CC BY
42
Новаяраскиспительная смесь для диффузионного раскисления.
Чайкин В.А., Чайкин А.В., Каргинов В.П., МапыйА.В.
Таким образом, качественное диффузионное вок. Анализ показал что, механические свойства
раскисление снижает содержание окислов в шла- стали существенно возросли. Особенно это отра-
ках, а соответственно ив металле, что способству- зилось на структурно-чувствительном показателе
ет улучшению микроструктуры, снижению шири- - ударной вязкости Среднее значение KCU вы-
ны границ зерен, а следовательно, способствует росло на 28,92%. Кроме того, увеличился уро-
усилению межзеренных связей и повышению ме- вень соответствия исследуемых сталей по ульт-
ханических свойств сталей Разработанная смесь развуковой дефектоскопии
значительно эффективнее традиционной. Расход Химические составы традиционных и экспе-ее существенно ниже традиционной Применение риментальных плавок практически не отличались
ее ведет к повышению механических свойств ста- друг от друга. Свойства повысились благодаря
ли и экономии ферромарганца. Экономический более качественному диффузионному раскисле-
эффект составил свыше 1,2 млн руб. нию шлаков. Содержание закиси железа в шлаках
В дальнейшем, в условиях ОАО «ОЗММ» снизилось на 40%. Существенно уменьшилась и
испытали эффективность новой смеси при вы - загрязненность стали неметаллическими включе-
плавке улучшаемой стали 34ХНЗМ, которая от- ниями с 2,263 до 0,83. Это позволило внедрить
ливается в слитки и идет на изготовление поко- раскислительную смесь в производство.
Библиографический список
1. ПО «Уралвагонзавод» - лидер по производству высококачественных литых деталей в вагоностроении / Филиппенков A.A., Байков В.Н., Крупин М.А. и др. // ЛитейщикРоссии. 2007. № 3. С. 43-45.
2. Кульбовский И.К., Солдатов В.Г., Иващенков Ю.М. Разработка технологии модифицирования жидкой стали 20ГЛ для отливок железнодорожного транспорта // ЛитейщикРоссии. 2007. № 7. С. 17-19.
3. Голубцов В.А. Теория и практика введения добавок в сталь вне печи. Челябинск, 2006. 423 с.
4. ШубЛ.Г., Ахмадеев А.Ю. О целесообразности модифицирования стали // Металлургия машиностроения. 2006. № 5. С. 38-42.
5. РоговаВ.П., Полянин Г.В., МосуноваИ.В. Влияниевнепечной обработкинахимсостависвойствалитойсталидлявагоностроения // Металлургия машиностроения. 2004. № 4. С. 11-15.
6. Явойский В.И. Научные основы современных процессов производствастали. М.: Металлургия, 1987. 184 с.
7. Производство стальных отливок: Учебник для вузов / Козлов Л.Я., Колокольцев В.М., Вдовин К.Н. и др.; Под ред. Л.Я. Козлова. М.: М ИСиС, 2003. 352 с.
8. Кинетика прямого восстановления окислов железа из расплавов / Шурыгин П.М., Бороненков В.Н., Крюк В.И. и др. // Известия вузов. Черная металлургия. 1965. № 2. С. 23-27.
9. Исследование кинетики прямого восстановления железа из расплавленных оксидов методом поляризационных кри-вых / Бороненков В.Н., Есин O.A., Шурыгин П.М. и др. // Электрохимия. 1965. № 10. С. 1245-1252.
10. Плышевский А.А., Белогуров В.Я., Михайлец В.Н. Кинетика восстановления окислов железа и кремния из шлаков углеродом // Известия вузов. Черная металлургия. 1982. № 8. С. 3-7.
11. Евстрагов К.И., Купина H.A., Малахова Е.Е. Физическаяиколлоццнаяхимия. М.: Высш. шк., 1990. 430 с.
12. Баландин Г.Ф., Васильев В.А. Физико-химические основы литейного производства. М.: Машиностроение, 1971. 224 с.
УДК 669.187
Чуманов И.В.
К ВОПРОСУ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИНОКУЛЯТОРОВ-
_ ______ _____ __ ____ _________ Ä
ХОЛОДИЛЬНИКОВ ПРИ ПЕРЕПЛАВНЫХ ПРОЦЕССАХ
Ис польз ова ние инокуляторов- холод иль ников (макрохолодильников) при электрошлаковой плавке может существенно повысить привлекательность процесса (особенно при получении крупных отливок), как в части снижения себестоимости, а именно уменьшения расхода электроэнергии и увеличения производительности! за счет повышения вертикальной скорости кри-
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ для молэдых докторов наук № МД 2610.2008.8.
сталлизации металла, так и качества получаемого металла по следующим параметрам:
- более дисперсная и разориентированная макроструктура;
- резкое повышение изотропности механиче-ских свойств;
- снижение доли межзеренного излома и повышения значения ударной вязкости;
- подавление развития макросегрегационных дефектов канального типа (шнуры);
- уменьшение головной обрези слитков.
В то же время реализация электрошлакового процесса с использованием инокуляторов-холо-дильников потребует не только использования дополнительного оборудования (дозаторы) и подготовки самих холодильников (измельчение их до нужного размера), но разработки непосредственно технологических режимов. Для этого необходимо провести следующие расчёты.
1. Расчет времени падения макрохолодильника через шлаковую ванну
Выведем формулу, связывающую расстояние , прощенное макрохолодильником, с временем падения (прохождения) его в шлаке. Для упрощения расчет будем вести для сферического макрохолодильника. Также примем, что влияние электродинамических и конвективных сил на движение макрохолодильника незначительно, тогда время падения можно определить из решения дифференциального уравнения движения шара в вязкой жвдкости [ 1]:
УмР= Умё(РМ ~РшЛ )~ 0,5С°РРм®", (1)
где ю - скорость падения макрохолодильника (шара); с0 - коэффициент гидродинамического сопротивления; Б - сечение макрохолодильника (шара).
Вводя обозначения:
4
°1 = 3(К + 8 )Р м,
4
^2 _ "3 (^ + 8)§(Рм _ РШЛ ) ,
D3 = Со
'м
перепишем уравнение (1) в виде:
D, — = D2 - D3ш2 1 dt 2 3 •
(2)
Интегрируя уравнение (2) дважды, в преде-лах от to до t, находим соотношение, связывающее расстояние Z, прощенное макрохолодильником , с временем падения при с0 = const [2]:
D
D,
Z = -^(t-10) + —Hn
D
D2
1 + y
1 + Уо ’
где y:
D-
D3 ю 0
eXp[2D2D3(t - to)].
Уо =
D2 ^ D3^ 0 D2 _ D3®0
(3)
(4)
(5)
Полученное уравнение, ввиду его нелинейности, решали с применением ПВТ. Расчет был проведен, используя следующие исходные данные: Я=0,003 м - радиус макрохолодильника; 8=0,0006 м - толщина нарастающей шлаковой корочки [2];
рм=7800 кг/м3 - плотность металла;
Ршл =2400 кг/м3 - плотность шлака; с0=1 - коэффициент гидродинамического сопротивления шлака [2];
ю0=8,3 м/с - начальная скорость ввода макро-холодиль ника;
^=0,85 с - время, затраченное при свободном падении макрохолодильника перед тем, как попасть в шлаковую ванну.
Подставляя исходные данные в уравнения (3), (4) и (5), находим время падения макрохолодильника радиусом 0,003 мм в шлаковой ванне толщиной 0,269 м. Это время составляет 1=0,86 с.
Но, на самом деле, при прохождении шлаковой ванны макрохолодильник оплавляется, т.е. его радиус уменьшается, следовательно, скорость его падения через шлак снижается. Таким образом, время падения макрохолодильника через шлак будет несколько выше, чем 0,86 с. Точное время падения макрохолодильника через шлак можно определить, решая уравнение (3) при условии, что радиус макрохолодильника стремится к нулю. Приблизительно это время получилось равным 1,02 с.
Время падения макрохолодильника лимитируется толщиной шлаковой ванны. Для расчета времени падения макрохолодильника радиусом 0,003 м через шлаковую ванну глубиной 0,269 м была принята величина намерзающей шлаковой корочки По данным [2] эта величина для макрохолодильника радиусом 0,003 м составляет 0,0006 м. На самом деле, при падении макрохолодильника через шлак, шлаковая корочка сначала растет, затем при выравнивании теплофизических свойств макрохолодильника и окружающей его шлаковой ванны рост корочки прекра-щается, и она начинает быстро оплавляться. После ее расплавления начинает плавиться сам макрохо лод иль ник.
2. Расчет динамики намерзания шлаковой корочки
Выведем расчетное соотношение для анализа динамики намораживания шлаковой корочки на макрохолодильник. Толщину шлаковой корки, намерзающей на макрохолодильнике, можно оценить, зная количество тепла, пошедшее на его нагрев. Температура макрохолодильника при этом будет повышаться за счет снятия тепла перегрева
3
шлака, отвода теплоты кристаллизации шлака и тепла от затвердевающей корки шлака. Следовательно, уравнение теплового баланса можно записать в ввде
= dQ АК + dQ КР, (6)
где dQ - количество тепла, поглощенное макрохолодильником ; dQAк - количество тепла, отведенное от затвердевшей корки шлака в макрохолодильник; dQкp - теплота перегрева и кристаллизации шлака.
Величину dQ определим из условия, что все тепло, проходящее через поверхность макрохолодильника за время dt, вдет на его прогрев:
¿0 = Ум рсёТ
(7)
где Ум - объем макрохолодильника; рс - плотность и удельная теплоемкость металла; dT - изменение среднемассовой температуры за время dt.
Величину dT в случае сферического макрохолодильника определим из решения задачи о прогреве шара при граничном условии третьего рода [2]. Имеем:
¿Т = (Тс - Т0)]^Вп(і2 ^ехр^П ,
п-1 к к
(8)
намерзать слой шлака. Учитывая, что толщина этого слоя небольшая, можно принять линейное распределение температуры по радиусу намер-зающе й корки (п=1), тогда:
4
¿0 АК = 2 лЯ2(р сАТ)*(1 + ^5 2)ё в;
_ о ^ ^ ^ ^
КР = 4^Я Р [ц + с (Тс - ТКР )]х
>](1 + 25 + 52 )ёв,
(10)
(11)
Здесь величины, обозначенные звездочкой, относятся к среде, в которой движется макрохолодильник, т.е. к шлаковой ванне.
(12)
где т
Т* -
1 П
КР
температура кристаллизации шлака;
температура шлака в месте контакта с хо-
лодильником ; 5 = —; в - толщина корки шлака;
к
*
Тс - температура среды.
После подстановки выражений (9)-(11) в уравнение теплового баланса (6) и интегрирования получим уравнение
А15 + А252 + А353 +
где Тс, Т0 - температура среды и начальная температура холодильника; Я - радиус макрохолодильника;
а =
А
ср
В =
6ВІ2
^п(К + ВІ - ВІ)
ВІ =
аЯ
где В1 - критерий Био; X = 25 ккал/м- ч-°С - теплопроводность металла; ц - корни характеристического уравнения; а = 4000 ккал/м 2-ч-°С - коэффициент теплоотдачи конвекцией между макро-холодильником и средой
Величины ц и Вп находим согласно [3]. Таким образом, для шарового макрохолодильника:
4
¿0 = - ЛЯ Рс(Тс - Т0)х
_ 2 а /2 \ 1
хХ Вп^ п^техр(-ц п^г)ё1.
Я
Я2
(9)
0
(13)
где А1 = 3к(Ь1 + ^); А2 = 3к(Ь1 + ^) ;
2
0Ц
с = А151 + Аn5n + А1513 Вп ехр(-дП-у);
Я
к =
(Рс)*
Рс
; 0и =
А Т* АТ„
Л
АТП
с* АТ АТ„
__^ ^ ^ ^ _______________________________________
ДТ = Т — Т • ДТ = Т — т •
^1 ПЕР АС 1 КР’ ^ А 0 АП А0’
Для определения величин dQак и dQкp, входящих в правую часть уравнения (6), воспользуемся решениями, полученными для затвердевания снаружи шаровой отливки. В нашем случае на шарообразном макрохолодильнике должен
+ (Т*с - т*кр)(1 --)прих>є.
X
Уравнение (13) связывает толщину шлаковой корочки, намерзающей на макрохолодильнике, с временем, в течение которого корочка достигнет своего максимального значения и начнет оплавляться. Решение уравнения (13) велось с помощью ПВТ. В качестве исходных данных принимались следующие значения: р* = 2400 кг/м3 - плотность шлака;
-I:
п-1
•!<
п-1
с = 0,3 ккал/(кг • °С) = 1260 Дж/(кг • К) - удельная теплоемкость шлака; р = 7800 кг/м3 - плотность металла; с = 0,165 (ккал/кг • °С) = 693 Дж/(кг • К) - удельная теплоемкость металла;
*
Ткр = 1573 К - температура кристаллизации шлака;
*
Тс = 2048 К - температура шлака;
Т п - температура шлака вблизи макрохолод иль -ника;
е = 0,0006 м - толщина шлаковой корочки; х = 0,0007 м - окрестность макрохолодильника для вычисления температуры вблизи макрохолодильника;
Т0 = 20°С = 293 К - начальная температура макрохолод иль ника;
*
^ = 0,015 кг/м • с - динамическая вязкость шлака. Вп= 0,9959 - константа, зависящая от критерия Био;
цп= 1,1656 - корни характеристического уравне-
В 6В12
ния Вп - —— -------- -----.
п ц2(^п + В12 -В1)
После подстановки исходных данных в уравнение (13) было получено значение времени, за которое шлаковая корочка достигнет своего максимального значения е = 0,0006 м по мере падения макрохолодильника в шлаке (1 = 0,31 с). После этого корочка начнет быстро оплавляться, а затем начнет расплавляться и сам макрохолодильник.
3. Расчет времени расплавления шлаковой корочки и макрохолодильника
После полного прогрева макрохолодильника, если он продолжает двигаться в перегретом расплаве, начнется оплавление шлаковой корки и самого макрохолод иль ника.
Для количественной оценки этого процесса допустим, что к макрохолодильнику тепло пере -грева подводится с помощью теплопроводности и
конвекции, чему соответствует условие на оплавляющейся поверхности макрохолодильника [2].
* ¿8 . * рч - = ».
эт
дх,
+ а,
(Т - Т р ).
(14)
Кроме того, допустим, что в малой окрестности макрохолод иль ника поле температур шлака определяется формулой
Т * = Т * +
1 (X) т
(тс - т)(1 - ^
(15)
при X > 8.
С учетом выражения (15) уравнение динамики плавления (14) примет вид
ЛР
ґ
X*
■+аг
(Т - Тк'р ),
(16)
интегрируя которое, при условии получаем:
(І0 -1)(ТС -Т,)=
ТС _ ТЬСР )
- Тто І = СОП8І,
= ЛР
8-80 -
1п
X
* Л
+ а к 8
X*
а,
(17)
о.: си
(.4 о.т
Л*
Намерзание и оплавление шлака на макрохолодильнике диаметром 6 мм и дальнейшее оплавление макрохолодильника (заштрихована шлаковая корка)
где 8о = 0,0006 м - толщина шлаковой корки в момент времени 1о = 0 с; ^ = 0,015 кг/м-с - вязкость шлака; р = 2400 кг/м3 - плотность шлака; X = 7 Дж/м • с • 0С - теплопроводность шлака; ак= 4667 Дж/м2 • с • 0С - коэффициент теплоотдачи конвекцией.
Подставляя исходные данные в формулу (17), находим, что шлаковая корочка расплавит -ся при прохождении макрохолодильника через шлаковую ванну за 0,03 с. Подставляя в формулу (17) значения плотности металла, ра-диуса макрохолодильника в момент времени ^ = 0 си теплопроводности металла , можно определить время, необходимое для расплавления самого макрохолодильника в шлаковой ванне. Это время составляет 0,63 с. Таким образом, при прохождении макрохолодильника через шлаковую ванну уже в ней макрохолодильник вместе со шлаковой корочкой ї, с успевает полностью расплавиться и в металлическую ванну он попадает в ввде капли жидкого металла. Это можно изобразить в виде диаграммы (см. рисунок).
=<
х=є
= <
4. Расчет скорости подачи макрохолодильников
Рассчитаем объем и массу одного циливдри-ческого макрохолодильника:
V = лЯ2 • 1,
(18)
где Я - радиус основания циливдрического макрохолодильника; 1 - длина макрохолодильника;
ті =Р- V; :
(19)
=4,31 ч опытная плавка) можно ввести 233 кг макро холод иль ников, то скорость подачи макрохолодильников в шлаковую ванну
и
т-
М / X
233
(20)
Получаем
и
М/X
1,326-10~3 • 15504 233 '
0,1 с
где У1 - объем макрохолодильника; р - плотность металла макрохолодильника.
Согласно формулам (18) и (19) получаем:
V = 3,14 • 0,0032 • 0,006 = 1,7 • 10~7 м3, т1 = 7800-1,7 • 10“7 = 1,326• 103кг . Поскольку за период переплава (х=15504 с=
Таким образом, скорость ввода макрохолодильников в шлаковую ванну составляет 1 макрохолодильник за 0,1 с. Если использовать два дозатора, то скорость подачи будет составлять 1 макрохолодильник за 0,2 с в каждом дозаторе. Отталкиваясь от полученных результатов, возможна выработка конкретных технологических рекомендации.
Библиографический список
1. Клюев М. МНикулин А. А. Скорость движения и степень нагрева металлической капли в шлаке при электрошлаковом переплаве // Черметинформация. 1970. № 4. С. 32-34.
2. Теплофизические основы ввода макрохолодильников в слиток ЭШП / Медовар Б. И., Самойлович Ю. А., Кошман В. С. идр. // Проблемы специальной электрометаллургии. Киев: Наук. думка, 1979. С.66-76.
3. ЛыковА. В., МихайловЮ. А. Теориятепло- имассопереноса. М.: Госэнергоиздат, 1963. 527 с.
