CC BY
33
та машинобудуванш. - 2000. - № 1. - С. 41-46.
8. Процессы кристаллизации, структура и свойства отливок из никелевых жаропрочных сплавов / Цивирко Э.И., Же-манюк П.Д., Клочихин В.В., Наумик В.В., Лунев В.В. // Металловедение и термическая обработка металлов. -2001. - № 10. - С. 13-17.
9. Влияние модификаторов на склонность жаропрочного сплава к образованию ТПУ фаз / Кудин В .В., Цивирко Э.И., Наумик В.В., Лысенко Н.А., Жеманюк П.Д. // Новi мате-р1али i технологи в металурги та машинобудуванш. -2003. - № 2. - С. 20-25.
10. Об'емна та спрямована кристал1зац1я нкелевих сплавiв / Е.1. Цивiрко, В.В. Клочихш, О.Г. Коломойцев, В.В. Наумик // Металознавство та обробка метал1в. - 2000. -№ 3. - С. 5-11.
11. Определение теплопроводности литых металлов и сплавов. Наумик В.В., Бялик Г.А., Лунев В.В.// Електротех-нжа та електроенергетика. - 2003. - № 1. - С. 38-40.
12. Наумик В.В. Изменение теплофизических свойств жид-кометаллического кристаллизатора в процессе его эксплуатации при вакуумном литье жаропрочных сплавов // Проблеми трибологи. - 2006. - № 1. - С. 31-35.
13. Наумик В.В. Контроль теплофизических свойств жид-кометаллического кристаллизатора по коэффициенту отражения // Новi матерiали i технологи в металургй та машинобудуванш. - 2007. - № 2. - С. 29-32.
14. Наумик В.В. Влияние кратности переплава на тепло-физические свойства и некоторые качественные показатели основы алюминиевых литейных сплавов // Металлургическая и горнорудная промышленность. -2007. - № 5. - С. 48-52.
15. Патент Украши на корисну модель №»22375 МПК (2006) С30В21/00 С30В35/00 Споаб фiзичного моделювання процеав кристалiзаци виливюв i зливюв металiв та сплавiв / Наумик В.В., Бялж Г. А., Луньов В.В. (Видано 25.04.2007, Опублжовано в бюл. № 5, 2007 р.).
16. Патент Украши на корисну модель №»22376 МПК (2006) С30В21/00 С30В35/00 Пристрш для фiзичного моделювання процеав кристалiзацii виливюв i зливюв ме-талiв та сплавiв / Наумик В.В., Бялж Г. А., Луньов В.В. (Видано 25.04.2007, Опублжовано в бюл. № 5, 2007 р.).
17. Наумик В.В. Физическое моделирование процессов кристаллизации отливок и слитков // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2006, № 6. -С. 34-38.
Одержано 19.02.2008
Розглянуто питання, що пов '43aHi з отриманням яюсних виливюв та зливюв i3 керованою кристалiзацieю з кольорових металiв та сплавiв (Cu, Ni та iн.) при неодноразовому використаннi матерiалiв.
Questions, related to the production of high-quality casts and bars with the carried-on crystallization from nonfer-rous metals (Cu, Ni etc.) and alloys at several times application of materials, are considered.
УДК 620.22:669.27
Канд. техн. наук С. М. Григорьев, А. С. Петрищев Национальный технический университет, г. Запорожье
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПЛАВОВ ДЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ И РАСКИСЛЕНИЯ БЫСТРОРЕЖУЩИХ
СТАЛЕЙ
Разработана математическая модель технологических параметров получения и использования при выплавке сталей сплава для легирования и раскисления типа СиР по ТУ14-437-87-90. Оптимизация состава шихты и более эффективное использование высокохромистых отходов обеспечили значительное повышение концентрации хрома и степени утилизации легированных отходов.
Введение
Украина не имеет собственной минерально-сырьевой базы для производства легирующих материалов на основе редких и тугоплавких элементов. Потребность в них удовлетворяется импортными поставками из ближнего и дальнего зарубежья. Особенно эта проблема обострилась в последние годы в связи со стремительным
ростом цен на них на мировом рынке потребления. Поэтому разработка отечественных ресурсосберегающих технологий молибден- и вольфрамсодержащих сплавов и лигатур, тем более с параллельной утилизацией немобильных отходов (окалина быстрорежущих сталей) представляет не только научный, но, в первую очередь, практический промышленный интерес.
© С. М. Григорьев, А. С. Петрищев, 2008
Дефицит финансовых средств для технического развития и организации производства на большинстве металлургических предприятий осложняет внедрение технологий, способствующих сокращению техногенных отходов и выбросов вредных веществ [1, 2]. В настоящей работе, посвящённой повышению степени использования тугоплавких элементов в металлургии, их получению и применению в производстве специальных сталей и сплавов, предпочтение отдано переработке металлосодержащих легированных отходов методом рафинировочной плавки в среде с избыточным содержанием раскислителя [3-6]. Это связано прежде всего с тем, что технологически процессы промышленного производства и переработки металлопродукции на современном этапе развития не исключают загрязнения техногенных отходов сопутствующими неметаллическими примесями. Такие отходы без предварительной рафинировочной обработки по действующим технологическим инструкциям не могут возвращаться в качестве шихтовых материалов [7].
Другая важная проблема повышения эффективности использования металлооксидных легированных отходов - это степень сквозного извлечения дорогостоящих редких и тугоплавких элементов с целью уменьшения окислительного потенциала расплава стали при использовании сплава для легирования и раскисления быстрорежущих сталей типа СиР, выпускаемого по ТУ14 -437-87-90.
Материалы и методика исследований
В промышленных условиях в электродуговых печах СКБ-6063 испытаны опытные партии шихты и технологические параметры получения сплава для легирования и раскисления стали согласно технологической инструкции ВНИ 14-9-01/89, введенной в действие с 17.01.89 на Никопольском заводе ферросплавов. В качестве компонентов, содержащих тугоплавкие легирующие элементы, использовали окалину, стружку и шлифовальную пыль силовой обработки товарной заготовки быстрорежущих сталей Р6М5 и Р6М5ФЗ и высокохромистых сталей 95X18 и Х23, которые образуются на переделах обработки металла давлением и доводки продукции до кондиционных размеров. Химический состав используемых в промышленных испытаниях компонентов шихты приведен в табл. 1.
Для восстановления оксидных соединений легирующих элементов в состав шихты вводили ферросилиций марки ФС-45, выпускаемой по ГОСТ 1415-78 и кристаллический кремний - по ГОСТ 2169-69 с изменениями ИУС-2-8О марки Кр2. В качестве шлакооб-разующего материала применялся электроплавленный флюс АН-295 (ТУ 14-1-165-72), ВГС (ТУ 14-16-12-86), который служил рафинирующей и защитной средой от вторичного окисления элементов шихты. Выплавку сплава проводили на 3, 4 и 5 ступенях напряжения с номинальной мощностью 4370, 4000 и 3500 кВА
№ п/п Марка Содержание элементов, масс. %
С Мо ш Сг V Со
1 Р6М5 стружка 0,84 5,25 5,84 3,96 1,83 0,49
2 Р6М5ФЗ пыл 0,96 5,74 6,00 4,04 2,56 0,34
3 Р6М5 окалина 0,31 4,35 4,48 2,7 1,53 0,27
4 Р6М5ФЗ окалина 0,17 4,51 4,42 2,6 2,03 0,38
5 95X18 стружка 0,95 - - 17,6 - -
6 Х23 стружка 2,02 0,09 0,18 22,4 - -
7 95X18 окалина 0,35 - - 13,2 - -
8 Х23 окалина 1,17 0,03 - 17,35 - -
Продолжение табл. 1
№ п/п Содержание элементов, масс. %
N1 Б Р Си Мп О2 Ее
1 0.27 0,022 0,021 0,18 0,46 0,33 1,8 Ост.
2 0,23 0,021 0,017 - 0,35 0,45 1,3 Ост.
3 0,21 0,019 0,016 0,09 0,27 0,23 29,0 Ост.
4 0,28 0,018 0,013 - 0,44 0,33 26,7 Ост.
5 0.46 0,018 0,023 0,23 0,62 0,39 0,33 Ост.
6 0,26 0,025 0,024 0,21 0,17 0,34 0,17 Ост.
7 0,39 0,016 0,019 0.18 0,46 0,28 24,5 Ост.
8 0,19 0,019 0,018 0,18 0,15 0,24 24,2 Ост.
Таблица 1 - Химический состав компонентов, использованных в промышленных испытаниях шихты для получения сплава для легирования и раскисления стали
соответственно. Розжиг печи производился в ванне с заправленной шихтой с последующим проплавлени-ем, доводкой расплава до заданной температуры и выдержкой для усреднения и стабилизации химического состава по всему объему ванны печи. Слив плавки производили на кантователе в металлические поддоны либо на стенд с мульдами.
Полученный сплав в кусках массой не более 180 кг (обычно 20-30 кг) испытан при производстве порошков быстрорежущих сталей в условиях ЦМП завода «Днепроспецсталь» в соответствии с технологической инструкцией ЦМП-1-87 и технологическим распоряжением ТР № 42-89 в качестве легирующего и раскисляющего материала («СиР»). Выплавка стали осуществлялась в индукционной печи промышленной частоты фирмы «ASEA STORA» методом переплава легированных отходов. Объем тигля с нейтральной футеровкой 4000 кг. Легированными отходами служили отходы группы 79, 83, 328, 361, ПБ-79, ПБ-80-06058, Б-3, Б-58 согласно «Инструкции по использованию вторичных черных металлов ТИ 143-А-10-83 (взаимен А-10-77)». МЧМ СССР, завод «Днепроспецсталь», г. Запорожье, 1983, 96 с., (тип, изд. «Коммунар»).
Присадку сплава «СиР» проводили на подину печи под металлошихту в количестве в среднем 50 кг на 1 тонну выплавляемой стали. По расплавлению шихты производили отбор проб металла и экспресс-анализом, определяли полный химический состав расплава металла. Содержание хрома в расплаве колебалось в пределах 2,2-2,7 масс. %. Доводку расплава до требуемых пределов по хрому для данной марки стали проводили высокоуглеродистым феррохромом ФХ800Б(Г0СТ 4557-79) или металлическим хромом Х99А(ГОСТ 5905-79). Из порошка выплавленной стали с применением сплава «СиР» получена товарная продукция и направлена потребителю. Качество порошковой стали по всем видам испытаний соответствует требованиям ТУ 14-1-3647-83. Сплав «СиР» испытан при выплавке сталей марок Р6М5ФЗ-МП, Р6М5К5-МП, Р12Ф2К8МЗ-МП, Р9М4К8-МП и др.; общее количество плавок более 210.
В качестве восстановителя, легирующих элементов и железа из окалины быстрорежущих сталей и окалины сталей, высоколегированных хромом, используется измельченный кристаллический кремний и/или ферросилиций в пересчете на кремний. Согласно ГОСТ 1415-78, отечественной промышленностью осуществляется выпуск 11 марок ферросилиция с содержанием кремния от 19 до более 92 масс. % и несколько марок электротермического кремния. Следовательно, главным показателем кремнистых восстановителей является содержание ведущего элемента.
В случае использования кремнистых восстановителей других марок изменяется содержание металлического порошка и других компонентов шихты на величину содержания железа в конкретном ферросплаве.
Промышленные испытания разработанной шихты и технологических параметров для получения сплава для легирования и раскисления стали позволили выявить ряд преимуществ по сравнению с действующим производством:
- снизить расход хрома при выплавке быстрорежущих сталей с применением сплава феррохрома и металлического хрома с 18,5-28,1 и 13,2-20,3 до 13,7-18,2 и 8,9-12,5 кг соответственно на 1 тонну выплавляемой стали за счет введения в состав шихты окалины и/или стружки сталей, высоколегированных хромом;
- повысить концентрацию хрома в сплаве с 0,482,60 до 2,90-9,61 масс. % и степень утилизации отходов легированных сталей с 0,50-0,66 до 0,65-0,86 соответственно за счет оптимизации состава шихты и более эффективного использования высокохромистых отходов;
- за счет снижения кремния в шихте с 7,60-27,00 до 6,00-12.00 масс. % повысить количество используемого сплава на 1 тонну выплавляемой стали с 15-35 до 50-120 кг.
Математическая модель по результатам эксперимента
В промышленном варианте проведен активный эксперимент с изменением технологических параметров получения нетрадиционного легирующего материала в широких пределах и установлением максимально возможного количества зависимостей. После оптимизации и анализа отобраны наиболее значимые, которые определяют технико-экономические показатели технологии получения и состава целевого продукта. Была получена система количественных признаков
(У,х), I = 1,6, } = 1,3, (1)
где у у - содержание ферросилиция ФС45 в шихте, %; >>2 - содержание металлического кремния в шихте, %; >>3 - содержание шлифовальной пыли сталей Р6М5 и Р6М5Ф3 в шихте, % масс., %; >4 - содержание окалины сталей Р6М5 и Р6М5Ф3 в шихте, %; >5 - содержание окалины сталей 95Х18 и Х23, % масс.; >6 -стружка стали марок 95Х18 и Х23, % масс., - концентрация кремния в сплаве, % масс.; Х2 - концентрация хрома в сплаве, % масс., х3 - степень восстановления тугоплавких элементов, % масс.
Система (1) представляет собой ряд дискретных значений (пар чисел). Для удобства представления зависимостей и упрощения нахождения технологических параметров ставилась задача аппроксимации точечных значений (1) на к-м интервале области определения зависимости у(х) кривыми не выше II порядка (прямыми и параболами):
у, = /^(хр = а/%/ + ь^ + сю, (к )= 1, Б.., (2)
где а/к\ Ь/кк), с- коэффициенты зависимости;
- количество интервалов разбиения для зависимости у(х). При а- = 0 зависимость (2) становится линейной. Границы интервалов коэффициентов а/к\ Ь/к), с/к), определяющих вид функциональной зависимости на к-м интервале для у(х), устанавливали методом наименьших квадратов.
В результате зависимость у(х) принимает вид
Уг =1
^х.),т/ * х. <(12;
42)(х-),т. * х. < . /¡8и)( х.),. * х. < „г^,
(3)
где т
(к)
г.1
т
(к) -
г/2
границы соответственно слева и
справа для к-го интервала, причем на границах зависимость не терпит разрывов:
1г
(к-1)
= г (к)
„(к-1)" Л/
х/=4?
(4)
для к = 2, Б. .
Вычисления произведены с точностью до 0,01 и вполне удовлетворяют требованиям точности для технологических параметров в производственных условиях.
Результаты эксперимента и вычислений представлены в виде графиков (рис. 1-4), а также табл. 2-5.
Таблица 2 - Коэффициенты функциональных зависимостей между параметрами технологического процесса соответственно рис. 1.
Уг хг Интервал а (к) аг/2 Ь (к) с (к)
т (к) тг/1 т (к)
У1 4,09 15,46 -0,156 5,852 -14,724
х1 4,09 13,05 -0,107 3,435 -10,709
У2 4,09 6,83 -0,971 6,817 20,031
У3 6,83 13,05 0,6 -15,08 95,642
Таблица 3 - Коэффициенты функциональных зависимостей между параметрами технологического процесса соответственно рис. 2
Уг хг Интервал а (к) Ь (к) с (к)
т. т.
У4 х1 4,09 9,65 0,518 -2,743 -16,613
9,65 15,46 -1,093 30,238 -151,17
У5 6,83 9,65 -1,318 26,501 -119,75
9,65 15,46 0,199 -6,196 54,578
У6 4,09 10,95 -1,306 13,779 7,714
У4 х3 69,55 89,18 0,059 -11,292 553,52
У5 71,8 87 -0,128 19,736 -746,69
У6 73 81,36 -0,577 92,983 -3714
81,36 89,42 -0,018 3,786 -153,42
Таблица 4 - Коэффициенты функциональных зависимостей между параметрами технологического процесса соответственно рис. 3
Уг хг Интервал а (к) аг/2 Ь (к) Ьг/2 с (к) сг/2
т (к) тгп т (к) тг/2
У1 х? 2,5 3,24 1,661 -17,252 70,028
3,24 10,13 -0,403 2,363 28,1
У2 2,5 3,24 0,106 -0,009 16,297
3,24 10,13 -0,028 -1,346 21,956
У3 2,5 3,24 0,679 6,346 -11,211
3,24 10,13 0,924 -8,118 18,432
Таблица 5 - Коэффициенты функциональных зависимостей между параметрами технологического процесса соответственно рис. 4
Уг хг Интервал а (к) аг/2 Ь (к) Ьг/2 с (к) сг/2
т. т.
У1 х. 2,5 3,24 1,661 -17,252 70,028
3,24 10,13 -0,403 2,363 28,1
У? 2,5 3,24 0,106 -0,009 16,297
3,24 10,13 -0,028 -1,346 21,956
У3 2,5 3,24 0,679 6,346 -11,211
3,24 10,13 0,924 -8,118 18,432
Рис. 2. Влияние состава шихты на концентрацию кремния в сплаве и на степень восстановления легирующих элементов
Концентрация хрома в сплаве, % мае
Рис. 3. Влияние состава окалины и стружки сталей 95Х18 и Х23, и окалины сталей Р6М5 и Р6М5Ф3 в шихте на концентрацию хрома в сплаве, % масс.
Рис. 4. Влияние состава шихты на концентрацию хрома в сплаве
Выводы
Таким образом, разработана математическая модель технологических параметров получения и использования при выплавке быстрорежущих сталей сплава для легирования и раскисления типа СиР, удовлетво -ряющего требованиям ТУ14-437-87-90 на основе техногенных «загрязнённых» отходов различных источников образования. Полученные результаты находятся в области оптимальных значений. Введение в состав шихты для выплавки сплава окалины -и/или стружки сталей, высоколегированных хромом, обеспечивает снижение его расхода при выплавке быстрорежущих сталей в виде ферросплавов хрома и металлического хрома с 18,5-28,1 и 13,2-20,3 до 13,7-18,2 и 8,9-12,5 кг соответственно на 1 тонну выплавленной стали.
За счет оптимизации состава шихты и более эффективного использования высокохромистых отходов удалось повысить концентрацию хрома в сплаве с 0,462,60 до 2,90-9,61 % масс. и степень утилизации отходов легированных сталей с 0,50-0,66 до 0,65-0,86 соответственно.
Установлена функциональная зависимость между составом шихты и основными технико-экономическими показателями выплавки сплава и его использования для легирования и раскисления быстрорежущих сталей.
Перечень ссылок
1. Острик П. Н., Гасик М. М., Пирог В. Д. Металлургия губчатых и порошковых лигатур. - Киев: Техника, 1992. -128 с.
2. Григорьев С. М., Пивень А. Н., Архипенкова Е. Н. Совершенствование методики экономической оценки технических решений по получению материалов из вторичного сырья. - Цветные металлы. - 1992. - № 4. - С. 7-9.
3. Григорьев С. М., Григорьев Д. С., Фазовые и вещественные превращения силицидо- и карбосилицидообразова-ния при получении сплава для легирования и раскисления быстрорежущих сталей. - Сталь. - 2002. - № 11. -С. 31-34.
4. Патент Украины 19114. Шихта для получения сплава для легирования и раскисления стали/ С. М. Григорьев, М. П. Ревун, А. Н. Пивень и др. №4807379^; За-явл. 22.09.93 // Открытия. Изобретения. - 1997. - № 6. -С. 14-15.
5. Патент Украины 18705. Шлакообразующая смесь. / С. М. Григорьев, М. П. Ревун, А. Н. Пивень и др. №4924938^; Заявл. 14.01.91.//Открытия. Изобретения. - 1997. - № 6. - 3 с.
6. Григорьев С. М., Сидоренко А. В., Кучеренко Д. В. Использование шлака алюмотермического производства лигатур при получении сплава для легирования и раскисления быстрорежущей стали. - Сталь. - 1998. - № 10. -С. 62-65.
7. Григорьев. С. М. Экономическая стратегия и тактика ре-сурсо- и энергосбережения в металлургии тугоплавких материалов// Металлургия: Сб. - Запорожье: ЗГИА. -1998. - Вып. 1. - С. 17-23.
Одержано 27.03.2008
Розроблено математичну модель технологiчних параметрiв отримання та використання при виплавцi сталей сплаву для легування та розкислення типу СиР за ТУ14-437-87-90. Оптимiзацiя складу шихти та бшьш ефективне використання високохромових вiдходiв забезпечили значне пiдвищення концентрацИ' хрому в сплавi та ступеняутилгзацИ'легованих вiдходiв.
Mathematical model of technological parameters for production and application at steel melting CuP type additive for alloying and deoxidation according to TU14-43 7-87-90 was elaborated. The optimization of the composition mixture and more efficient use of high-chromium waste has provided significant increasing of chromium concentrations and degree of alloying waste utilization.
