Разработка технологии электрошлакового переплава сплава марки ЭИ 961

Разработка технологии электрошлакового переплава сплава марки ЭИ 961

Содержание Введение

1. Характеристика стали марки ЭИ 961

1.1 Химический состав и назначение стали марки ЭИ 961

1.2 Структура стали марки ЭИ 961

1.3 Дефекты стали марки ЭИ 961

2. Требования к металлу открытой выплавки

3. Анализ технологии выплавки стали марки ЭИ 961

3.1 Выплавка в мартеновской печи

3.2 Выплавка в электродуговых печах

3.3 Выплавка в открытых индукционных печах

4. Разработка технологии электрошлакового переплава стали марки ЭИ 961

4.1 Требования к исходному металлу для ЭШП

4.2 Требования к расходуемым электродам

4.3 Требования к флюсам

4.4 Подготовка печи к плавке

4.5 Проведение плавки

4.6 Охлаждение слитков ЭШП

4.7 Контроль качества слитков

4.8 Техника безопасности

5. Выбор оборудования и расчет технологических параметров

5.1 Расчёт геометрических размеров плавильного пространства

5.2 Расчёт теплового баланса монофилярной одноэлектродной печи ЭШП

5.3 Расчёт электрических параметров ЭШП

5.4 Расчёт материального баланса плавки

6. Требования к дальнейшему переделу Заключение Библиографический список

Сегодня без высококачественного металла технический прогресс просто невозможен. В конце пятидесятых начале шестидесятых годов в практику электрошлакового производства были внедрены новые способы улучшения качества металла. Широкое применение получил один из ведущих и перспективных технологических процессов в области специальной электрометаллургии электрошлаковый переплав.

Металл, подвергшийся электрошлаковому переплаву, отличается высокой чистотой по неметаллическим включениям, свободен от различного рода литейных дефектов ликвационного и усадочного происхождения, обладает высокой физической однородностью и чрезвычайно высокой плотностью структуры.

Электрошлаковый переплав является достаточно гибким процессом, так как, меняя сечение расходуемого электрода, состав применяемого флюса и его количество, а также электрические параметры процесса, удается довольно в широких пределах регулировать скорость плавки. Кроме того, при электрошлаковом процессе имеется возможность получения слитков разнообразного сечения (круглого, квадратного, прямоугольного с большим соотношением длин широкой и узкой сторон). Методом электрошлакового переплава можно получить отливки самой различной формой (полые заготовки, заготовки прокатных валков, сосудов высокого давления, крупной запорной арматуры высокого давления, заготовки коленчатых валов и шатунов судовых двигателей и некоторые другие изделия).

Основные преимущества электрошлакового переплава перед другими способами получения слитка методом переплава:

простота его обслуживания;

возможность управления наплавлением и скоростью кристаллизации слитка;

отсутствие усадочной раковины и пористости;

обеспечение такого качества поверхности, которое исключает необходимость в зачистке при горячей обработке;

разнообразная геометрия электродов и кристаллизаторов позволяет получать слитки разнообразного сечения, фасонные отливки и полые изделия;

хорошая рафинирующая способность процесса от неметаллических включений;

возможность корректировки химического состава металла путем применения соответствующего флюса;

повышение плотности металла;

улучшение коррозионной стойкости металла;

повышение однородности структуры и химического состава;

общее улучшение характеристик пластичности и вязкости металла;

возможность управления направлением и скоростью кристаллизации.

1. Характеристика стали ЭИ 961

1.1 Химический состав и назначение марки ЭИ 961[2]

Таблица 1 — Химический состав стали ЭИ 961

Назначение:

Диски компрессора, лопатки и другие нагруженные детали, работающие при температуре 600 °C.

В зависимости от основных свойств сталь относится к группе жаропрочных сталей, которые используется в условиях высоких температур в течение определённого времени, а также в условиях слабонапряжённого состояния.

Допускаемые отклонения по химическому составу.

Предельные отклонения не должны превышать указанные в таблице 2.

Таблица 2 — Предельные отклонения по химическому составу

Продолжение таблицы 2

1.2 Структура стали ЭИ 961

Данная марка стали относится к высокохромистым сталям, превращения в которых описываются диаграммой FеСrС. Их подразделяют на три большие группы в зависимости от содержания хрома. К первой группе относятся стали, содержащие до 10% Cr. Эти стали закаливаются на мартенсит. Стали, содержащие 10…13% Cr, помимо мартенсита, имеют в своей структуре феррит. Стали с содержанием хрома выше 13% не претерпевают фазовых превращений и относятся к сталям ферритного класса. Наиболее высокий уровень жаропрочности получен на сталях, содержащих до 10…13% Cr.

13Х11Н2В2МФ характеризуются комплексом свойств, которые отвечают весьма широкому диапазону требований. К этим свойствам можно отнести следующие:

высокую жаропрочность и пластичность в условиях длительной службы;

высокую стабильность структуры механических свойств при длительном старении под нагрузкой и без нее;

хорошую релаксационную стойкость;

высокое значение коэффициента линейного расширения при высоких значениях теплопроводности;

высокую технологичность в условиях металлургического и машиностроительного производства.

В высокохромистых сталях аустенит более устойчив чем в низколегированных сталях и мартенситные превращения наблюдаются при охлаждении из г-области на воздухе. Превращение аустенита наблюдается в двух областях. Первая область высокотемпературная, в которой выделяется феррит, вторая низкотемпературная, отвечающая мартенситному превращению. При этой следует отметить, что мартенситное превращение протекает при температуре на 100 °C ниже, чем в сталях с 8% Cr, благодаря чему структура стали имеет больше дефектов и более упрочнена. В структуре стали, охлажденной на воздухе, всегда присутствуют карбиды хрома. Так как данная марка стали имеет мартенситную структуру (количество ферритной фазы менее 10%), то она обладает более оптимальными жаропрочными свойствами, чем стали с мартенсито-ферритной или ферритной структурами.

Для обеспечения высоких стабильных в процессе длительной службы механически свойств 13Х11Н2В2МФ легируют дополнительно молибденом, вольфрамом, ванадием.

Изучение кинетики превращения аустенита, легированных перечисленными выше элементами, показало, что характер превращения принципиально не меняется, однако ферритная область сужается, а область мартенситных превращений снижается в сторону более низких температур. Наиболее существенное влияние легирующие элементы оказывают на превращения при отпуске, вызывая дисперсионное твердение старение. Старение совпадает по температурному интервалу с температурой высокого отпуска, поэтому применение обоих терминов равноправно. Рассмотрим влияние отдельных элементов на процесс старения. С целью получения высоких значений прочности хромистые стали содержат до 0,25% C. Наличие углерода существенно сказывается на фазовых превращениях. В присутствии углерода г-область смещается в сторону более высоких концентраций хрома и одновременно увеличивается температурный и концентрационный интервалы двухфазной области г+б. Помимо влияния на г-б-превращения углерод проявляет свое влияние через образование специальных карбидов с карбидообразующими элементами (W, Mo, V). Наиболее труднорастворимыми являются карбиды молибдена, вольфрама, титана и ниобия. Заметно растворяются такие карбиды при температурах выше 1150 °C. Самым неустойчивым является карбид ванадия, который переходит в твердый раствор при температурах около 900 °C. Карбиды молибдена и вольфрама переходят в твердый раствор при нагреве до 1150…1200 °C. Поскольку в сталях всегда присутствует азот, то нитридообразующий элемент (V), как правило, образуют не чисты карбиды или чисты нитриды, а соединения, представляющие собой твердый раствор карбидов и нитридов карбонитриды.

Основной компонент сталей хром; в зависимости от его количества он образует в сталях самостоятельные карбиды Ме₇С₃ и Ме₂₃С₆; сопротивление ползучести зависит от типа карбида. В стали 13Х11Н2В2МФ основным карбидом хрома является кубический карбид Cr₂₃С₆. Кубический карбид хрома оказывает положительное влияние на сопротивление ползучести и в связи с этим сталь обладает более высокими свойствами жаропрочности, по сравнению с марками стали имеющими до 10% хрома.

Карбид хрома Cr₂₃С₆ обладает широкой растворимостью по отношению к таким элементам, как железо, никель, молибден, вольфрам.

Введение

молибдена повышает температуру рекристаллизации г-твердых растворов и тормозит их разупрочнение.

Энергия активации самодиффузии железа или хрома увеличивается с повышением количества молибдена, добавляемого в сплав. Также с повышением жаропрочности происходит увеличение пластичности при кратковременных и длительных испытаниях.

Эффективность влияния вольфрама сказывается при высоких температурах (выше 750 °С), особенно на процессах разупрочнения наклепанного металла.

Введение

вольфрама повышает жаропрочные свойства при 800…900 °С.

Вольфрам имеет тенденцию к неравномерному распределению, повышенную склонность к ликвации. По этой причине вольфрам рекомендуется вводить вместе с молибденом.

Для увеличения сопротивления ползучести и дополнительного упрочнения за счет дисперсионного твердения в состав стали вводят такие элементы, как молибден, вольфрам, ванадий. Эти элементы образуют различные карбидные и карбонитридные фазы, а молибден, вольфрам используются и для интерметаллидного упрочнения за счет выделении из твердого раствора фаз Лавеса.

На жаропрочность также положительное влияет и фазовый состав стали, так как он содержит такие упрочняющие фазы как интерметаллиды Fe₂Mo, Fe₂(Mo, W). Отличительная особенность данных фаз их медленное выделение из твердого раствора и чрезвычайно медленный рост размера частиц, что способствует стабилизации механических свойств сталей при длительных изотермических выдержках. Характер выделение фаз Лавеса зависит от температуры старении. При старении до 600 °C происходит непрерывный распад, частицы фазы равномерно распределены в объеме зерна. С повышением температуры от 600 до 700 °C возрастает роль дефектов структуры. На дефектных местах решетки (границы зерен, линии сдвигов) фаза растет в объеме заметно быстрее, чем в центре зерен. Выше температуры 700 °C обнаружить стадию старения трудно. Характер выделении фаз Лавеса в зависимости от условий старения предопределяет и верхний температурный интервал применения стали.

Никель в указанных количествах не снижает жаропрочные свойства, а напротив несколько повышает их. Он влияет главным образом через расширение г-области при высоких температурах, благодари чему количество или вероятность образования б-феррита снижаются. Кроме того никель снижает мартенситную точку и критическую скорость закалки. Благодаря некоторому снижению мартенситной точки аустенит превращается в мартенсит при более низкой температуре и вклад субструктуры в повышение жаропрочности увеличивается. Кроме того, никель в б-фазе способствует возрастанию сопротивления разрушению, т. е. при введении никеля растет надежность металла.

Из исследований жаропрочных сталей известно, что наиболее сильное влияние в сталях с 10…13% Cr никель оказывает при содержании от 0,2 до 2%. Выше 2% влияние никеля мало заметно, поэтому все никельсодержащие хромистые стали отечественного производства имеют никель в пределах от 0,4 до 1,8%.

Сочетание легирующих элементов обеспечивает получение в стали после охлаждения на воздухе мартенситную структуру, причем содержание свободного феррита в зависимости от сочетания аустенитои ферритообразующих элементов колеблется от 3 до 6%.

Принципиально никельсодержащие стали по фазовому составу не отличаются от таковых без никеля, однако из-за большого вклада тонкой структуры в жаропрочность они относятся к числу наиболее жаропрочных в серии хромистых сталей.

1.3 Дефекты стали ЭИ 961

Наиболее часто встречающимся дефектом слитка являются плены и завороты на поверхности. Для удаления этих дефектов производят полную или частичную обдирку слитков на глубину 2…6 мм на токарных станках либо сплошную или выборочную зачистку на абразивных станках. На крупных слитках поверхностные дефекты удаляют огневым способом.

На поверхности слитков встречаются продольные и поперечные трещины. Продольные трещины наиболее часто встречаются на слитках круглого сечения. Отливка в слитки квадратного или прямоугольного сечения, снижение температуры металла и скорости разливки позволяют устранить трещины.

Термические продольные трещины устраняются путем обеспечения оптимального режима охлаждения и термообработки слитков.

Поперечные трещины, как правило, вызваны нарушениями в технологии подготовки и сборки изложниц, что приводит к зависанию слитков. При огневой зачистке этих слитков возникали дополнительные трещины, которые при прокатке приводили к грубым рванинам в слябах.

Для исключения трещин необходимо выдерживать оптимальные условия разливки (температура металла в ковше 1540…1560 °C, длительность наполнении тела слитка 120…150 сек, охлаждение слитков в изложницах не менее 12 ч) и применять микролегирование металла ферроцерием в количестве 1 кг/т.

Одним из серьезных дефектов поверхности слитков являются навары, образующиеся при быстрой разливке горячего металла, высохшей смазке и плохом качестве изложниц. Наиболее часто навары бывают в нижней части слитка. Чтобы их ликвидировать, необходимо своевременно убрать дефектные изложницы, строго регламентировать скорость разливки и температуру металла, повысить качество подготовки изложниц.

Данную марку стали нельзя разливать в новые изложницы, так как в них более высокое содержание углерода, чем в применявшихся изложницах, а температура плавления внутренних слоев сравнительно низкая.

При повышенном содержании в металле водорода, а также азота в слитке при кристаллизации образуются газовые пузыри. Их выявляют при обдирке слитков, когда они расположены близко от поверхности, или при контроле макроструктуры проката, где они имеют вид ликвационных пятен или сплюснутых трубочек (закатанных пузырей). Пузыри располагаются по сечению заготовки несимметрично. На микрошлифах вокруг пузырей обычно нет ликвационных загрязнений и структурной неоднородности.

Окислившиеся при прокатке газовые пузыри выявляются в виде поверхностных волосовидных трещин.

Критическое содержание водорода определяется массой слитка, перегревом металла и содержанием свободного азота в стали.

Как правило, дефекты расположены в верхней части слитка и ближе к одной из сторон. Образование газовых пузырей здесь облегчено меньшим металлостатическим давлением, наличием ликвации водорода и меньшей скоростью кристаллизации у стенок изложницы, расположенных ближе к центровой.

Образование дефекта и отбраковка металла возрастают в летнее время года, когда увеличивается абсолютная влажность воздуха и парциальное давление водяных паров и водорода в дуговой печи, влажность шлакообразующих материалов, ферросплавов и газообразного кислорода. Для уменьшения содержания водорода помимо общетехнологических мероприятий (сушки и прокалки материалов, замены извести известняком, осушки кислорода и т. п.), применяют продувку жидкого металла аргоном (в печи или в ковше). В результате продувки снижается содержание водорода в металле на 1…3 см³/100 г и практически полностью устраняется отбраковка металла по газовым пузырям.

2. Требования к металлу открытой выплавки

Электрошлаковому переплаву, как правило, подвергается металл конечного химического состава. При этом стремятся к тому, чтобы слиток имел тот же состав, что и электрод, исключая вредные примеси: серу, фосфор, кислород, азот, водород и др. В процессе ЭШП обеспечивается практически полное соответствие химического состава металла слитка и электрода по основным легирующим элементам. Даже такие элементы, как марганец и хром, склонные к испарению в условиях вакуумных переплавов, в случае ЭШП испаряются и окисляются незначительно, что практически не приводит к существенным изменениям состава металла. Некоторые затруднения при ЭШП возникают при содержании в переплавляемом металле легкоокисляющихся элементов, особенно при малом их содержании. Однако значительная гибкость процесса позволяет избежать этих трудностей и достичь оптимального уровня удаления примесей из металла.

Опыт получения стали методом ЭШП показал взаимосвязь технологии выплавки и разливки исходного металла с технологией ЭШП, так как только в этом случае обеспечивается максимальное улучшение качества металла. Процесс ЭШП протекает в условиях активного взаимодействия двух жидких фаз (металла и шлака) и газовой (атмосферы). Таким образом, как и при производстве стали других сталеплавильных агрегатах с участием шлака и воздуха, в процессе ЭШП может происходить окисление ряда легирующих элементов стали. Поскольку возможно протекание окислительных процессов при ЭШП, то необходимо введение специальных ограничений по элементам для электродного металла. Ограничения вводят таким образом, чтобы после переплава металл имел состав, определяемый ГОСТом. Как правило, при выплавке исходной стали увеличивают содержание кремния на 0,03…0,08%, ванадия на 0,02%, марганца на 0,03…0,05%. Изменения содержания остальных элементов при ЭШП практически не происходит.

Принципиальное значение для дальнейшего ЭШП имеют раскисленность исходной стали и особенно содержание в ней алюминия. Поскольку алюминий наиболее активно взаимодействует с кислородом воздуха, то в исходном металле необходимо некоторое избыточное содержание этого элемента. Концентрация алюминия в готовом металле зависит от состава флюса, применяемого при ЭШП, и некоторых других факторов (состава атмосферы, скорости наплавления, заглубления электрода, раскисления металла и шлака по ходу плавки и др.). Повышенное содержание алюминия в исходной стали для ЭШП обеспечивается увеличением вводимого кускового алюминия для конечного раскисления стали.

Содержание серы значительно уменьшается при ЭШП, а уровень ее допустимой концентрации по техническим условиям обычно достаточна высок (0,01…0,015%). Однако в ряде случаев ограничивают содержание серы в исходной стали, чтобы после ЭШП ее содержание обеспечивало выполнение других требований технических условий (размеры сульфидных включений, пластические свойства поперек волокна и др.). Чем ниже содержание серы в исходной стали и, следовательно, в переплавленной, тем меньше проявляется ликвационная неоднородность в крупных слитках ЭШП. Использование при ЭШП основных флюсов позволяет увеличить допустимое содержание серы в исходном металле.

Для повышения качества металла ЭШП используются внепечные способы рафинирующей обработки исходной стали. Применяют обработку исходного металла известково-глиноземистым синтетическим шлаком. Эффективность такой обработки заключается как в общем значительном уменьшении неметаллических включений и кислорода в стали, так и в формировании таких типов неметаллических включений (в основном алюминатов кальция), которые хорошо удаляются при ЭШП. Кроме того, данная технология позволяет стандартизировать качество металла от плавки к плавке, т. е. обеспечивает высокую воспроизводимость всего процесса. В условиях постоянно увеличивающейся массы выплавляемых слитков и соответственно продолжительности ЭШП целесообразно применение внепечного вакуумирования исходной стали. При такой обработке, помимо общего улучшения качества металла, достигается резкое снижение в стали содержания водорода, что очень важно, поскольку при ЭШП без принятия специальных мер содержание водорода в металле не снижается, а иногда даже возрастает. Таким образом, необходимо обеспечить низкое содержание водорода в исходном металле. Дегазация металла способствует также увеличению жидкотекучести металла при непрерывном литье заготовок или разливке в изложницы.

3. Анализ технологии выплавки стали марки ЭИ 961

Эксплуатационные свойства стали во многом зависят от технологии ее производства: чистоты применяемых шихтовых материалов, методов выплавки, условий разливки и кристаллизации, технологии горячей обработки давлением, условий механической обработки и последующей термической и химико-термической обработки. Несоблюдение хотя бы одного из элементов технологии обработки деталей может резко и отрицательно сказаться на эксплуатационной надежности деталей.

Данную марку стали выплавляют различными методами:

в мартеновских печах;

в электродуговых печах;

в вакуумных и открытых индукционных печах;

в электродуговых печах с расходуемым электродом под слоем специального шлака (электрошлаковый переплав);

Способы выплавки наряду с чистотой шихтовых материалов (отсутствие вредных примесей: свинца, олова, сурьмы, висмута, серы и др.) оказывают большое влияние на уровень жаропрочных свойств, а также и на стабильность этих свойств.

Поглощение при выплавке кислорода, азота и водорода одна из причин пониженной жаропрочности стали и ее плохой технологичности. Кислород, взаимодействуя с расплавленным металлом, образует трудно растворимые тугоплавкие окислы. Эти окислы при застывании обволакивают кристаллы металла и служат причиной образования плен.

Азот вреден тем, что, взаимодействуя с хромом и ванадием, образует тугоплавкие нитриды или карбонитриды, часто в виде ликвационных скоплений. Эти скопления ухудшают пластичность сплава при горячей обработке давлением и, следовательно, его технологичность.

В связи с этим, как правило, уделяют особое внимание полноте раскисления сплава, устранению контакта расплавленного металла с кислородом и азотом в процессе выплавки и разливки.

Это достигается различными способами: обработкой шлаками и особенно выплавкой и разливкой в вакууме, когда обеспечивается более полное удаление кислорода и азота из металла.

Независимо от способа выплавки стали в процессе расплавления шихтовых материалов (металлического лома, окислителей и шлакообразующих) из них в жидкий металл переходят такие вредные примеси, как сера и фосфор, а из окружающего воздуха кислород, водород и азот.

3.1 Выплавка в мартеновской печи

Технология выплавки стали в мартеновских печах не обеспечивает получения стали с минимальным содержанием вредных примесей и газов, так как для этих процессов характерна окислительная атмосфера в плавильном пространстве. Использование в мартеновских печах в качестве топлива мазута или природного газа с высоким содержанием серы ограничивают получение стали с концентрацией серы < 0,03%. Влажность атмосферы и применяемого топлива способствует насыщению стали водородом до содержаний 8…10 см³ на 100 г. Применение кислорода для ведения плавки в мартеновских печах способствуют окислению и переводу из металла в шлак таких элементов ванадий и хром. Происходит так называемый угар очень ценных элементов. В связи с этим в мартеновских печах экономически нецелесообразно получать данную марку стали. Температура мартеновского процесса недостаточна для расплавления тугоплавких компонентов, в частности ферровольфрама и ферромолибдена.

3.2 Выплавка в электродуговых печах

Дуговая электросталеплавильная печь имеет ряд существенных преимуществ перед другими сталеплавильными агрегатами. Превращение электрической энергии в тепловую позволяет получать в электропечах очень высокие температуры, при этом можно легко осуществить быстрое повышение и точное регулирование температуры металла. Содержание примесей (фосфора, серы и др.) в стали при выплавке в электропечах может достигать очень низких значений. Потери ценных легирующих элементов (марганца, хрома и др.) в процессе плавки сравнительно невелики (5…10% против 15…40% в мартеновских печах) и нет ограничений в содержании тугоплавких компонентов (вольфрама, молибдена и др.).

Дуговая сталеплавильная печь по существу единственный сталеплавильный агрегат, в котором можно выплавлять сталь с использованием металлизованных окатышей продукта прямого восстановления железа из руды. Доля металлизованных окатышей в шихте электропечей может достигать 80%. Доказано, что в стали, выплавленной в электропечах с использованием в шихте металлизованных железорудных материалов, содержится S < 0,02%, Р < 0,05%, Pb, Sn, Bi, Sb, As, Сu < 0,01%. В результате снижения содержания вредных примесей в стали она имеет более высокие технологические и механические свойства, чем сталь, полученная из обычного лома. Таким образом, одним из резервов повышения качества выплавляемой стали является частичная замена лома металлизованными окатышами в шихте дуговых печей.

Во втором периоде плавки и перед выпуском необходимо следить за тем, чтобы расплавленный металл не поглощал водорода из влажных шихтовых легирующих материалов, так как это способствует образованию пористости металла в слитках. Поэтому феррохром и металлический хром перед присадкой подогревают до красного каления; известь, ферросилиций и другие шихтовые материалы должны быть хорошо просушены.

Высокохромистый расплавленный металл сильно поглощает из атмосферы печи азот; поэтому азот в небольших количествах (0,03…0,06%) всегда присутствует в стали. При неблагоприятных условиях может поглощаться до 0,10…0,15% азота. Во избежание насыщения стали азотом поверхность расплавленного металла должна быть хорошо защищена шлаком.

Однако даже сталь полученная в электросталеплавильных печах имеет ряд недостатков. Это относится в основном к получению особоплотной и особочистой стали.

3.3 Выплавка в открытых индукционных печах

В индукционных сталеплавильных печах выплавляют наиболее качественные нержавеющие, жаропрочные и другие стали и сплавы. Емкость печей обычно колеблется от десятков килограммов до 30 т металла.

Под действием электромагнитного поля индуктора при плавке происходит интенсивная циркуляция жидкого металла, что способствует ускорению химических реакций, получению однородного по химическому составу металла, быстрому всплыванию неметаллических включений, выравниванию температуры.

Основными недостатками индукционных печей являются малая стойкость основной футеровки и низкая температура шлаков, которые нагреваются от металла. Удаление вредных примесей, таких как сера и фосфор, происходит не в полной мере, по причине «холодного» и вязкого шлака.

В том случае, если требуется особо высокое качество сплавов, их выплавляют в вакуумных индукционных, печах (в вакууме или в инертной атмосфере). В этом случае получают металл с низким содержанием кислорода, водорода, азота и серы, а также чистый по неметаллическим включениям. Такой металл характеризуется более высокими механическими и другими служебными свойствами, значительно легче подвергается деформации как в холодном, так и горячем состоянии, Особенно перспективна вакуумная плавка при производстве высоколегированных жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов с повышенным содержанием химически активных элементов (таких как алюминий, титан, цирконий и др.).

3.4 Вывод

Изучение влияния различных методов выплавки на свойства стали можно сделать следующие обобщения:

1. Различные методы выплавки: открытая дуговая плавка, открытая индукционная плавка, вакуумный дуговой переплав, вакуумный индукционный переплав и электрошлаковый переплав неоднозначно влияют на свойства жаропрочных сплавов. Это зависит от состава исходного материала и способа последующего переплава.

2. Как правило, вакуумный дуговой переплав не оказывает большого влияния на прочностные свойства сплавов, но повышает их пластичность, определяемую при кратковременных и длительных испытаниях при высоких температурах. Вакуумный дуговой переплав увеличивает технологическую пластичность при температурах горячей обработки сплавов давлением, что имеет большое значение для улучшения качества готовых деталей и повышения их однородности, улучшает качество деталей, способствуя устранению ликвационных скоплений.

4. Индукционной вакуумной плавкой получают металл высокого качества при условии подбора оптимального сечения слитка. Последнее необходимо для достижения соответствующей кристаллической структуры.

5. Электрошлаковый переплав повышает технологическую пластичность, уменьшается анизотропия свойств, уменьшается количество и размер неметаллических включений. Также улучшается качество поверхности слитка, его плотность и структура.

При оценке качества деталей, изготовленных различными способами, необходимо учитывать вес или размер слитков, степень горячей деформации, величину зерна или степень разнозернистости и строжайше соблюдать режимы горячей обработки давлением и термической обработки. Только при соблюдении этих условий можно получить преимущества от применения того или иного метода выплавки.

4. Разработка технологии электрошлакового переплава стали марки ЭИ 961

4.1 Требования к исходному металлу для ЭШП

Металл, назначенный на ЭШП, должен удовлетворять следующим требованиям:

1) Назначение металла на ЭШП производится производственным отделом завода.

2) Металл выплавлен в сталеплавильных агрегатах в соответствии с действующей нормативно-технической и технологической документацией, в том числе по химсоставу.

3) Плавки, имеющие предельное содержание элементов или отклонение по химсоставу, а также отклонения от установленной технологии, могут бы назначены для ЭШП с письменного разрешения главного инженера, заводской или цеховой комиссии по качеству.

4) Допускается ЭШП электродов, изготовленных из металла, выплавленного в сталеплавильных агрегатах других заводов.

4.2 Требования к расходуемым электродам

Для изготовления электродов для ЭШП применяются заготовки, отлитые на машине полунепрерывного литья заготовок (МПНЛЗ).

Профильразмер, длина и масса электродов для различных кристаллизаторов должны соответствовать требованиям.

На торце электрода должна быть маркировка номера плавки, литеры штанги и марки стали.

Кривизна электродов для ЭШП должна быть не более 5 мм на 1 м длины и не более 25 мм на всю длину электрода.

Поверхность электродов должна быть зачищена, ободрана или протравлена. При этом глубина выточек не должна превысить 20% диаметра или стороны квадрата электрода.

Электроды из высокохромистой стали (с содержанием хрома не менее 10%) при назначении для последующего вакуумного дугового переплава (ВДП), допускаются на ЭШП без предварительной сплошной зачистки или обточки после удаления поверхностных дефектов. Поверхность расходуемых электродов диаметром 300 мм, отлитых на МПНЛЗ, должна быть зачищена со стороны «ласточкиного хвоста» на расстояние не менее 200 мм от конца.

На поверхности электродов не допускается наличие ржавчины шлаковых включений диаметром более 10 мм, рванин, поперечных трещин, плен, продольных трещин шириной более 10 мм. Со стороны нижнего торца электрода допускается наличие поверхностных дефектов на расстоянии:

300 мм для электрода диаметром 190 мм,

150 мм для электрода диаметром 230 мм,

270 мм для электрода диаметром 300 мм,

150 мм для электрода квадратного сечения со стороной квадрата от 160 до 240 мм,

200 мм для электрода квадратного сечения со стороной квадрата 270 мм.

На электродах с МПНЛЗ диаметром 190 мм должен быть удален «ласточкин хвост» на расстоянии не менее 50 мм от конца, а на электродах диаметром 300 мм должна быть произведена обрезь длиной 400 мм со стороны усадочной раковины.

При выявлении на торцах электродов дефектов типа «свищи» или при наличии поверхностных пузырей глубиной 10 мм, а так же для удаления остатков жидкого стекла после подрезки на анодно-механических станках, расходуемые электроды должны передаваться на термообработку в термозачистное отделение.

Приварка электрододержателя к расходуемому электрода производится на установке А-550 или другим способом, обеспечивающим надежность сварного шва.

Приварка электрододержателя к расходуемому электроду производится со стороны, противоположной клейму, а для электродов с МПНЛЗ, к «ласточкиному хвосту» .

В случае приварки электрододержателя к торцу электрода, имеющем клеймо, а также к электродам с МПНЛЗ, подручный сталевар переноси: номер плавки и марку стали на боковую поверхность электрода краске в присутствии контролера ОТК.

Перед приваркой зазор между расходуемым электродом и электрододержателем должен составлять 30…60 мм в зависимости от профилеразмера электрода.

Для сварки электрододержателя и расходуемого электрода применяются сварочные и затравочные полоски, изготовленные из стали марки МЖ или марки 10.

После подготовки электродов к ЭШП сталевар и контролер ОТК проверяют прочность сварки (сплошность шва и пр.) подготовленных электродов, маркировку на электродах и делают отметку в «Книге учета расходуемых электродов» о их готовности к переплаву.

4.3 Требования к флюсам

Химический состав флюсов должен соответствовать техническим условиям ГОСТ 307 562 001.

С целью стандартизации шлакового режима ЭШП и проведения переплава каждой марки стали на флюсе оптимального химического состава допускается корректировка химического состава флюса АНФ6 и частичная замена его добавками глинозема, флюоритового концентрата или флюса АНФ1 из расчета содержания во флюсе Al₂O₃ не более 28%.

При добавках глинозема более 10% от общей массы флюса расплавление флюса производится графитовым, электродом.

Допускается проведение ЭШП с использованием механической смеси составляющих флюса АНФ6 при условии расплавления флюса графитовым электродом. Для компенсации частичного уноса глинозема при засыпке в кристаллизатор расчетное содержание его в смеси должно быть на 1…2% более, чем у стандартного флюса.

Допускается ЭШП сталей, не контролируемых на неметаллические включения, производить с применением 30% вторичного флюса и 70% свежего.

Вторичным флюсом считается флюс, полученный после ЭШП на свежем флюсе или на свежем флюсе с добавкой до 50% ранее использованного.

Допускается при ЭШП высокохромистых марок стали применение флюса, составленного из 50% свежего и 50% вторичного флюса.

Перед использованием вторичный флюс должен быть измельчен до фракции не более 30 мм и перемешан.

После размельчения флюса не реже, чем один раз в месяц отбирается проба массой не менее 100 г для определения химического состава.

Каждая партия флюса и вторичный флюс хранятся отдельно. В партию объединяются флюсы с разницей содержания глинозема не более 4%. В специальный журнал мастер записывает химсоставы и массу флюсов, объединенных в партию, присваивает ей номер и записывает усредненный химсостав. Номер партии и усредненный химсостав указывается сталеваром в плавильной карте первого слитка каждой плавки.

При засыпке в кристаллизатор может использоваться флюс различных партий при соответствии среднего химсостава требованиям ГОСТ 307 562 001. В плавильную карту в этом случае записываются номера партий, масса и химсостав флюса различных партий, а также среднее содержание глинозема.

Перед применением флюс прокаливается в термической печи H150 не менее 5 часов при температуре 700 °C. Толщина слоя флюса при прокаливании не должна превышать 300 мм.

Прокаливание компонентов флюса (флюоритовый концентрат и глинозем) производится по технологии прокаливания флюса, но высота слоя при прокаливании должна быть не более 160 мм.

Глинозем и флюоритовый концентрат должны быть использованы не позднее, чем через сутки после прокаливания, а флюс не позднее 3 суток.

При ЭШП на механической смеси составляющих флюса АНФ6 (флюоритовый концентрат и глинозем) и расплавления флюса графитовым электродом допускаются механическую смесь флюса не прокаливать.

При расплавлении флюса графитовым электродом допускается присадка свежеобожженной извести (не более 12 часов после обжига) до общего содержания СаО во флюсе не более 15%.

На коробках с прокаленным флюсом должны быть бирки с указанием номера партии, даты и времени конца прокаливания.

Запрещается использование флюса, загрязненного различными видимыми примесями (огнеупорами, стружкой и др.).

Для расплавления флюса используется экзотермическая смесь С2. Состав смеси: 16…20% порошка ПАМ3 или ПАМ4, остальное молотый флюс. Взамен последнего допускается применение вторичного флюса, флюса АНФ1 или флюоритового концентрата.

Во избежание увлажнения и порчи смесь С2 следует готовить в количестве, достаточном для работы в течение одних суток, и хранить в закрытой металлической таре в сухом месте.

Расход экзотермической смеси составляет 0,5…1,0 кг на слиток.

В качестве металлической перемычки для зажигания экзотермической смеси используется стружка или спиральная железная проволока диаметром 3…5 мм с диаметром спирали 20…30 мм и массой до 100 г.

На спирали и стружке не должно быть масла, грязи и ржавчины.

Для нашей технологии мы будем использовать флюс АНФ6. Флюс АНФ6 для сталей и сплавов обеспечивает десульфурацию. Шлак имеет функции: рафинирования металла от неметаллических включений, газов и вредных примесей, защита жидкого металла от вредного воздействия атмосферы, обеспечение чистой поверхности слитка, предупреждения возникновения кристаллических дефектов.

Содержание СаF₂ + Al₂O₃ обеспечивает высокое поверхностное натяжение, которое способствует лучшему отделению шлаковой корочки, предупреждает запутывание шлака в металле.

Фтористые шлаки обладают хорошей прилипаемостью к неметаллическим включениям. СаО в шлаке увеличивает десульфурирующую способность шлака; Al₂O₃ сопротивление шлака. Фторидные шлаки наиболее приемлемы для получения равномерного химического состава.

Флюс АНФ6 имеет достаточно низкую окислительную способность.

Хотя данный флюс в расплавленном состоянии имеет низкое электрическое сопротивление, что вызывает затруднение при нагреве шлаковой ванны до высокой температуры и сопровождается большим расходом электроэнергии, а также характеризуется низкой производительностью, он позволяет производить выплавку металла особо высокого качества.

4.4 Подготовка печи к плавке

На поддон устанавливается кристаллизатор. Графитовый электрод зажимается в клещевом электрододержателе и центруется по отношению к стенкам кристаллизатора.

Затем кристаллизатор поднимают.

На поддон равномерным слоем на площади, равной площади поперечного сечения графитового электрода, укладывается алюминиевый порошок.

Электрод опускается до металлической перемычки и прижимает ее к затравочной шайбе.

Расстояние от торца электрода до затравочной шайбы должно быть от 20 до 30 мм (контролируется по высоте перемычки).

Кристаллизатор опускают, устанавливают на поддон и центруют относительно электрода. С целью обеспечения хорошего электрического контакта между поддоном и кристаллизатором должен быть проложен медный шнур, фольга толщиной не более 6 мм или кристаллизатор с поддоном должен быть соединен специальными токоведущими перемычками.

После установки кристаллизатора сверху на поддон равномерным слоем засыпается флюс.

Перед включением установки ЭШП сталевар совместно с дежурным ремонтным персоналом должен осмотреть систему водяного охлаждения, механическое и электрическое оборудование (включая дозатор).

Эксплуатация установки ЭШП при наличии любой неисправности в работе механического или электрического оборудования, а также при наличии течи или парения воды в системе водяного охлаждения запрещается.

Пригодность установки ЭШП для проведения переплава определяется мастером по плавке и контролером ОТК, что подтверждается их подписями в плавильной карте.

4.5 Проведение плавки

Включение установки ЭШП производится сталеваром по разрешению дежурного электрика после включения подачи воды для охлаждения кристаллизатора и поддона. Подача воды производится не ранее, чем за 5 минут до включения установки.

Начальный период ЭШП (разведение процесса ЭШП) состоит из этапов расплавления флюса, начала плавления расходуемого электрода до появления ванны жидкого металла и выхода на основной электрический режим.

Расплавление флюса графитовым электродом производится в течение 20…30 минут при напряжении 60…70 B и силе тока 4…6 кА.

После расплавления флюса производится замена графитового электрода на расходуемый. Продолжительность замены не должна превышать 8 минут.

Плавление расходуемого электрода начинается при напряжении 50…70 В и силе тока 4…6 кА. За 20…30 минут после начала плавления расходуемого электрода, постепенным увеличением силы тока производится переход на основной электрический режим переплава.

В начальный период переплава допускается кратковременные (до 15 сек) колебания силы тока более 6 кА.

При необходимости доводки стали по химическому составу, производится раскисление жидкого шлака в процессе переплава смесью порошков первородного алюминия и 65…75% ферросилиция через дозатор.

Расход смеси и режим работы дозатора задается индивидуально для каждой плавки в зависимости от ее химического состава и составляет от 8 до 50 г/мин.

Присадка раскислительных смесей в автоматическом режиме работы дозатора начинается при расплавлении флюса графитовым электродом через 5 минут после замены его на расходуемый. Присадка смесей продолжается в течение всего времени переплава до начала выведения усадочной раковины.

В случае остановки работы дозатора раскислительная смесь дается вручную специальной маркой с рукояткой длиной не менее 500 мм из расчета 25…250 г каждые 3…5 минут.

При переплаве электродов, переданных на ЭШП в горячем состоянии не позднее 8 часов от конца разливки на МПНЛЗ, напряжение в процессе переплава снижается на 3…5 B от заданного.

В течение всего переплава допускаются отдельные кратковременные (не более 5 сек) броски силы тока величиной до 15% от заданного значения и нерегулируемые отклонения напряжения от заданных пределов не более чем на о минут.

При кратковременном отключении установки по аварийным причинам переплав допускается продолжить, но слитки должны быть назначены только для изготовления расходуемых электродов для повторного ЭШП или ВДП.

Перед выведением усадочной раковины дозатор отключают.

4.6 Охлаждение слитков ЭШП

Выдержка слитков после окончания переплава должна составлять около одного часа. После того как в рабочей полости кристаллизатора не осталось жидкой фазы, способной выливаться, производят извлечение готового слитка из кристаллизатора.

Раздевание слитка производят непосредственно подъемом кристаллизатора путем зацепления с верхней тележкой. Тщательно осматривают поверхность слитка.

Поверхность слитков, задаваемых в дальнейший передел, должна быть чистой, без каких-либо дефектов.

Охлаждение и термообработку слитков ЭШП должна производиться в термозачистном отделении ЭСПЦ в соответствии с техническими инструкциями.

4.7 Контроль качества слитков

Слитки, имеющие в деловой части дефекты в виде грубых пережимов, назначаются для повторного переплава или бракуются. Другие дефекты удаляются обдиркой или зачисткой. Так как слиток формируется в шлаковой оболочке (гарнисаже), то он имеет бездефектную поверхность.

Слитки перед отгрузкой должны дополнительно маркироваться маркой стали нанесением краски со стороны головной части, а также должны тщательно осматриваться мастером ТЗО и контроллером ОТК.

4.8 Техника безопасности

При выполнении работ, связанных с подготовкой и использованием материалов, механизмов ЭШП, инструмента и приспособлений, а также выполнении технологических операций при выплавке сталей и сплавов в электрошлаковых печах и выпуске их в ковш, должны соблюдаться требований инструкций по безопасности труда для подручных сталеваров и сталеваров установок ЭШП электросталеплавильного цеха.

5. Выбор оборудования и расчет технологических параметров Для данной марки стали была выбрана монофилярная печь Р951УШ, т.к. те недостатки которые она имеет перед бифилярными установками не существенны, а в целях экономии можно использовать универсальные установки, работающих как по монофилярной, так и по бифилярной схеме.

5.1 Расчёт геометрических размеров плавильного пространства Коэффициент формы слитка k_сл (k_сл =4…5) [9]:

k_сл =, (1)

где l_сл длина слитка, м;

l_о.сл определяющий размер сечения слитка, м.

Масса слитка m₀, кг :

(2)

где d_т плотность стали (d_т = 7,8 т/мі);

S_осн площадь основания слитка (), м².

Тогда:

(3)

Выразим l_о.сл:

(4)

где масса слитка, т;

;

Расчёт геометрических размеров кристаллизатора

(5)

где l_о.кр определяющий размер кристаллизатора, м;

k_л коэффициент линейной усадки металла, k_л =1,020;

а_о.сл определяющий размер поперечного сечения слитка, м;

?_г толщина шлакового гарнисажа (?_г = 0,002 м).

Принимаем кристаллизатор со стороной квадрата 0,36 м. В таком кристаллизаторе слиток будет иметь размеры:

(6)

(7)

(8)

Расчёт сторон верхнего и нижнего сечений слитка

(9)

(10)

где а_слн диаметр нижнего сечения слитка, м;

а_слв диаметр верхнего сечения слитка, м;

Составим систему уравнений для определения диаметра верхнего и нижнего сечения слитка.

Решу систему уравнений:

м,

м.

Расчёт сторон верхнего и нижнего сечений кристаллизатора

(11)

где а_о.кр.н диаметр нижнего сечения кристаллизатора, м.

м.

(12)

где а_о.кр.в диаметр верхнего сечения кристаллизатора, м;

l_кр длина кристаллизатора, м.

Определение числа и геометрических параметров расходуемых электродов Выбираю монофилярную печь типа Р951УШ.

Длина оплавляемой части электрода:

(13)

где k_з сл коэффициент заполнения слитка.

Коэффициент заполнения слитка:

(14)

где n количество электродов, n=1;

s_эд1 площадь сечения одного электрода, м²;

s_сл площадь поперечного сечения слитка, м²

(15)

м²,

Исходя из этого определяю:

Зазор между стенкой кристаллизатора электродом составляет:

Определю длину оплавляемой части электрода:

Принимаем длину оплавляемой части электрода l_эд.опл = 4,2 м.

Полная длина электрода:

(16)

где l_о длина огарка (1,5 м).

Масса электрода:

m_эд = d_т · V_эд, (17)

где V_эд объём электрода, м³.

m_эд = 7,8 · 4,2 · 0,047 =1,528 т.

Кратность шлака (k_шл) при ЭШП соответствует 2…5% от массы слитка, т. е. масса шлака m_шл составляет:

(18)

т.

При этом объём шлаковой ванны (м³) без электродов равен:

(19)

где плотность жидкого шлака разного химического состава (для АНФ6)

м³

С погруженными электродами

(20)

где площадь поперечного сечения n электродов, м²;

h_эд заглубление электродов в шлаковую ванну, м;

h_шл глубина (высота) шлаковой ванны с погруженными электродами, м;

s_кр площадь поперечного сечения кристаллизатора, м².

С учётом электрофизических особенностей процесса ЭШП величина h_шл должна соответствовать условию:

(21)

Нижний предел неравенства определяется необходимым расстоянием h между торцом электродов и зеркалом жидкометаллической ванны во избежание возникновения дугового разряда:

(22)

Верхний предел неравенства (21) определяется максимально допустимым заглублением h_эд электродов в шлаковую ванну:

(23)

Используя формулу (20) найду:

Используя формулу (20) найду глубину шлаковой ванны с погруженными электродами:

Длина кристаллизатора:

l_кр = l_сл + h_шл + ?l (24)

где ?l конструктивный размер кристаллизатора (?l = 0,15 м).

l_кр = 1,58+ 0,13+ 0,15=1,86 м.

По формуле (12) определю верхнее сечение кристаллизатора:

Высота установки определяется по формуле:

(25)

.

5.2 Расчёт теплового баланса монофилярной одноэлектродной печи ЭШП.

Тепловой баланс шлаковой ванны складывается из следующих статей расхода тепла:

Р_шл = Р_пол + Р_сл + Р_ст + Р_исп.шл + Р_изл.шл + Р_изл.эд, (26)

где Р_пол тепловой поток, передаваемый от шлака электроду, который расходуется на нагрев, плавление и перегрев металла над точкой плавления и является полезным теплом, кВт;

Р_сл тепловой поток, передаваемый от шлака через ванну жидкого металла слитку, кВт;

Р_ст тепловой поток, отводящийся от боковой поверхности шлаковой ванны, через гарнисаж, в стенку кристаллизатора, кВт;

Р_исп.шл тепловой поток, теряемый при испарении шлака, кВт;

Р_изл.шл тепловой поток, излучаемый с неэкранированной электродом поверхности шлаковой ванны, кВт;

Р_изл.эд тепловой поток, излучаемый с поверхности

Определение полезной мощности

P_пол = P_{пол эд} + P_{пол кш} + P_{пол в} = Q_m · W_у.т, (27)

где P_{пол эд} мощность, расходуемая на плавление электрода, кВт;

P_{пол кш} мощность, расходуемая на перегрев капли жидкого металла в шлаке;

P_{пол в} мощность, расходуемая в жидкокристаллической ванне на перегрев металла, кВт;

Q_m массовая скорость переплава расходуемого электрода, кг/с;

W_у.т удельный теоретический расход энергии, кДж/кг.

Удельный теоретический расход энергии:

W_у.т = С_т.ср · (Т_с — Т_Y) + Л_ф + С_ж.ср · (Т_в — Т_л), (28)