуктора і відповідає переплаву грудкової шихти. Циліндричний макет (мал. 2 б), імітує затравку і відповідає стартовому періоду плавки. Комбінований макет (мал. 2 в), відповідає переплаву витратної заготовки. Застосування водоохолоджуваних макетів дозволило виключити теплообмін між секційним кристалізатором і металевою ванною.

Кожний макет завантаження зібраний з окремих водоохолоджуваних кілець висотою 35 мм, виготовлених із немагнітної сталі. Кільця макетів, теплоізольовані одне від одного за допомогою прокладок.

Відносна величина тепловиділення в елементах системи індуктор-кристалізатор-завантаження практично не залежить від частоти робочого струму і потужності на індукторі і визначається, головним чином, формою завантаження (табл. 1). Найбільша частина тепла виділяється в циліндричному завантаженні (35…40%) і найменша - у завантаженні, що має форму параболоїда обертання (26…30%). З урахуванням відсутності теплообміну між кристалізатором і завантаженням, це свідчить про те, що електричний КПД системи в залежності від форми завантаження становить від 26% до 40%.

Таблиця 1. Розподіл тепловиділення в елементах системи індуктор-кристалізатор-завантаження

Вид макету	Раинд, кВт	f, кГц	Тепловиділення в елементах системи, %
			Індуктор	Кристалізатор	Завантаження
А	55…59	2,5	17,5…20	38…41,5	26,5…29
	57…62	8,0	18…21	39…42,5	27…30
Б	56…60	2,5	18…19,5	38,5…42	31…34
	56…58	8,0	17,5…21	37…41	30…34
В	56…59	2,5	20…22	38…41	36…38
	89…92	2,5	19…23	39…42	36…38
	69…72	8,0	19…22	38…39	36…40
	94…96	8,0	20…22	38,5…43	35…38,5

Визначено складового теплового балансу процесу ІПСК у широкому температурному інтервалі (від 1000 до 2000К), для чого були використані метали і сплави, що мають різну температуру плавлення - алюміній (температура металевої ванни 970-1000К), сплав Ti - 40% Al (температура ванни 1750-1780К) і титан (температура ванни 2010-2030К).

Зміна теплових втрат у секційному кристалізаторі в залежності від висоти наплавленого зливка приведене на мал. 3. Незважаючи на розходження абсолютних значень, характер зміни тепловиділення в кристалізаторі в залежності від висоти зливка однаковий у вивченому температурному інтервалі металевого розплаву.

Аналіз складових теплового балансу процесу ІПСК показав, що основна частка тепла виділяється у секційному кристаліаторі. В залежності від висоти наплавленого зливка і температури ванни теплові втрати в кристалізаторі можуть досягати 60…80%. Великий вплив на розмір теплових втрат у секційному кристалізаторі робить температура розплаву. Встановлено, що втрати зростають пропорційно підвищенню температури металевої ванни незалежно від висоти зливка (мал. 4).

Металургійні і технологічні особливості індукційної плавки з формуванням зливка в секційному кристалізаторі

Характерною рисою сучасних методів електроплавки з формуванням зливка в мідному охолоджуваному кристалізаторі є краплинне перенесення металу з торця витратного електрода або заготовки в металеву ванну, що знаходиться в кристалізаторі. При цьому кожному переплавному процесу властиві свої особливості плавлення витратного електрода (заготовки), що визначаються фізичними характеристиками застосовуваних джерел тепла і характером тепловиділення в плавильній зоні.

Особливості плавлення витратних заготовок. При ІПСК нижній кінець витратної заготовки вводиться у верхню зону індуктора і тепло необхідне для її плавлення виділяється в порівняно тонкому прошарку бічної поверхні. У результаті на бічній поверхні заготовки навпроти стиків секцій (зони з підвищеним рівнем напруженості електромагнітного поля) відбувається проплавлення подовжніх канавок, із яких рідкий метал стікає в металеву ванну, а на поверхні заготовки утворюються радіальні ребра (мал. 5). При подальшому нагріванні заготовки глибина і ширина проплавлених канавок збільшується, а товщина ребер відповідно, зменшується. Нарешті наступає такий момент, коли товщина ребер стає сумірною з подвійною глибиною проникнення струму в металі, тобто а2. При цьому, індуктовані струми, що протікають у поверхневому прошарку граней ребра, спрямовані назустріч один одному, взаємно гасяться і тепло в ребрах не виділяється (мал. 6). Виділення тепла відбувається на дні канавок, що призводить до їх подальшого радіального поглиблення.

Переплав що витратних заготовок із різних металів і сплавів (алюмінієвий сплав, сталь, титан і ін.) показав, що форма недогарків залежить від теплофізичних властивостей матеріалу що переплавляється. Недогарки заготовок з алюмінієвого сплаву, як правило, мають гладку конічну поверхню. При переплаві заготовок із металів, що мають високу температуру плавлення і порівняно не високу теплопровідність (сталь, титан), характерним є утворення на оплавленій частині витратної заготовки остова з тонких радіальних ребер.

Формування металевої ванни процесу ІПСК. Особливістю процесу ІПСК є те, що металева ванна, розташована в зоні індуктора, відтиснута від стінки кристалізатора електромагнітним полем і її верхня частина має куполоподібну форму близьку до параболоїда обертання (мал. 7).

Металеву ванну по висоті можна розділити на дві області: верхню, відтиснуту від стінки кристалізатора і нижню, що безпосередньо контактує з фронтом кристалізації зливка. Кожна з них відіграє різну роль у тепловому балансі процесу. У верхній частині ванни відбувається виділення тепла в результаті протікання в поверхневому бічному прошарку індуктивних струмів. У нижній частині ванни теплова енергія не виділяється, тому що вона розташована нижче індуктора й екранована гарнісажем біля стінки кристалізатора.

Результати виконаних досліджень показали, що основними технологічними параметрами, що впливають на відтиснення розплаву від стінки кристалізатора і металоємність ванни, є частота електричного робочого струму і потужність, що підводиться до індуктора (табл. 2). При підвищенні частоти робочого струму, ступінь відтиснення розплаву зменшується, що призводить до збільшення об'єму металевої ванни і підвищенню її температури.

В якості критерію оцінки ступеня відтиснення розплаву від стінки кристалізатора використовували, так званий коефіцієнт заповнення кристалізатора k, що являє собою відношення діаметра відтиснутої частини ванни на середині її висоти Dв_(0,5hв) до діаметра кристалізатора Dкр_., тобто k=Dв_(0,5hв)/Dкр_..

На підставі результатів досліджень і прийнятих критеріїв оцінки параметрів відтиснутої частини ванни описано механізм утворення дефектів поверхні в зливках ІПСК.

Таблиця 2. Геометричні параметри відтиснутої частини металевої ванни

D, мм	f, кГц	P, кВт	Параметри ванни
					K
Алюмінієвий сплав
105	2,5	90	1,0	0,22	0,31
		75	0,81	0,27	0,33
		55	0,64	0,32	0,36
	8,0	90	1,0	0,44	0,71
		76	0,82	0,53	0,82
		55	0,70	0,62	0,88
	66,0	90	1,0	0,58	0,75
		75	0,85	0,54	0,83
		57	0,72	0,65	0,89
200	2,5	200	0,44	0,37	0,62
		160	0,35	0,54	0,74
	8,0	200	0,43	0,58	0,80
		160	0,37	0,61	0,84
		135	0,33	0,68	0,88
Титан
105	2,5	135…140	1,0	0,32	0,43
		110…115	0,87	0,36	0,48
	8,0	135…140	0,97	0,54	0,64
		110…115	0,85	0,63	0,76

Виведення усадочної порожнини. Незалежне джерело нагрівання дозволяє достатньо гнучко управляти процесом кристалізації металу, що особливо важливо для формування структури головної частини зливка. Розроблені й описані методи виведення усадочної порожнини в зливках ІПСК. Основною умовою виплавки зливків із мінімальною усадочною порожниною, є зменшення об'єму металевої ванни на завершальному етапі плавки. При ІПСК не може бути виконано двома шляхами: поступовим зниженням потужності на індукторі і переміщенням металевої ванни з зони індуктора. При дотриманні оптимальних режимів можна забезпечити практично повне виведення усадочної порожнини (мал. 8).

Розробка промислових індукційних плавильних агрегатів із формуванням зливка в секційному кристалізаторі

По сукупності технологічних прийомів індукційні плавильні установки із секційним кристалізатором являють собою агрегати періодичної дії, у яких здійснюється порційна плавка металевої шихти або витратної заготовки і формування зливка в кристалізаторі шляхом його послідовного наплавлення з заданою швидкістю.

За принципом формування зливка установки ІПСК реалізуються по двох схемах: із витягуванням зливка з кристалізатора по ходу плавки і з наплавленням зливка в «глуходонний» кристалізатор.

У ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ розроблений ряд плавильних установок ІПСК, призначених для переплаву, як грудкової або сипучої шихти дрібних фракцій, так і витратних заготовок. Одні плавильні агрегати виконані за схемою, що передбачає витягування зливка в процесі плавки, інші - за схемою наплавлення його в глуходонний кристалізатор шляхом переміщення плавильної зони. У табл. 3 приведені основні технічні характеристики установок, розроблених у ІЕЗ ім. Є.О. Патона.

Для плавильних установок, що працюють за схемою з витягуванням зливка характерно наявність таких конструктивних елементів, як герметична охолоджувана плавильна камера і, порівняно не великий секційний кристалізатор, висота якого не перевищує півтора його діаметра. Наявність герметичної плавильної камери дозволяє в широких межах варіювати складом газового середовища і тиском під час плавки.

Таблиця 3. Основні технічні характеристики плавильних установок ІПСК

Технічний параметр	Установки з витягуванням зливка	Установки з наплавленням зливка в глуходонний кристалізатор
	ОП-139	ОП-144	ОП-117	ОП-151	ОП-154
Діаметр кристалізатора, мм Параметри зливка: довжина, мм маса, кг Кількість секцій в кристалізаторі, шт. Швидкість переміщення кристалізатора (витягування зливка), мм/мин.: Робоча Маршова Потужність живлення, кВт Частота робочого струму, кГц Продуктивність за рік, т	80; 120; 150 800 до 150 (по сталі) 12…16 2…20 150 250 8,0…10,0 до 70	60; 80; 100 800 до 60 (по титану) 12…16 2…20 150 160 66,0 до 40	220; 225 600 до 100 (по титану) 24 2…18 до 300 500 2,5 до 60	125; 150; 200 600 до 100 (по титану) 16…24 2…20 100 500 8,0…10,0 до 50	80 300 до 30 (по платині) 16 3…50 до 300 250 10,0 до 10

В установках, що працюють за схемою наплавлення зливка секційний кристалізатор виконує роль плавильної камери. Тому кристалізатори в установках цього типу дуже металоємні, складні по конструкції і трудоємкі у виготовленні. Такі установки, як правило, працюють без попереднього вакуумування робочого об'єму, а необхідна чистота газової атмосфери досягається промиванням робочого об'єму інертним газом.

В останні роки, на підставі накопиченого досвіду, в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона було розроблено технічне завдання і виконано ескізний проект установки УП-146 призначеної для виплавки зливків титана діаметром до 400 мм і масою до 1000 кг.

Основні переваги при використанні цієї установки в технологічному ланцюжку по виробництву титанового металопродукту такі: виключається операція пресування витратних електродів для ВДП; виплавка витратних електродів безпосередньо з губки, минаючи стадію пресування, дозволить одержувати титанові зливки з меншим утриманням газових і інших техногенних домішок;

дозволить залучити в переплав відходи машинобудівного комплексу (стружка, дрібна обрізь від прокату і т.ін.);

використовуючи дешеві некондиційні відходи титана, можна додатково налагодити виробництво феротитана.

Розробка промислових технологій виплавки зливків в агрегатах ІПСК і перспективи розвитку нових процесів

Важливою особливістю ІПСК є те, що кристалізація металу відбувається в електромагнітному полі великої інтенсивності, що викликає активне перемішування металевого розплаву. Інтенсивна циркуляція розплаву під час плавки забезпечує вирівнювання температури і хімічного складу в обсязі ванни, прискорює розплавлювання шихти й інтенсифікує процес взаємодії металу з рідким шлаком.

Утилізація відходів титанового сплаву ОТ4-2. Впроваджена на ПО «Київтрактородеталь» дослідно-промислова установка ОП-117 і технологія переплаву відходів титанового сплаву ОТ4-2 дозволили в умовах машинобудівного підприємства вирішити проблему утилізації власних відходів (10…12 т/рік) і повернення їх у металообіг підприємства. Отримані за технологією ІПСК зливки діаметром 220 мм цілком відповідають технічним умовам для сплаву цієї марки (табл. 4).

Втрати таких легуючих елементів як алюміній і марганець не перевищують 2,8% і 3,5% відповідно, при витримці сплаву в рідкому стані до 25 хв.

Таблиця 4. Вміст легуючих елементів і домішок у зливках сплаву ОТ4-2

Вид шихти	Легуючи елементи, %	Газові домішки, %	Твер-дість, НВ
	Al	Mn	[O]	[N]	[H]
Відходи не очищені	3,67	1,18	0,22…0,32	0,050…0,062	0,012…0,017	360…385
Відходи після дробеструйної очистки	То же	То же	0,218…0,242	0,034…0,044	0,010…0,012	265…275
Відходи після дробеструме-невої очистки і промивки	То же	То же	0,183…0,218	0,029…0,041	0,007…0,012	228…277
Вихідний метал	3,6…3,7	1,03…1,28	0,177…0,225	0,029…0,043	0,013…0,038	270…285
Регламент по ТУ	2,5…4,0	0,50…2,00	?0,30	?0,06	?0,015	?300

Рафінування відходів лігатури на основі ванадію. На підставі комплексу фізико-хімічних і технологічних досліджень, виконаних разом з інститутом ГІРІДМЕТ (м. Москва) і Ленінабадським комбінатом рідкісних металів (ЛКРМ, Таджикистан) розроблена промислова технологія переплаву лігатури, на основі ванадію, (АВТУ) із використанням процесу ІПСК. Дослідно-промислова установка ОП-151 і технологія переплаву лігатури АВТУ були впроваджені на ЛКРМ. Встановлено, що шляхом однократного переплаву можна одержувати з відходів кондиційний метал, що відповідає вимогам ТУ на цю лігатуру (табл. 5, мал. 9).

Таблиця 5. Хімічний склад лігатури АВТУ

Місце відбору проб	Легуючи елементи, %	Домішки, %
	V	Ti	C	Al	Si	Fe	Cu
Вих. метал	50,89	6,9	2,1	Оста-ннє	0,31	0,58	0,20
Зливок ІПСК в аргоні	50,60	6,8	2,1	То же	0,27	0,33	0,09
Зливок ІПСК, аргон + флюс	50,57	6,8	2,0	То же	0,25	0,24	0,08
Регламент по ТУ48-444183	47…53	6…9	1,8…3,5	То же	0,25…0,50	0,4…0,8	0,12…0,20

Рафінування чорнових РЗМ. При розробці технології рафінування чорнових РЗМ була вивчена кінетика випару кальцію при ІПСК ітрію і неодіму, як найбільш представницьких і дешевих металів цієї групи. Встановлено, що параметром, який багато в чому визначає кінетику рафінування РЗМ при ІПСК є температура металевої ванни, яка залежить від температури плавлення РЗМ. Чим вище ця температура, тим швидше відбувається випар кальцію з розплаву чорнового РЗМ (мал. 10). Тому система Y-Ca більш сприятлива для дистиляційного рафінування в порівнянні із системою Nd-Ca, оскільки температура плавлення ітрію дорівнює температурі кипіння кальцію, а у неодіма температура плавлення на 500 град. нижче.

На підставі отриманих даних була розроблена технологія рафінування чорнового ітрію, включаючи виплавку зливків із порціонною подачею шихти по ходу плавки. Продуктивність рафінуючого переплаву, що рафінує, на базі ІПСК у 3…4 рази перевищує прийнятий як основний в рідкіснометалевій підгалузі процес дугового рафінування.

Переплав відходів платини та сплавів на її основі. Розроблено технології і створені плавильні агрегати ІПСК для виплавки зливків із промислових відходів платини і сплавів на її основі. Плавильні установки ОП-154 із секційним кристалізатором діаметром 80 мм і технології переплаву цих відходів впроваджені на Єкатеринбургському заводі по обробці кольорових металів (Росія) і Харківському державному науково-виробничому підприємстві «Рубін», для виплавки зливків з відходів платини та її сплавів. По хімічному складу і якості металу зливки, що виплавляються відповідають вимогам стандарту (табл. 6).

Отримання швидкогартованих металевих матеріалів. На базі ІПСК розроблено процес одержання швидкогартованих металевих матеріалів у формі лусок, у якому індукційний переплав в секційному кристалізаторі поєднано з надшвидкою кристалізацією металу безпосередньо з розплаву, шляхом диспергування його за допомогою швидко обертового диска-кристалізатора (мал. 11).

Таблиця 6. Розподіл родію в зливках платинових сплавів після ІПСК

Марка сплаву	Висота зливка	Кількість родію ливках, %
		Низ	Середина	Верх	Регламент по ГОСТ13498-68
ПлРд7	250	6,87…6,96	6,85…6,89	6,83…6,92	6,7…7,3
ПлРд10	245	9,97…10,11	9,91…9,95	9,88…9,96	9,77…10,3
ПлРд20	230	19,82…19,90	19,85…19,93	19,83…19,95	19,6…20,4

Експериментальна перевірка процесу диспергуровання металевого розплаву різноманітних сплавів показала, що він дозволяє одержувати платівки лускатої форми (ПЛФ) товщиною 15…50 мкм при швидкості кристалізації металу 1·10⁶…1·10⁷ град./сек. Переконливо високі результати були отримані на зразках постійних магнітів, виготовлених із ПЛФ системи Nd-Fe-B. За рівнем коерцитивної сили вони більш ніж у два рази перевершують показники магнітів, отриманих по традиційній технології (14,0 Ке проти 5,7 Ке).

Розробка промислових процесів плазмово-індукційної плавки і створення плазмово-дугових нагрівачів змінного струму для індукційних печей великої ємкості

На підставі аналізу літературних даних і досвіду, накопиченого в ІЕЗ ім. Є.О. Патона по створенню плазмово-дугових нагрівачів змінного струму зроблений висновок, що для інтенсифікації плавки у великовантажних печах більш придатним для застосування є трифазна група дугових плазмотронів. Додатковий нагрів із застосуванням такої групи плазмотронів має низку переваг у порівнянні з одноплазмотронною схемою нагріву: по-перше, вона дозволяє відмовитися від застосування донного охолоджуваного електроду; по-друге, розосередити плазмовий нагрів по дзеркалу металевої ванни; і, по-третє, спрощується електроустаткування необхідне для роботи плазмотронів, оскільки відпадає необхідність у застосуванні вирівнювачів струму.

Плазмово-дугові трифазні устрої (ПДТУ) на базі трифазної групи плазмотронів можуть використовуватися для інтенсифікації плавки не тільки у відкритих, але і вакуумних індукційних печах. При розробці і створенні ПДТУ для вакуумних-індукційних печей необхідно виходити з таких передумов: устрій повинен бути не стаціонарним, а періодично встановлюваним на ВІП (через 3…5 плавок); конструкція його повинна забезпечувати введення трифазної групи плазмотронів у плавильну камеру в процесі плавки без її розгерметизації і воно повинно бути переносним, що дозволить обслуговувати декілька печей ВІП.

Для рішення задачі інтенсифікації плавки і збільшення служби тиглів у вакуумних-індукційних печах у ІЕЗ ім. Є.О. Патона було створено ПДТУ УП-124 і випробувано в роботі на промисловій печі ІСВ - 1,0 заводу «Електросталь» (Росія). Запас потужності плазмотронів дозволяє використовувати ПДТУ не тільки для оплавлення настилі, але і для інтенсифікації плавки. Схема устрою УП-124 показана на мал. 12, а його основні характеристики приведені в табл. 7.

Таблиця 7. Технічні характеристики ПДТУ УП-124

Назва показників	Величина
Кількість плазмотронів, шт.	3
Вид струму	Перемінний
Сумарна потужність плазмотронів, кВт.	450
Номінальна сила струму на одному плазмотроні, А	1500
Діапазон регулювання струму, А	700…1500
Напруга питаючої сети, В	380
Напруга х.х. іст. живлення, В	220
Діаметр шлюзової камери, мм	800
Хід штока з плазмотронами, мм	2700
Діаметр розпаду плазмотронів, мм	500…700
Кут повороту штока, град	120
Витрати охолоджуючої води, м /ч	8…10
Габаритні розміри, мм	1630Ч1310Ч5500

В ІЕЗ ім. Є.О. Патона були розроблені і прошли дослідно-промислову перевірку ПДТУ-300 і ПДТУ-450, які предназначені для інтенсифікації плавки у відкритих індукційних печах з ємкістю тигля 1,0 т. Основні технічні характеристики цих нагрівачів наведені в табл. 8.

Відмінність цих ПДТУ полягає не тільки в потужності застосованих плазмотронів, але й у компоновці основних вузлів і агрегатів. Трифазна група плазмотронів ПДТУ-300 змонтована на поворотній кришці, що закриває зверху тигель печі, а в ПДТУ-450 плазмотрони і приводи їхнього вертикального переміщення змонтовані на візку, що переміщається по рельсовому шляху, установленому на робочій площадці печі.

Таблиця 8. Технічні характеристики ПДТУ, призначені для роботи з відкритими індукційними печами

Найменування показників	ПДТУ-300	ПДТУ-450
Кількість плазмотронів, шт.	3	3
Сумарная потужність плазмотронів, кВт.	300	450
Номінальний струм на одному плазмотроні, А	750	1500
Диапазон регулювання робочого струму, А	150… 750	300… 1500
Витрати плазмообразуючого газу, м/ч	4…7	4…12
Витрати охладжуваної води, м/ч	8…10	9…12
Напруга, В	380	380
Тип джерала струму	А-1537	А-1474

ПДТУ-300 успішно пройшло дослідно-промислову перевірку на ПО «Запорожпромарматура» при переплаві відходів бронз і латуні. Результати перевірки показали, що в однотонній індукційній печі оснащеній плазмово-дуговим нагрівачем можна переплавляти шихту на 100% складену з відходів низького сорту (стружка і з'йоми), одержуючи при цьому метал, що по якості не поступається металу, виплавленому в ОІП із високоякісної шихти (табл. 9).

Таблиця 9. Механічні властивості мідних сплавів, виплавлених по різноманітних технологіях

Марка сплаву	Метод плавки	Склад шихти	ув, МПа	д, %	НВ, МПа
ЛЦ40С	ПІП	50% з'йоми + 50% стружка	260…270	25…28	980…1010
	ОІП	40% куск. відходи + 45% з'йоми + 15% стружки	225…228	22…24	800…820
	ГОСТ 177711-80		?200	?20	?800
Бр.ОЦС 4-4-2,5	ПІП	100% куск. відходи	194…196	13…14	607…615
	ОІП	То же	196…192	8…11	604…610
	ГОСТ 859-66		?180	?6	?588
Бр.АЖНМц 8,5-4-5-1,5	ПІП	100% куск. Відходи	621…634	18…22	1580…1610
	ОІП	То же	618…625	12…14	1560…1570
	ГОСТ 859-66		?588	?10	?1500

Встановлено, що в реальних умовах плазмово-індукційної плавки при переплаві відходів бронз і латуні, розкислення металу відбувається в перші 15…20 хв. після того як розплавиться шихта. Потім цей процес сповільнюється і після закінчення 25…30 хв. вміст кисню в металевій ванні практично не змінюється (мал. 13).

Додатковий плазмовий нагрів при переплаві латуні призводить до інтенсифікації процесу випару цинку. У реальних умовах плавки на промисловій однотонній індукційній печі оснащеній ПДТУ швидкість випару цинку в 1,7 разу вище, ніж у відкритій індукційній печі (ОІП). Проте в результаті того, що загальний час плавки при додатковому плазмово-дуговому нагріванні скорочується майже вдвічі, втрати цинку під час плазмово-дуговій плавці не перевищують показники ОІП.

При оптимальному виборі співвідношення потужностей на плазмотронах і індукторі (Р_пл. /Р_інд.) у різні періоди плавки питомі витрати електроенергії знижуються в середньому на 20%, а продуктивність печі зростає на 30…35%.

Загальні висновки

1. Виконано аналіз сучасного стану та узагальнено досвід промислового застосування індукційного нагрівання в різних галузях техніки. Показано, що індукційне джерело нагрівання має унікальний комплекс технологічних характеристик, що вигідно відрізняють його від інших джерел електронагріву. Проте, його можливості і переваги реалізуються в індукційних плавильних печах не повною мірою. Запропоновано нові технічні рішення які підвищують ефективність індукційної плавки - індукційний переплав у секційному кристалізаторі (ІПСК) і додатковий плазмовий нагрів за допомогою трифазної групи плазмотронів.

2. Розроблено схему теплообміну в системі індуктор-кристалізатор-завантаження, визначені електричні втрати в елементах цієї системи і складові теплового балансу процесу ІПСК у широкому температурному інтервалі (від 1000 К до 2000 К). Встановлено, що найбільш теплонавантаженим елементом плавильного модуля є секційний кристалізатор. В залежності від температури металевої ванни і висоти наплавленого зливка сумарні теплові втрати в секційному кристалізаторі складають не менше 60%.

3. Встановлено, що особливістю плавлення витратних заготовок при ІПСК є надзвичайно розвинута поверхня плівки рідкого металу на її частині, що оплавляється. Це обумовлено неоднорідністю електромагнітного поля в плавильній зоні і характером виділення тепла на бічній поверхні заготовки. Переплав заготовок з металів, що мають високу температуру плавлення і порівняно низьку теплопровідність (титан, сталь) супроводжується утворенням на оплавленій частині заготовок остова з радіальних ребер, що не розплавились і є «прозорі» для електромагнітного поля.

4. Вивчено особливості виплавки гомогенних зливків у кристалізаторах різних діаметрів із грудкової шихти при її порційній подачі і визначені оптимальні співвідношення між масою порції шихти обсягом металевої ванни і інтервалом подачі порцій.

5. Для процесу ІПСК характерним є відтиснення металевого розплаву від стінки кристалізатора в зоні, що обмежена висотою індуктора. Розроблено методики визначення конфігурації відтиснутої частини ванни і запропоновані критерії їхньої оцінки, що дозволяє проводити порівняння параметрів ванни при різних режимах процесу і діаметрах кристалізаторів.

6. На підставі експериментальних досліджень теплових, технологічних і електричних параметрів процесу ІПСК розроблені його наукові і технологічні засади, що дозволяють створювати промислові технології і устаткування для плавки і рафінування металів і сплавів.

7. В Інституті електрозварювання ім.Є.О. Патона НАН України розроблено декілька промислових плавильних установок із секційним кристалізатором діаметром від 80 мм до 400 мм, у яких реалізовані два принципи формування (виплавки) зливків: із витягуванням у процесі плавки і наплавленням шляхом переміщення плавильної зони уздовж кристалізатора. Частина установок були виготовлені (ОП-117, ОП-151 і ОП-154) і впроваджені на підприємствах різних галузей промисловості для переплаву і рафінування різних металовідходів.

8. Розроблено дослідно-промислові технології переплаву металовідходів, які були впроваджені або пройшли дослідно-промислову перевірку і результати яких підтвердили їх високу техніко-економічну ефективність:

- технологія переплаву відпрацьованих елементів ливарної оснастки з титанового сплаву ОТ4-2 на ПО «Київтрактородеталь» з річною продуктивністю 12-14 т;

- технологія рафінуючого переплаву лігатури на основі ванадію на Ленінабадському комбінаті рідкісних металів (республіка Таджикистан) з річною продуктивністю до 50 т;

- технологія виплавки зливків із відходів платини і сплавів на її основі (Єкатеринбургський завод ОКМ, Росія; Державне науково-виробниче підприємство «Рубін», м. Харків);

- технологія рафінування чорнових рідкісноземельних металів (Киргизький гірничо-металургійний комбінат).

9. На базі ІПСК розроблений процес одержання швидкогартованих металевих матеріалів, у якому індукційна плавка в секційному кристалізаторі сполучена з диспергуванням металевого розплаву. Експериментальна перевірка цього методу показала, що він дозволяє одержувати платівки лускоподібної форми товщиною 15…50 мкм при швидкості кристалізації 110⁶…110⁷град/с. Зразки постійних магнітів, виготовлені з швидкогартованого магнітного сплаву системи Nd-Fe-B, за рівнем коэрцитивної сили більш ніж у два рази перевершують показники магнітів із цього ж сплаву, отриманого по традиційній технології (14,0 к проти 5,7 к).

10. Стосовно інтенсифікації плавки в індукційних тигельних печах в Інституті електрозварювання ім.Є.О. Патона НАН України створені і випробувані в роботі на промислових печах із ємністю тигля 1,0 т три типи плазмово-дугових трифазних устроїв (ПДТУ) змінного струму потужністю 300 кВт і 450кВт. Два з них (ПДТУ-300 і ПДТУ-450) призначені для інтенсифікації плавки у відкритих індукційних печах, а ПДТУ

УП-124 для роботи на вакуумній-індукційній печі напівнепреривної дії.

11. Встановлено, що в однотонній індукційній печі оснащеної ПДТУ, можна переплавляти шихту на 100% складену з низькосортних відходів (з'йоми), одержуючи метал, який по якості не поступається металу виплавленому з шихти високої якості (ПО «Запорожпроарматура»). При цьому час плавки скорочується майже вдвічі, а питомі витрати електроенергії знижуються в середньому на 20…25%.

12. Додатковий плазмово-дуговий нагрів у вакуумній-індукційній печі, як показали результати промислового випробування ПДТУ УП-124 на заводі «Електросталь», дозволяє не тільки інтенсифікувати процес плавки, але і продовжити термін служби тиглів у середньому на 60…70%, завдяки оплавленню, так званих «комірів», що утворюються в умовах вакууму на стінці тигля вище рівня металевої ванни.

Основний зміст дисертації відображено в публікаціях

Sheiko I.V., Latash Yu.V. Induction Melting with an Ingot Formation in a Sectional Mould. Vol. 11. - Part 4, - Edited by Institute E.O. Paton. - 1999. - 99 p.

Патон Б.Е., Латаш Ю.В., Григоренко Г.М., Шейко И.В. Индукционный переплав в секционном охлаждаемом кристаллизаторе (ИПСК) // Спец. электрометаллургия. - 1981. - №43. - С. 110-119.

Баглай В.М., Шейко И.В., Яворский и др. Установка для индукционной выплавки слитков в секционном кристаллизаторе диаметром 200 мм // Спец. электрометаллургия. - 1982. - №50. - С. 89-94.

Латаш Ю.В., Шейко И.В., Бернадский В.Н. и др. Индукционный переплав титановых отходов в секционном охлаждаемом кристаллизаторе // Спец. электрометаллургия. - 1985. - №54. - С. 91-98.

Шейко И.В., Григоренко Г.М., Высоцкий Г.А. и др. Некоторые особенности плавления расходуемой заготовки в высокочастотном электромагнитном поле при ИПСК // Спец. электрометаллургия. - 1984. - №55. - С. 106-112.

Латаш Ю.В., Шейко И.В., Высоцкий Г.А. и др. Некоторые особенности формирования металлической ванны при индукционном переплаве металла в секционном кристаллизаторе (ИПСК) // Спец. электрометаллургия. - 1986. - №60. - С. 72-78.

Шейко И.В., Шахрай В.И., Латаш Ю.В., Степаненко В.В. Исследование испарения цинка при плазменно-индукционной плавке латуни // Проблемы спец. электрометаллургии. - 1987. - №1. - С. 56-59.

Латаш Ю.В., Шейко И.В., Коваленко А.А. и др. Плазменно-дуговое трехфазное устройство для вакуумно-индукционной печи // Спец. электрометаллургия. - 1988. - №66. - С. 91-98.

Шахрай В.И., Латаш Ю.В., Шейко И.В., и др. Переплав литейных отходов латуни и стружки в плазменно-индукционных печах // Проблемы спец. электрометаллургии. - 1987. - №2. - С. 66-70.

Шахрай В.И., Латаш Ю.В., Шейко И.В., и др. Исследование...