Исследование технологии и качества полунепрерывнолитых расходуемых электродов для вакуумно-дугового переплава с электрошлаковым обогревом

электроды, обогрев, технология, качество, ваку- усадочной раковины, протяжённость которой в среднем составляет 10% длины отливаемого электрода. Эффективным способом уменьшения протяжённости усадочной раковины и осевой пористости, снижения головной обрези перед ВДП является электрошлаковый обогрев графитовыми электродами и электрошлаковая подпитка стальными электродами из разливаемой марки стали головной части электродов по окончании разливки [5-7].

Цель работы: исследование влияния технологии электрошлакового обогрева на протяжённость усадочной раковины и качество металла подусадочной области полунепрерывнолитых электродов и качество слитков после ВДП.

При выполнении работы решались следующие задачи: проведены математическое моделирование процесса затвердевания электрода с учётом электрошлакового обогрева головной части, сопоставление результатов моделирования с экспериментальными данными, экспериментальные исследования качества металла подусадочной области электродов и слитков после ВДП.

Исследование выполняли на электродах диаметром 520 мм, массой 7,6 т из стали марок 03Х11Н10М2Т (ЭП678У) и 30ХГСН2А и слитках ВДП после переплава в кристаллизаторе диаметром 630 мм на Златоустовском металлургическом заводе и в Краматорском НИИПТмаш. При составлении математической модели процесса затвердевания электрода с электрошлако-вым обогревом принимали следующие основные условия [8]:

• -    вытягивание электрода начинали с верхнего среза кристаллизатора с постоянной скоростью v с ;

• -    конвективный теплообмен в металлической и шлаковой ваннах учитывали путём соответствующего увеличения коэффициента теплопроводности;

• -    в момент наведения шлаковой ванны между отлитым электродом и поверхностью кристаллизатора образуется шлаковый гарнисаж, изменяющий условия охлаждения электрода в области кристаллизатора при электрошлаковом обогреве;

  - поверхность усадочной раковины описывается изотермой ликвидуса в тот момент, когда объём V ус , ограниченный изотермой ликвидуса, составляет V ус =β V ж , где β – коэффициент усадки металла при затвердевании, V ж – объём жидкометаллической ванны в момент окончания разливки.

Температурное поле в отливаемом электроде, шлаковой ванне и графитовом электроде определяем из решения дифференциального уравнения теплопроводности

aт 1 a r , aт^ ar, aт^ C . ,р— =--1 rк— 1 +--1 Л— 1 + q эфф at r ar v   arJ  az v az J ™ (1)

где q эл – плотность источников джоулева тепла в шлаковой ванне и графитовом электроде; С эфф – удельная теплоёмкость, учитывающая выделение теплоты кристаллизации L в интервале температур ликвидуса Т L и солидуса Т S :

C , T > T,; ж "

C^ =^

эфф

C + L тв

T - T_L

( T - T )”

T

SL c , t < T.

тв

.

При расчёте температурного поля в электроде начало координат связывали с его нижним основанием. Начальная температура разливаемого металла составляла Тн1=ТL1+∆Tп, шлака – Тн2, графитового электрода – Тн3. Граничные условия на боковых поверхностях графитового электрода, шлаковой ванны и отливаемого электрода принимали в виде:

i a т _       T \

-k i])n =a iT - тср)

,

где ni – нормаль к поверхности расчётной области (рис. 1, а); Tп, Tср – температура поверхности и температура среды; i =1 для электрода, i =2 для шлаковой ванны, i =3 для графитового электрода.

Теплообмен на зеркале металлической ванны (во время разливки), а также на верхней поверхности шлаковой ванны описывали граничным условием

-к— = o (t4 -T4)+а(т -T )

изл п      ср          п     ср az                                  .(4)

Теплообмен между шлаковой ванной, зеркалом металлической ванны и поверхностью графитового электрода, погружённого в шлаковую ванну, описывали граничным условием

.  a т k9

a n2

. a т = л. —

an i ,

где i = 1,3.

На оси симметрии электрода (шлаковой ванны и графитового электрода) принимали ус-aт ловие — = 0. Полученную систему уравнений az расписывали в виде конечных разностей по явной схеме; основные параметры системы, используемые при расчётах теплового состояния, принимали следующими: плотность металла ρ1=7600 кг/м3, шлака ρ2=2600 кг/м3, графитового электрода ρ3=1900 кг/м3, теплопроводность λ1=22 Вт/(м·К), λ2=0,7 Вт/(м·К), λ3=86 Вт/(м·К); удельная теплоёмкость С1=0,63 кДж/(кг·К), С2=0,84 кДж/(кг·К), С3=1,7 кДж/(кг·К); теплота кристаллизации L1=268 кДж/кг, L2=14,6 кДж/кг; температура ликвидуса ТL1=1763 К, TL2=1623 К, солидуса TS1=1703 К, TS2=1573 К; коэффициент теплообмена излучением σизл=2,5·10-8 Вт/(м2·К4); коэффициент теплоотдачи между шлаковой ванной и кристаллизатором α2=430 Вт/(м2К); коэффициент теплоотдачи у кристаллизатора α1k=215-145 Вт/(м2К); коэффициент теплоотдачи с нижней поверхности электрода α1п=510 Вт/(м2К); коэффициент теплоотдачи на боковой поверхности графитового электрода α3=30 Вт/(м2К). Результаты расчётов сравнивали с экспериментальными данными, полученными путём фиксации серой фронта затвердевания (рис. 1б) и обмера усадочной раковины (рис. 2а, б) при заданном режиме подвода электрической мощности на шлаковую ванну (рис. 2в).

На рис. 1б сопоставлены расчётные и экспериментальные данные по определению границы жидкой фазы в процессе разливки для момента времени 20 мин. Установлено совпадение экспериментальных данных с расчётными, за исключением нижней части электрода, где сказывается влияние затравки. Сравнение расчётных данных по определению контура усадочной раковины проводили для времени обогрева 30 и 60 мин. Результаты расчётов и экспериментальные данные приведены на рис. 2а, б. Контур усадочной раковины, полученный с помощью разработанной математической модели, хорошо согласуется с экспериментальными данными; количественное расхождение результатов по определению глубины усадочной раковины не превышает 12-16%. Результаты расчётов, приведенные на рис. 2а, б, получены при задании графика подвода электрической мощности на шлаковую ванну в соответствии с экспериментальными данными (рис. 2б). Из анализа результатов, приведенных на рис. 2а, б можно заключить, что разработанная математическая модель затвердевания электрода с учётом электрошлако-вого обогрева позволяет достаточно реально (с точностью 12-16%) прогнозировать форму и глубину усадочной раковины в зависимости от режима обогрева.

Рис. 1. Схема электрошлакового обогрева расходуемого электрода диаметром 520 мм:

а) 1 – графитовый электрод, 2 – шлаковая ванна, 3 – кристаллизатор, 4 – металлическая ванна, 5 – двухфазная зона, 6 – затвердевший металл, 7 – форсунки, 8 – затравка; б) сопоставление расчётных (сплошные линии) и экспериментальных (значки) результатов по определению границы металлической ванны через 20 мин после начала разливки

Исследование динамики изотерм ликвидуса и солидуса при затвердевании электрода диаметром 520 мм и длиной 5 м с учётом электро- шлакового обогрева на среднюю часть электрода не распространяется, максимальная глубина проникновения зоны теплового влияния обогрева составляет 1,0-1,3 его диаметра.

Рис. 2. Конфигурация усадочной раковины в электроде диаметром 520 мм при электрошлако-вом обогреве в течение 30 мин (а) и 60 мин (б) с учётом изменения электрической мощности (в): 1 – расчётные данные; 2 – экспериментальные данные по обмеру усадочной раковины; 3 и 4 – данные по изменению электрической мощности при обогреве в течение соответственно 30 и 60 мин

Электрошлаковый обогрев головной части электродов проводили с помощью установки, основными техническими характеристиками которой являются: тип трансформатора – ТШС-3000-3; мощность трансформатора – 570 кВА; ток на фазу – 1000-3000 А; напряжение на электродах – 40-60 В; диаметр графитовых электродов - 75-100 мм; расход воды на охлаждение токоведущих частей - 5 м3/ч; ход каретки с электродами – 1500 мм; рабочая скорость перемещения каретки – 50-350 мм/мин; масса установки (с трансформатором) – 3000 кг.

Схема и работа установки в процессе обогрева приведены на рис. 3. На плите 11 смонтирована колонна, по которой движется каретка 2. Привод каретки осуществляется от двигателя 12. На каретке крепится панель, к которой присоединяются три консоли 5. Электроды 10 зажимаются в электродержателях 6 и располагаются симметрично оси кристаллизатора 7. Консоли и электродержатели изготовлены пустотелыми с целью охлаждения их во время работы. Вода из цеховой сети подаётся по гибким шлангам к нижним патрубкам 4 каждой из трёх консолей и отводится из верхних патрубков 3.

б)

Рис. 3. Схема (а) и электрошлаковый обогрев головной части электрода диаметром 520 мм (б)

После прекращения подачи металла в кристаллизатор отключается механизм вытягивания электрода, а в кристаллизатор из сталеразливочного ковша заливают электропечной шлак толщиной 50-80 мм. После этого графитовые электроды устанавливают в рабочее положение. Обогрев начинают не позднее 1 минуты после окончания разливки. В шлаковую ванну дополнительно присаживаются при необходимости электропечной шлак или флюсы АНФ-6 (CaF2-Al2O3) и АН-29 (CaO-Al2O3). Продолжительность обогрева составляла 0,9-0,95 времени затвердевания электрода. Управление процессом обогрева осуществляется автоматически [9-11]. Результаты экспериментальных исследований качества металла подусадочной области полунепрерывнолитых электродов приведены на рис. 4 и в табл. 1.

Макроструктура головной части электродов плотная, без видимых дефектов, в том числе, в осевой зоне. Ниже зоны действия обогрева в средней части электрода наблюдается слабо выраженная осевая рыхлость, не превышающая 1/5 длины электрода. Высокое качество макроструктуры подтверждается при снятии серного отпечатка: дефекты усадочного и ликвационного происхождения отсутствуют. В зоне осевой рыхлости наблюдается незначительная V-образная ликвация серы. Ликвация по другим элементам по высоте и сечению электродов практически отсутствует; степень ликвации значительно ниже, чем при обычной разливке.

Таблица 1. Качественная характеристика электродов, полученных с электрошлаковым обогревом головной части

Примечание: τ – время обогрева; h – глубина усадочной раковины (числитель) и уровень отбора проб (знаменатель); γ – плотность металла

в)

г)

Рис. 4. Макроструктура головной части электродов диам. 520 мм стали марок ЭП678У и 30ХГСН2А с электрошлаковым обогревом: а, б – ЭП678У, продольное и поперечное сечение (уровень 350 мм), время обогрева 60 мин.; в – ЭП678У, время обогрева 30 мин; г – 30ХГСН2А, уровень 600 мм, время обогрева 60 мин

В зоне действия обогрева в 2 раза снижается содержание серы в сравнении с ковшевой пробой, но несколько увеличивается содержание углерода (при использовании графитовых электродов), марганца и кремния (повышенная температура способствует их восстановлению из шлака). Их содержание не выходит за пределы марочного состава. Отмечается снижение количества неметаллических, в частности, сульфидных, и газовых включений. На качество поверхности и геометрию электродов электрошлаковый обогрев не влияет. Усадочная раковина принимает форму чаши, её протяжённость снижается в 2-2,5 раза. Качество металла головной части электрода практически не отличается от основного металла.

ВДП электродов после обрези головной части проходил без замечаний, при отсутствии сильной ионизации и выделений шлака и соответствовал ходу переплава остальной части электродов. Уровень механических свойств проката ВД-слитков (σв, σт, δ, ψ, ан) превышает нормы технических условий на 20-50% и практически не отличается от свойств металла, наплавленного из катаных электродов.

Выводы: разработана технология элек-трошлакового обогрева полунепрерывнолитых расходуемых электродов для ВДП из легированных сталей. Приведены математическая модель и расчёты затвердевания электродов с электро-шлаковым обогревом. Проведенные расчёты соответствуют результатам экспериментальных исследований. Электрошлаковый обогрев улучшает качество подусадочной области отливаемых электродов; протяжённость усадочной раковины снижается в 2-2,5 раза. Качество металла вакуумно-дугового переплава удовлетворяет предъявляемым требованиям.