Електрошлаковий процес і технологія наплавлення дискретними матеріалами в струмопідвідному кристалізаторі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Спеціальність 05.03.06 - “Зварювання та споріднені технології”

Електрошлаковий процес і технологія наплавлення дискретними матеріалами в струмопідвідному кристалізаторі

Кусков Юрій Михайлович

Київ -- 2005

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор академік НАН України Ющенко Костянтин Андрійович Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України заст. директора

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кравцов Тимофій Григорович Азовський морський інститут Одеської національної морської академії директор

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Шевцов Віктор Львович Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України старший науковий співробітник

доктор технічних наук, професор Кузнєцов Валерій Дмитрович Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, зварювальний факультет зав. кафедрою

Провідна установа: Приазовський державний технічний університет (ПДТУ) Міністерства освіти і науки України м. Маріуполь

Учений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук Киреєв Л.С.

Анотація

Кусков. Ю.М. Електрошлаковий процес і технологія наплавлення дискретними матеріалами у струмопідвідному кристалізаторі.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 "Зварювання та споріднені технології" - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2004.

Робота присвячена вирішенню завдання підвищення ефективності і конкурентоспроможності сучасного прокатного виробництва завдяки використанню високопродуктивних технологій, що базуються на електрошлаковому процесі.

Створений новий технологічний напрямок в електрошлакових технологіях виготовлення нових і відновлювання спрацьованих прокатних валків практично будь-якого хімічного складу з використанням як наплавочного матеріалу дискретної присадки у вигляді дробу і невитрачаємого водоохолоджуваного секційного електроду-кристалізатора.

Виконане комплексне дослідження електрошлакового процесу і запропонованої технології, починаючи від розроблення оптимальної конструкції кристалізатора і оцінки його експлуатаційної довговічності до вивчення фізико-металургічних, теплофізичних, електротехнічних і магнітних явищ, що протікають при наплавленні, показані методи управління цими явищами з метою одержання якісних біметалічних виробів.

Проведені дослідження дозволили науково обґрунтувати всі етапи виконання технологічного процесу наплавлення в промислових умовах і створити банк конструкторсько-технологічних даних для проектування спеціалізованих наплавочних установок і одержання біметалічних валків практично всіх розмірів, використовуваних в прокатному виробництві.

Ключові слова: прокатні валки, електрошлакове наплавлення, дріб, струмопідвідний кристалізатор.

Abstract

Kuskov Yu.M. Electroslag process and cladding technology using discrete materials and current-conducting mould.

Thesis for the doctor of technical sciences degree in speciality 05.03.06 "Welding and Related Technologies" - E.O.Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine, Kyiv, 2004.

The work addresses the problem of increasing efficiency and competitiveness of modern rolling mill machinery through using high-productivity technologies based on the electroslag process.

The new technological area has been formed in the field of electroslag technologies for making new and reconditioning worn-out rolls of any chemical composition using discrete fillers in the form of grit and non-consumable water-cooled sectional electrode moulds as a surfacing material.

Comprehensive research has been conducted to study the electroslag process and the technology suggested, starting from development of an optimal design of the mould and estimation of its service life up to investigation of physical-metallurgical, thermal-physical, electrotechnical and magnetic phenomena occurring during surfacing. Methods have been identified, enabling control of these phenomena with a target to provide sound bimetal products.

The investigations conducted allowed all stages of application of the surfacing process under industrial conditions to be scientifically grounded, as well as the engineering and design data bank to be generated to design specialised surfacing machines and produce bimetal rolling-mill rolls of any dimension.

Key words: rolling-mill rolls, electroslag surfacing, grit, current-conducting mould.

Аннотация

Кусков Ю.М. Электрошлаковый процесс и технология наплавки дискретными материалами в токоподводящем кристаллизаторе.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 "Сварка и родственные технологии" - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2004.

Работа посвящена решению задачи повышения качества наплавленных изделий цилиндрической формы, в частности прокатных валков благодаря использованию высокопроизводительных технологий, базирующихся на электрошлаковом процессе. В результате комплексных физико-металлургических, теплотехнических, инженерно-технологических и конструкторских исследований создано новое технологическое направление в электрошлаковых технологиях получения биметаллических прокатных валков практически любого химического состава, вобравшее в себя лучшие современные достижения в области целенаправленного управления процессом кристаллизации наплавленного металла и формирования качественного биметаллического соединения.

Новая технология основана на использовании в качестве наплавочного материала некомпактной присадки в виде дроби и нерасходуемого водоохлаждаемого секционного электрода-кристаллизатора, названного токоподводящим кристаллизатором (ТПК).

Впервые научно обоснована и разработана оптимальная конструкция многосекционного ТПК и установлены основные закономерности ее долговременного функционирования.

Изучены особенности протекания в этом устройстве электрошлакового процесса и определены оптимальные условия его стабильности в течение продолжительного времени наплавки.

Исследованы тепловые, электрические, физико-химические и электромагнитные явления, происходящие при наплавке в ТПК, и определены методы управления ими путем изменения конструкции кристаллизатора и технологических параметров наплавки.

Изучен процесс переноса в шлаковой ванне наплавочной дроби различного фракционного состава и рекомендован для наплавки оптимальный размер присадки. Предложены методы, позволившие использовать при наплавке дробь большого размера за счет повышения скорости вращения шлака в горизонтальной плоскости и перевода одностадийного процесса переноса дроби в даухстадийный - свободный перенос в шлаке и скольжение по стенке кристаллизатора. Это позволяет упростить технологию производства дроби и значительно снизить ее стоимость.

Предложены и разработаны рациональные способы производства дроби и ее дозирования, обеспечивающие бесперебойную непрерывную подачу присадки и оптимальное ее введение в шлаковую ванну.

Разработаны флюсы для наплавки стальной и чугунной дробью, обеспечивающие быстрое наведение шлаковой ванны, стабильный электрошлаковый процесс, достаточное для расплавления дроби тепловыделение в шлаковой ванне и обладающие минимальным изменением химического состава в течение продолжительной наплавки.

Исследован процесс кристаллизации наплавляемого металла в условиях ввода в металлическую ванну твердых или расплавленных частиц дроби и оценена возможность использования при прокате валков с армированным рабочим слоем.

В результате выполненных комплексных исследований разработаны научные и технологические основы промышленной электрошлаковой технологии получения биметаллических прокатных валков различного химического состава: разработана конструкторская документация на специализированные наплавочные комплексы нового поколения.

Разработанная технология прошла опытно-промышленную проверку и эксплуатационные испытания стальных и чугунных наплавленных валков станов горячей прокатки 300, 250, 350-1, 2000 с диаметром бочки от 400 до 1000 мм на Макеевском, Криворожском и Новолипецком металлургических комбинатах.

Ключевые слова: прокатные валки, электрошлаковая наплавка, дробь, токоподводящий кристаллизатор.

1. Загальна характеристика роботи

електрошлаковий біметалічний наплавлення

Актуальність теми. В промисловості використовується велика кількість деталей і виробів з замкненою робочою поверхнею, схильних до підвищенного зношування в процесі експлуатації. Від їх стійкості залежить продуктивність і роботоспроможність пристроїв та механізмів, а також показники якості виробляємої продукції. До таких відповідальних виробів відносяться, наприклад, великогабаритні осі, вали різної форми, втулки, гільзи і т.і. Особливе місце займають прокатні валки.

Зростаючі вимоги до якості прокату, освоєння прокатки нових важкодеформуємих сталей і сплавів, а також інтенсифікація процесу прокатки і жорстка необхідність одержання конкурентоздатної продукції вимагає не тільки постійного удосконалення властивостей робочої поверхні валків, але й значного збільшення строку їх служби.

Досягненню цієї мети може служити використання технологій, що базуються на використанні електрошлакових процесів, зокрема електрошлакового наплавлення (ЕШН).

Відомо декілька способів відновлення і виготовлення прокатних валків методом ЕШН. Це наплавлення дротами, стрічками, електродами великого перерізу (у вигляді стрижнів, труб), рідким присадним металом.

В цьому ряді технологій особливе місце може зайняти розроблена в ІЕЗ ім. Є.О. Патона електрошлакова технологія наплавлення дискретним присадним матеріалом з використанням секційних водоохолоджуваних струмопідвідних кристалізаторів.

Значущисть і актуальність використання цієї технології у рішенні поставленого завдання визначається тим, що вона втілила в собі кращі сучасні досягнення в області цілеспрямованого управління теплофізичними, фізико-хімічними і кристалізаційними процесами одержання металу високої якості. Це оброблення наплавлюваного металу високоактивними рафінуючими шлаками, інокулюючий вплив на металічний розплав, що кристалізується, дискретної присадки, едектромагнітний вплив на перехід металу з рідкого стану в твердий і створення умов для регульованого охолодження утворюваної металічної ванни.

Технологія дозволяє також управляти якістю зони з'єднання основного і наплавленого металів за рахунок регулювання розподілу електричного струму в об'ємі шлакової ванни, змінення в ній теплових потоків, введення в шлак дискретної присадки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у відповідності до тем ДКНТ і НАН України: 0.72.032/20/29 "Дослідити і розробити нові високопродуктивні способи наплавлення з використанням електрошлакового процесу, індукційного та аеродинамічного нагрівання, вивчити оптимальні технологічні способи"; 2/14 "Розроблення технологічного процесу і обладнання для електрошлакового наплавлення великих прокатних валків з використанням зернистого присадного матеріалу (литого чавунного дробу) і надання рекомендацій з їх використання на підприємствах Мінчермету СРСР і Мінтяжмашу", а також за госпдоговорами з Українським науково-дослідним інститутом металів МЧМ СРСР (№ 2029/29), Макіївським металургійним заводом МЧМ СРСР (№ 2772), Криворіжським металургійним заводом (№ 3290).

Мета роботи і завдання дослідження. Метою роботи є розроблення теорії процесу електрошлакового наплавлення великих об'ємів металу для одержання високоякісних біметалічних виробів, зокрема прокатних валків. Створення наукових основ електрошлакового процесу з використанням дискретних матеріалів і оптимізація секційних електродів-кристалізаторів для промислової високоефективної технології наплавлення.

Визначені такі завдання досліджень:

1. Вивчити електрошлаковий процес наплавлення в секційному струмопідвідному кристалізаторі (СПК) з наявністю в шлаковій ванні дисретної присадки, визначити оптимальні параметри, дослідити особливості формування робочого шару і регулювання проплавлення основного металу.

2. Визначити закономірності явищ, що протікають в робочій зоні СПК, оцінити їх вплив на роботоспроможність кристалізатора і сформулювати вимоги до його конструкції з метою підвищення стійкості проти електроерозії.

3. Дослідити теплові, електричні і електромагнітні процеси, що протікають при наплавленні в СПК, і визначити можливість їх регулювання через технологічні параметри.

4. Визначити вимоги до дискретної присадки і рекомендувати раціональні способи її виробництва. Вивчити кінетику руху присадки в шлаковій ванні, що обертається, і визначити вплив її розмірів і масової швидкості подавання на структуру, властивості наплавленого металу і зони сплавлення.

5. Розробити флюси для наплавлення присадками із сталі і чавуна, що забезпечують швидке наведення шлакової ванни, стабільний електрошлаковий процес, достатнє для розплавлення дробу тепловиділення в шлаковій ванні при мінімальному зміненні хімічного складу на протязі довготривалого наплавлення.

6. Створити високопродуктивну промислову технологію і обладнання для електрошлакового наплавлення великих об'ємів металу підвищеної якості на деталі і вироби з замкненою робочою поверхнею з чавуна і сталі, зокрема на великогабаритні осі, вали різної форми і призначення, прокатні валки, втулки, гільзи і т.і., а також видати рекомендації можливості використання існуючих джерел живлення.

7. Сформувати банк конструкторських і технологічних даних для різних технологій, що використовують розроблений електрошлаковий процес.

Об'єкт дослідження. Процеси, що протікають при електрошлаковому наплавленні дискретними матеріалами в струмопідвідному кристалізаторі, і їх вплив на якість наплавлених виробів.

Предмет дослідження. Спосіб електрошлакового наплавлення дискретними матеріалами в струмопідвідному кристалізаторі виробів замкненої форми, зокрема прокатних валків.

Методи дослідження. Для реалізації поставлених завдань проводились комплексні теоретичні і експериментальні дослідження всіх процесів, що характеризують пропонуємий спосіб наплавлення. Теоретичні дослідження включали фізичне і математичне моделювання електрошлакових, електромагнітних, теплових і гідродинамічних процесів, що протікають як в шлаковій ванні, так і в секціях кристалізатора. Експериментально досліджені кінетика руху дискретної присадки в шарі шлаку, що обертається, і вплив розмірів присадки і масової швидкості її подавання в шлак на характеристики наплавленого металу. Використовували методи хімічного, макро- і мікроструктурного аналізів наплавленого металу, а також методи оптичної мікроскопії.

Достовірність одержаних результатів, приведених в дисертації, підтверджується їх успішним використанням при ремонті прокатних валків діаметром від 400 до 1000 мм.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Установлено, що електрошлаковий процес наплавлення в СПК протікає в дві стадії. На початковій стадії для швидкого формування шлакової ванни і виключення виникнення в шлаці зон високої щільності струму і максимальної електроерозії кристалізатора треба використовувати змінний струм або постійний прямої полярності з подаванням на шлакову ванну напруги не менш за 45…55 В. Друга стадія характеризується сталим процесом при робочій напрузі, що складає 60…70 % від первинної. Сумарний струм збільшується із зменшенням відношення діаметрів токопровідної і формуючої секції кристалізатора і товщини наплавлюваного шару. Стабільність процесу і якість наплавлення досягається при розподіленні струму, що іде на металічну ванну, не менше за 25 % від струму, що іде на наплавлювану деталь.

2. Доведено, що конструкція водоохолоджуємого невитратного електроду у вигляді секційного струмопідвідного кристалізатора (СПК), дозволяє виключити жорстку залежність між швидкістю розплавлюваного матеріалу, формою і розмірами металічної ванни. Теоретично обґрунтовано і практично підтверджено, що токопровідну секцію кристалізатора треба виготовляти з діаметром, що на 5…30 % перевищує діаметри інших секцій, завдяки чому на 30 % зменшуються теплові навантаження на його стінки і приблизно в 1,4 рази підвищується довготривалість роботи СПК.

3. Вивчена кінетика руху дискретного матеріалу у вигляді гранул, частинок, зерен, дробу в шарі шлаку, що обертається. Експериментально показано, що внаслідок намороження шлаку на поверхні частинок швидкості їх переносу через шлак порівняно з розрахованими зменшуються в 5…10 разів. Це виключає виникнення дефектів типу несплавлювань в наплавленому металі. При регулюванні швидкості обертання шлакової ванни і її перевищенні більше 150 об/хв. процес переносу частинок змінюється, збільшується час їх перебування у шлаці, завдяки чому можно розширити (збільшити) фракційний склад використовуваємої при наплавленні присадки.

4. Установлено, що зносостійкість наплавленого хромистого чавуна можна підвищити в 1,2…1,3 рази за рахунок збільшення фракційного складу частинок від 1,6…2,5 мм до 2,5…3,5 мм і на 40…50 % при майже трикратному збільшенні масової швидкості введення присадки в шлакову ванну. Це пов'язано із зміненням структури металу, зокрема, розмір карбідів в цьому випадку зменшується не менше ніж в два рази. Порівняно з наплавленням компактним матеріалом величина зерна наплавленого металу типу швидкоріжучої сталі Р6М5 зменшується в три рази, що підвищує її пластичні властивості.

5. Створений принципово новий напрямок в технології електрошлакового наплавлення на розвинені замкнені поверхні сталевих і чавунних деталей, що дозволяє варіюванням електричним режимом наплавлення, складом, розміром, масовою швидкістю і зоною введення дискретної присадки, регулювати експлуатаційні характеристики наплавленого металу як по його товщині, так і по довжині наплавлюваної поверхні і формувати композиційні шари високої зносостійкості.

6. Розрахунковими методами показано і експериментально доведено, що розроблений спосіб наплавлення дозволяє наплавляти за один прохід шари металу завтовшки від 10 до 80 мм продуктивністю до 800 кг/год з долею участі основного металу в наплавленому, що не перевищує 10 %. Як наплавлюваний метал використовуються хромонікелеві і хромисті чавуни, евтектоїдні і швидкоріжучі сталі, сплави на нікелевій і мідній основі і тверді сплави.

Практичне значення і реалізація результатів роботи.

1. Запропоновані і захищені авторськими свідоцтвами на винаходи (20 а.с. і 1 позитивне рішення), патентами Російської Федерації (8 патентів) і України (1 патент) конструкція СПК і способи електрошлакового наплавлення в них.

2. На комбінаті "Криворіжсталь" виконані ремонтні наплавлення валків дрібносортного стану 300, що показали зменшення зношуванності до 2 разів і підвищення в 1,6 разів експлуатаційної стійкості. Розроблена і пройшла промислову перевірку на ВАТ "НЛМК" технологія відновлення електрошлаковим наплавленням високохромистим чавуном великогабаритних валків горячої прокатки масою 15 т широкополосного стану 2000.

3. Розроблені і захищені авторськими свідоцтвами на винаходи (3 а.с.) і патентом Російської Федерації наплавочні матеріали і флюс, використовувані для відновлення прокатних валків.

4. На ВАТ "НЛМК" підтверджена можливість використання для наплавлення прокатних валків існуючих електрошлакових печей з різними джерелами живлення постійним і змінним струмом.

5. Результати досліджень реалізовані при розробленні, проектуванні і створенні спеціалізованих наплавочних установок для відновлення прокатних валків з діаметром бочки від 400 до 1600 мм. Спеціалізовані установки захищені авторськими свідоцтвами на винаходи (4 а.с.).

Особистий вклад автора полягає в розробленні теоретичних і практичних основ відновлення прокатних валків електрошлаковим наплавленням з використанням струмопідвідних секційних кристалізаторів.

1. Основні результати роботи ОДНООСОБОВО викладені автором в 12 надрукованих роботах [13-16, 19, 21, 27, 28, 31-33, 45], в монографії [46] з часткою участі 90 %; і в 42 роботах частка автора складала не менше 35 %.

2. Запропоновані і науково обґрунтовані матеріали, розміри, форма і розміщення всіх елементів конструкції струмопідвідного кристалізатора і експериментально установлена оптимальна електрична схема його підключення, визначені умови стабільного здійснення електрошлакового процесу в кристалізаторі - [6, 9, 11-13, 15, 20, 29].

3. Розроблені методики і експериментально досліджений процесс переносу металічної присадки в шлаковій ванні, що обертається, запропоновані методи і пристрої регулювання обертання шлакової ванни в горизонтальній площині і установлений механізм переносу присадки у випадку використання підвищених швидкостей обертання шлаку; вивчений вплив хімічного складу присадки, її розмірів і масової швидкості введення в шлакову ванну на структуру і властивості наплавленого металу - [1, 2, 4, 14, 16, 42, 44].

4. За допомогою розробленої у співавторстві математичної моделі оцінені теплові і електричні процеси, що протікають в робочій зоні кристалізатора, і методи управління їми шляхом змінення конструкції кристалізатора і технологічних параметрів наплавлення; вивчені теплові умови плавлення дискретної присадки в шлаковій ванні - [36].

5. Установлений характер змінення основних енергетичних параметрів наплавлення - струму, напруги, питомої потужності від діаметру токопідвідного кристалізатора - [31, 46].

6. Вивчений процес оплавлення основного металу в зоні розміщення шлакової ванни, запропонована класифікація типів оплавлення і умови їх формування, оцінений вплив рівномірності розподілу температур на наплавлюваній поверхні на величину проплавлення і у співавторстві запропоновані функціональні схеми систем управління розміром і рівномірністю проплавлення - [22, 23, 27].

Автор приймав безпосередню участь в розробленні і створенні всіх складових нового електрошлакового процесу - наплавочної присадки, флюсів, дозуючих і електромагнітних пристроїв, наплавочного обладнання, технологічних операцій виконання наплавочних робіт - [3, 5, 7, 8, 10, 18 та ін.]; в створенні методик і проведенні експериментів, обробці їх результатів, в практичному підтвердженні результатів досліджень при промислових наплавленнях прокатних валків.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи були докладені і обговорені на міжнародних, національних, галузевих наукових конференціях, семінарах, з'їздах, включаючи Міжнародний і Всесоюзний семінари "Теоретичні та технологічні основи наплавлення" (Київ, ІЕЗ ім. Є.О. Патона, 1977-1989 р.р.); Всесоюзні науково-технічні семінари "Сучасні способи наплавлення і їх використання" (Київ, 1982 р.), "Наплавлення зносостійких і жаростійких сталей і сплавів. Наплавочні матеріали" (Севастополь, 1983 р.), "Нові процеси наплавлення, властивості наплавленого металу і перехідної зони" (Алма-Ата, 1984 р.), "Наплавлення при виготовленні деталей машин і механізмів" (Волгоград, 1986 р.), "Обладнання і матеріали для наплавлення" (Краматорськ, 1990 р.), "Наплавлений метал, склад, структура, властивості" (Волгоград, 1991 р.; Жданів, 1992 р.); науково-технічна конференція "Підвищення якості і ефективності процесів зварювання і наплавлення" (Жданів, 1983 р.); ІІІ Республіканська науково-технічна конференція "Сучасні методи наплавлення і наплавочні матеріали" (Харків, 1981 р.); IV Республіканська науково-технічна конференція "Сучасні методи наплавлення, зміцнюючі захисні покриття і використовуємі матеріали" (Харків, 1990 р.); Перший Всесоюзний з'їзд технологів-машинобудівників (Москва, 1989 р.); Всесоюзна науково-технічна конференція "Підвищення стійкості деталей машин і інструменту" (Москва, 1989 р.); семінари країн СНД "Теоретичні і технологічні основи наплавлення. Наплавлення-93" (Київ, 1993 р.), "Наплавлення-96" (Київ, 1996 р.); Міжнародна конференція "Сучасні проблеми зварювання і ресурсу конструкцій" (Київ, 2003 р.); Міжнародний науково-технічний семінар "Прогресивні технології зварювання в промисловості" (Київ, 2003 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 49 статей в науково-технічних журналах і збірниках наукових трудів, монографія, 7 тезисів доповідей на науково-практичних конференціях і семінарах, одержано 27 авторських свідоцтв і одне позитивне рішення СРСР, 8 патентів і одне позитивне рішення Російської Федерації, 1 патент України.

Структура і обсяг дисертації. Основний зміст викладений на 307 сторінках, список використовуваємої літератури з 322 назв на 22 стор. і Додаток на 20 стор. Робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, включаючи 147 рисунків, 37 таблиць і Додатку.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і завдання, які необхідно було вирішити в процесі досліджень і розроблення промислової технології, приведені наукові і практичні результати роботи, показаний особистий вклад автора у створення нового технологічного напрямку одержання валків прокатних станів за допомогою електрошлкового наплавлення.

Перший розділ присвячений оцінці сучасних високопродуктивних способів наплавлення прокатних валків у водоохолоджуваних цільних і секційних кристалізаторах. Показано, що перспективним є спосіб електрошлакового наплавлення з використанням секційного невитрачаємого електроду-кристалізатора і дискретної присадки у вигляді дробу. В зв'язку з цим був проведений аналіз існуючих схем секційних кристалізаторів, оцінені їх переваги і недоліки, виявлені раціональні рішення, які могли б бути враховані при оптимізації розроблюваної конструкції. Розглянуті електрофізичні і електрохімічні явища, що супроводжують роботу в шлаці токопровідної стінки кристалізатора і впливають на стабільність її розмірів і безвідмовну довготривалу роботу; проаналізовані електромагнітні процеси в шлаковій і металічній ваннах і можливості керування ними.

Всі використовувані в теперішній час секційні кристалізатори можна віднести до трьох функціонально різних груп: кристалізатори для формування наплавленого металу; пристрої, що є сімбіозом витратних і невитратних електродів і власне кристалізатора; невитратні електроди-кристалізатори для плавлення і формування металу.

Основна функція кристалізаторів першої групи - формувати наплавлений метал, а виконання у вигляді секційних пристроїв дозволяє вирішувати різні теплотехнічні завдання.

Поява кристалізаторів другої групи пов'язана з намаганням розширити технологічні можливості електрошлакового процесу. При цьому секційний кристалізатор забазпечує формування наплавленого металу, а електрошлаковий процес або вплив на його параметри здійснюють за допомогою витрачаємих і невитрачаємих електродів, конструктивно поєднаних з кристалізатором в єдиний цілий пристрій.

Пріоритет у створенні секційного струмопідвідного кристалізатора належить ІЕЗ ім. Є.О. Патона. Вперше невитрачаємий секційний електрод- кристалізатор без будь-яких додаткових електродів був запропонований на початку 60-х років минулого сторіччя співробітниками ІЕЗ ім. Є.О. Патона Ксьондзиком Г.В., Фруміним І. І. і Ширіним В.С. і запатентований в багатьох країнах. Розподіл в ньому фунцій підводу електричної енергії до шлакової ванни і введення в шлак переплавлюваної присадки досягався за рахунок використання в технологічному процесі різних електрично ізольованих між собою тугоплавкими прокладками 4 водоохолоджуваних секцій 1, 2, 3 кристалізатора. До верхньої секції 1, що проводить електричний струм, підведена напруга від джерела живлення; нижня секція 3 формує наплавлений метал; проміжна секція 2 слугує для збільшення відстані між секціями 1 і 3. Для виключення електроерозії верхньої секції вона має захисну термостійку футеровку 5, звичайно виконувану з графіту. При необхідності на зовнішньому боці кристалізатора може бути встановлений індуктор 6 для одержання обертання шлакової і металічної ванн.

Для початку роботи кристалізатора в ньому повинна бути створена шлакова ванна. Звичайно шлак розплавляється в окремій ємкості, потім заливається в кристалізатор, при цьому об'єм шлаку повинен бути таким, щоб їм перекривалися всі три секції. Як струмопровідне середовище він починає проводити струм від верхньої секції до піддону (наплавленому металу). Незалежно від електричних параметрів процесу в шлакову ванну подається дискретний матеріал (присадка), який розплавляючись в шлаці, кристалізується в наплавлений метал в нижній формуючій секції. Автори назвали розроблений ними пристрій "струмопідвідний кристалізатор" з абревіатурою СПК.

Головною особливістю СПК є наявність в ньому секції, до якої безпосередньо підведена робоча напруга від джерела живлення. Звичайно використовується змінний струм промислової частоти. В цьому полягає основна відмінність струмопідвідного кристалізатора від розглянутих вище секційних кристалізаторів, призначених для формування металу. В останніх по секціях кристалізатора може протікати лише частина загального (робочого) струму, хоч при певних умовах ця частина може досягати 30 і більше процентів.

Вивчаючи роботу звичайних кристалізаторів або водоохолоджуваних електродів, можно припустити характер явищ, що проходять біля струмопровідної стінки СПК, і орієнтовно оцінити ресурс експлуатації верхньої секції.

Стосовно до класичних ЕШП і ЕШЗ питанням нормального функціонування водоохолоджуваного електроду і явищам, що спостерігаються біля струмопровідного елементу, зануреного в шлак, присвячено ряд робіт. Дудко Д.А. і Рублевський І.М. було встановлено, що процес ЕШЗ з використанням флюсу АН-8 і мідного водоохолоджуваного електроду сталий і не викликає помітних змін поверхні електроду тільки при використанні струму прямої полярності, тобто коли нерозплавляємий електрод є катодом. Якщо змінити пряму полярність на зворотню, то електрошлаковий процес припиняється. Його відновлення можливе лише при використанні джерел живлення з спадною характеристикою при високій робочій напрузі (70 В і більше) і малому струмі. В цілому характер процесу на зворотній полярності порівняно з прямою помітно відрізняється. Навколо електроду виникає кільце іскрячих розрядів, що ярко світяться і межуються. Шлак погано змочує електрод, який занурений начебто у лунку. Як правило, електрод при такому процесі швидко руйнується. Пришвидчене руйнування спостерігається і на змінному струмі. Вважається, що причина спостерігаємих явищ пов'язана з протіканням процесів, аналогічних тим, що протікають при електролізі плавлених солей і супроводжуються так званим анодним ефектом, що характерізується виникненням дугових (іскрових) розрядів, які визивають ерозію поверхні електроду.

В.Л. Артамонов, Б.І. Медовар та ін. в експериментальних дослідженнях і реальних плавках при промисловому виробництві зливків ЕШП детально оцінили спостерігаємі явища з точки зору їх впливу на руйнування робочої поверхні кристалізаторів.

Було показано, що при використанні рухомих кристалізаторів, в яких шлакова ванна постійно знаходиться в контакті з однією і тією ж ділянкою стінки, швидкість зношування може досягати 200 мкм/год при середній щільності струму в зоні контакту шлаку зі стінкою кристалізатора 4 А/см², а максимальна абсолютна величина зносу в окремих місцях при 15-годинному плавленні складає 3 мм.

Б.І. Медоваром та ін. було також встановлено, що при ЕШП іскріння у стінки мідного водоохолоджуваного кристалізатора спостерігається лише при певній напрузі на шлаковій ванні і щільності струму на стінці, що залежать від складу шлаку і коефіцієнта заповнення кристалізатора. При зменшенні напруги між електродом і стінкою кристалізатора спостерігається не анодний розряд (іскріння), а точкове світіння шлаку, що свідчить про виникнення процессу, який умовно можна назвати мікрошлаковим. При цьому за рахунок виділення тепла в дуже малому об'ємі може виникати місцеве сплавлення стінки, особливо, якщо вона виготовлена з матеріалу з низькою температурою плавлення.

Таким чином, при функціонуванні в шлаці охолоджуємого струмопровідного елементу, як-то електрод, стінка цільного кристалізатора або стінка електрода- кристалізатора проходять складні явища електрохімічного і електрофізичного характеру, що ведуть не тільки до змін умов протікання електрошлакового процесу, але й сприяють зношуванню робочої поверхні токопровідної стінки.

Електрошлаковий процес характеризується наявністю магнітодинамічних течій. Електромагнітними силами, що діють в зоні наплавлення, можно керувати, досягаючи як технічних, так і економічних переваг. Найбільш поширеним способом такого керування є накладення на зону наплавлення зовнішнього магнітного поля, тобто поля, створюваного магнітними системами, розмішеними поза зоною наплавлення.

Ще на самому початку розвитку електрошлакового процесу Д.А. Дудко і І.М. Рублевським було запропоновано декілька схем, забезпечуючих примусове електромагнітне обертання зварювальної ванни завдяки використанню соленоїдів. при цьому вирішувалась задача досягнення рівномірного розподілу температури в об'ємі шлакової ванни. Це, в свою чергу, впливало на продуктивність електрошлакового процесу, величину проплавлення основного металу, форму і розміри металічної ванни, умови кристалізації наплавленого металу і, врешті, на якість одержуваного зливка або зварного чи біметалічного з'єднання.

Г.В. Ксьондзиком було запропоновано використовувати для обертання шлакової ванни верхню струмопровідну секцію кристалізатора, в якій це обертання протікає в горизонтальній площині.

Перші наплавки з використанням дослідних струмопідвідних кристалізаторів були виконані на основі результатів дослідних робіт, викладених автором в кандидатській дисертації. Була підтверджена принципова можливість і технологічність процесу при наплавленні відносно невеликих об'ємів металу.

В промисловості зросли вимоги до технологій відновлення і зміцнення виробів. Назріла необхідність наплавляти великі об'єми металлу на великогабаритні деталі. Розширилася номенклатура матеріалів у вигляді сталей і чавунів різного ступеню легування. Це вимагало значного збільшення часу наплавлення з більш жорсткими умовами експлуатації кристалізаторів. Підвищилися вимоги до процесу в частині забезпечення технологічних параметрів. Крім того, як показав досвід, використання раніше установлених закономірностей, заснованих на розрахункових методах переносу дискретних частинок в стаціонарній шлаковій ванні, не дозволяло одержувати якісне наплавлення.

Зросла актуальність і з'явилася необхідність одержання нових експериментальних даних, їх теоретичного обґрунтування і вироблення практичних рекомендацій для електрошлакового процесу наплавлення великих мас металу на відповідальні вироби замкнено форми.

Для створення надійної промислової технології наплавлення великих мас металу на відповідальні вироби замкненої форми треба було установити її оптимальні параметри, дослідити гідродинамічні, теплові, електричні і електромагнітні явища, що протікають при наплавленні в умовах введення в шлакову ванну, що обертається, дискретної присадки різного фракційного складу, і оптимізувати конструкцію СПК.

В другому розділі приведені дослідження по оптимізації багатосекційної конструкції і електричної схеми СПК. Особлива увага приділена підвищенню довговічності елементів СПК. Розглянуті електричні схеми і розроблені пристрої електромагнітного керування рухом шлакової ванни. Оцінені особливості протікання в розробленому кристалізаторі електрошлакового процесу, визначені умови, при яких стабільність процесу зберігається на протязі тривалого часу, встановлений характер формування проплавлення основного металу і впливу на нього обертання шлакової ванни.

Перші досліди во визначенню роботоздатності СПК були проведені як на постійному, так і змінному струмах. Був підтверджений раніше встановлений факт - процес на постійному струмі протікає тільки при прямій полярності (мінус на струмопровідній секції) з помітним руйнуванням (ерозія) струмопровідної стінки. Причому навіть на прямій полярності процес протікав лише на флюсах з визначеною електропровідністю. На змінному струмі електрошлаковий процес наплавлення можно було здійснювати на флюсах системи CaF₂-CaO-MgO-SiO₂-Al₂O₃. Велике значення для нормального ведення електрошлакового процесу мала величина напруги холостого ходу джерела живлення. При низьких її значеннях (менше 45 В) початок процесу був утруднений або неможливий.

Всі намагання запустити цей секційний пристрій в довготривалу і стабільну роботу шляхом змінення електричного режиму, складу флюсів, розмірів струмопровідної і проміжної секцій не давали позитивних результатів. Тому були виконані додаткові дослідження з використанням змінного струму, як найбільш простого і часто використовуваного для електрошлакових процесів виду струму, що не вимагає використання дорогих і складних спеціальних джерел живлення.

Спочатку було запропоновано підведення напруги здійснювати до струмопровідної і нижньої формуючої секції. При цьому забезпечувався хороше розігрівання шлаку у всьому його об'ємі. Але виникали труднощі з наведенням шлакової ванни і нормальним виконанням наплавлення. Наявність двох водоохолоджуваних електродів негативно відбивалося на стабільності електрошлакового процесу. Головним недоліком такої схеми підключення було те, що інтенсивно руйнувалася формуюча секція кристалізатора. Виконання її теж з захисною футеровкою, як і верхньої струмопровідної, значно ускладнювало конструкцію СПК. Було опробувані інші схеми підключення: проміжна сеція-піддон, нижня секція-піддон. Але всі вони не дали позитивного результату. Тому подальші дослідження проводили з підведенням напруги до струмопровідної секції і піддону.

В результаті проведених досліджень встановлені оптимальні розміри секцій кристалізатора. Діаметр струмопровідної секції може бути рівним або перевищувати діаметри інших секцій. Причому при наплавленні шару завтовшки 10…20 мм секція обов'язково повинна мати уширення для забезпечення стабільного протікання електрошлакового процесу. Висоту секції треба вибирати у межах 50…70 мм.

Висота проміжної секції повинна складати 25…30 мм для забезпечення технологічності її виготовлення і достатнього охолодження, при такій висоті секції досягається необхідне прогрівання металічної ванни, яка розміщається на оптимальній відстані від джерела струму - токопровідної секції. Висоту формуючої секції рекомендовано вибирати у межах 150…200 мм. В цьому випадку забезпечуються такі умови кристалізації металічної ванни, при яких виключаються проливання металу і шлаку при рухові кристалізатора під час наплавлення. Діаметр формуючої секції визначається з врахуванням припуску на усадку і механічну обробку наплавленого металу. Реально цей припуск складає 7…10 мм на сторону.

Стабільність електрошлакового процесу, якість формування наплавленого металу і його сплавлення з основним при наплавленні в розробленому кристалізаторі набагато визначається положенням рівня металічної ванни і особливо розподіленням струмів в шлаці. Тому струморозподіленню в шлаковій ванні була приділена велика увага.

Установлено, що оптимальному розподілу електричного струму в шлаковій ванні повинно відповідати додержування такого співвідношення:



Для уточнення процесів струморозподілення була розроблена "холодна" модель. Встановлено, що загальна сила струму збільшується із зменшенням відношення діаметрів струмопровідної (D_ш) секції і товщини наплавлюваного шару b при постійних діаметрі формуючої секції (D_кр) і напрузі. Величина струму має тенденцію до зменшення при збільшенні активної глибини шлакової ванни (h_аш), яка є частиною її повної глибини (h_ш).

Установлені граничні умови співідношення струмів, що ідуть на металічну ванну (І_м) і заготовку (І_з), для забезпечення якості формування наплавленого металу і зони його сплавлення з основним металом різного хімічного складу. Так, хороше формування наплавлюваного шару досягається при I_м/I_з не менше 0,25. При наплавленні на чавунну заготовку співвідношення I_м/I_з повинне бути меншим, ніж при наплавленні на сталеву, і орієнтовно складати 0,4…0,6.

Одержані співвідношення оформлені у вигляді номограми (рис. 3), за якою, знаючи товщину наплавлюваного шару і потрібну величину співвідношення I_м/I_з, знаходять оптимальну величину активної глибини шлакової ванни, при якій ці умови виконуються.

Проведені дослідження дозволили уточнити форму і розміри секцій. Так, при малій товщині наплавлюваного шару і відносно низькій температурі плавлення основного металу (чавун) D_ш повинне бути більше D_кр на 20…30 мм. В цьому випадку можна вести процес при більш високій напрузі без збільшення сили струму.

Наплавлення прокатних валків, особливо великогабаритних, може протікати декілька годин, тому збереження в незмінному вигляді всіх розмірів конструкції ТПК при довготривалому наплавленні дуже важливе. З іншого боку, струмопідвідний кристалізатор - це дорогий пристрій, і якщо ресурс його експлуатації невеликий, то така технологія наплавлення не придатна для промислового використання. Тому розглядали довговічність кожної секції окремо, з урахуванням умов їх експлуатації.

Найбільш вразливої з точки зору протікання ерозійних процесів є стінка водоохолод-жуваної струмопровідної секції. Підвищення її довговічності можна здійснювати двома способами. Виготовляти робочу поверхню секції з тугоплавких високотемпературних матеріалів, що мають, крім того, визначеним сполученням властивостей (підвищеними електро- і теплопровідністю, стійкістю в шлакових розплавах і ін.), або створювати ефективний захист стінки за допомогою легко відновлюваних тонкошарових покриттів або шару футеровки товщини, достатньої для виконання, як мінімум, разового наплавлення. Були випробувані різні технології нанесення тугоплавких матеріалів на робочу поверхню секції. Зокрема, електролітичне нанесення шару хрому завтовщки 0,4 мм, напилювання молібдену, паяння по внутрішньому діаметру секції вольфрамової фольги завтовшки 0,04 мм. Жоден з цих способів захисту секції в умовах протікання ерозійних процесів в агресивних шлаках не дозволив суттєво підвищити довговічність мідної робочої стінки. Спроба нанесення шляхом напилення двошарової композиції (мідь + оксид алюмінію) на стінку зі сталі Ст3 також не показало якихось переваг. Тому подальший спосіб захисту внутрішньої поверхні струмопровідної секціїї був направлений на використання захисних футеровок великої товщини на основі графіту.

Вибір саме таких матеріалів зумовлений їх високою стійкістю при робочих температурах (до 2000 ^оС), сприятливим поєднанням теплофізичних і механічних властивостей при підвищених температурах. Але використання графіту і графітоподібних матеріалів може приводити до навуглецювання наплавленого металу, і хоча при наплавленні звичайно використовують наплавочні метали і сплави з підвищенним вмістом вуглецю, всеж треба було уточнити вплив переходу вуглецю з футеровки на кінцевий склад наплавленого металу. Були проведені плавки заготівок з низьковуглецевої сталі ОХ17Т в секційному кристалізаторі з відбором проб шлаку і гарнісажної кірки по мірі наплавлення металу, а також виконаний хімічний аналіз металу зливка на різних його рівнях. Одержані результати свідчать про те, що невелике підвищення (17 %) вмісту вуглецю в даній частині зливка зумовлене навуглецюванням шлаку при його розплавленні і витримці в графітовому тиглі перед заливанням в кристалізатор. Що стосується графітової футеровки, то її вплив на перехід вуглецю в наплавлений метал не виявлений.

Перелік вуглеграфітових матеріалів досить великий, тому необхідно було запропонувати як захисну футеровку найбільш стійкі матеріали цього класу. Для цього були проведені експерименти, що дозволили в жорстких умовах досліду моделювати роботу футеровки токопровідної секції. Вивчалася стійкість графіту електродного, графіту дрібнозернистого марки ГР і силіційованого графіту. За результатами проведених іспитів для виготовлення футеровочних втулок рекомендований графіт марки ГР. Перспективне використання і силіційованого графіту за умови здешевлення його вартості.

Невід'ємною частиною секційного кристалізатора є його проміжна секція. Щоб визначити вимоги, що висуваються до неї з точки зору підвищення ресурсу її експлуатації, належало правильно оцінити умови її роботи. Ця секція, як і струмопровідна, контактує зі шлаковою ванною, але на відміну від останньої безпосередньо не підключена до джерела струму. Тим не менш через неї може проходити певна частина струму, величина якого буде визначати ерозійну стійкість секції і вибір оптимального її захисту від руйнування. Для виконання цього завдання було проведене моделювання на струмопровідному папері. Було встановлене, що величина струму, що приходиться на неї, складає 38 %. Особливо підвищена ймовірність протікання ерозійних процесів в зоні близького знаходження нижньої частини токопровідної секції і верху проміжної секції. Але в цій зоні, з іншого боку, спостерігається зменшення загальної напруги, що підводиться до шлакової ванни. Тому спеціального захисту секції від електроерозії виконувати не потрібно.

Формуюча секція, як показало електромоделювання, є практично неструмопровідною, а напруга у верхній її частині складає не більше 10…20 % загальної напруги, що підводиться до кристалізатора. Внаслідок цього протікання в ній помітних електроерозійних явищ малоймовірне.

Таким чином, в результаті комплексного дослідження особливостей роботи кожної з секцій СПК були запропоновані оптимальна конструкція і матеріали, із яких треба виготовляти струмопідвідний кристалізатор, а також встановлені науково обґрунтовані умови здійснення стабільного електрошлакового процесу. Багато з використаних рішень з оптимізації конструкції кристалізатора виконані на рівні винаходів, на що одержано 6 авторських свідоцтв СРСР і одне позитивне рішення, а також 4 патенти Російської Федерації.

Для підвищення ефективності процесу необхідно використати електромагнітний вплив. Недоліком існуючої електромагнітної системи було те, що вона функціонувала в умовах жорсткої залежності від використовуваємої при наплавленні робочої сили струму. Це викликало певні утруднення успішного її використання на різних етепах наплавлення. Наприклад, в початковий період при розведенні шлакової ванни, коли шлак охолоджений після його заливання в кристалізатор, а робочі струми це невеликі, важко забезпечити достатнє обертання шлакової ванни. Це, в свою чергу, впливає на виникнення локальних ерозійних процесів. Проблема стає більш серьозною при наплавленні валків великого діаметру, коли при використовуваємих зварювальних струмах виникаючі в шлаці пондемоторні сили не можуть придати йому достатньої швидкості обертання.

На основі вивчення гідродинамічних явищ в шлаковій ванні була установлена необхідність змінення швидкості обертання шлакової і металічної ванн.

При оптимізації розмірів і матеріалів СПК конструкцію всеж не можна вважати оптимальною, якщо в ній не буде реалізований у повній мірі вплив на електрошлаковий процесс електромагнітних явищ. Була запропонована схема додаткового впливу на магнітне поле кристалізатора. Її дія полягає в тому, що на існуюче магнітне поле одновиткового індуктора (струмопровідної секції кристалізатора) додатково накладається регулююче магнітне поле шляхом пропускання по кристалізатору струму підмагнічування від допоміжного джерела. Причому регулююче магнітне поле може багатократно збільшувати, зменшувати і реверсирувати результуюче поле кристалізатора. Перевірку цього технічного рішення здійснювали на розробленій "холодній" моделі, за допомогою якої було одержана сім'я регулюючих характеристик, які показують можливість такого регулювання за рахунок використання додаткового електромагнітного поля, регульованого по амплітуді і фазі. Результати проведених досліджень були використані при розробленні пристрою підмагнічування, з яким проведені дослідні наплавлення і одержані швидкості обертання шлаку, в два рази перевищуючі його природні оберти, причому питома вага енерговитрат на керування обертанням складає не бульще 15 % загального споживання енергії при електрошлаковому процесі.

Запропоновані і інші схеми регулювання швидкості обертання шлаку, виконані на рівні винаходів.

Однією з головних характеристик наплавлення є проплавлення основного металу. Установлено, що при наплавленні в СПК величина проплавленні може змінюватися від "нульового" до максимального значень, які перевищують 15…20 мм. Основними причинами росту проплавлення є наступні:

- при виникненні в шлаковій ванні умов (наприклад, низьке розміщення металічної ванни в формуючій секції кристалізатора), коли електричний опір проходженню струму на заготовку значно менше опору на ділянці струмопровідна секція СПК - металічна ванна;

- при виконанні наплавлень з введенням в шлакову ванну підвищеної електричної потужності;

- при збереженні незмінним електричного режиму наплавлення у випадку використання флюсу с більш низькою питомою електропровідністю;

- при неоптимальних швидкостях обертання шлаковоїх ванни.

Запропоновані функціональні схеми керування процесами наплавлення, що дозволяють автоматично змінювати величину проплавлення шляхом формування зворотнього зв'язку між ним і електричними параметрами наплавлення.

В третьому розділі досліджений за допомогою математичного моделювання вплив конструкції кристалізатора і технологічних параметрів наплавлення на розподіл в шлаковій ванні температур, теплових потоків, потенціалів і щільностей електричних струмів.

Для електрошлакового наплавлення з використанням дискретних присадних матеріалів і накладенням магнітних полів для перемішування шлакової ванни комп'ютерні моделі, які б враховували в комплексі електричні і теплові явища, за нашими даними, не розроблялися. Вирішення ж такого завдання дозволило б оцінити теплову обстановку в шлаковій ванні і на цій основі запропонувати для даного способу наплавлення методи багатофункціонального регулювання як продуктивності, так і якості наплавленого металу і зони сплавлення.

Розглядали двомірний стаціонарний тепловий стан плавильного простору з урахуванням ефективного (конвективного і променевого) теплообміну зовнішньої поверхні валка з середовищем з температурою 20 ^о С і відведення теплоти водою з тією ж температурою від секції кристалізатора. В запропонованій постановці задачі прийнято, що об'єкт має осьову симетрію, тому двомірна модель показана в циліндричній системі координат. Такий вибір симетрії задачі зв'язаний з тим, що обертання шлакової ванни забазпечує аксиальну гомогенізацію її властивостей. Крім того, присадний матеріал вводиться в шлакову ванну рівномірно по периметру верхньої секції кристалізатора.

...