Введение к работе
Актуальность проблемы. На современном этапе развития общества проблема ресурсосбережения стала проблемой мирового порядка. Для спецэлектрометаллургии экономия металлосодержащего сырья при производстве продукции имеет первостепенное значение. Использование существующих организационных и технических методов сокращения материальных затрат прн выплавке легированных сталей и сплавов не всегда является эффективным из-за дефицита шихтовых материалов. Применение шихты, альтернативной известным видам, требует специальных технологических решений, обеспечивающих заданный уровень качества готовой металлопродукции. Освоение и широкое внедрение в производство отходоёмких, малоотходных и безотбраковочных сталеплавильных технологий является наиболее рациональным вариантом экономии остродефицитного сырья, предназначенного для выпуска металлопродукции ответственного назначения.
Многообразие методов решения задач по созданию новых технологий і: внедрению их в производство обусловливает необходимость использования проблемно-ориентированных организационных структур управления поисковыми работами, выполнение которых должно быть осуществлено о максимальной эффективностью. При этом разработка указанных технологий базируется на всестороннем изучении физико-химических процессов, происходящих при выплавке и разливке металла. Определение термодинамических и кинетических закономерностей сложных и взаимосвязанных процессов раскисления, деазотацик, формирования и удаления неметаллических включений, микролегирования сталей и сплавов при их получении методами спецэлектрометаллургии, а также исследование влияния технологических факторов на качество металла, направлено на решение конкретных задач по экономии дефицитного сырья и повышению выхода годного за счет использования в промышленных условиях прогрессивных способов получения сталеплавильной металлопродукции.
Диссертационная работа, посвященная решению указанных вопросов, выполнена в соответствии с положением о роли вузовской науки в управлении научно - техническим прогрессом в стране, а также Постановлением ГКНТ СССР от 30 сентября 1989 г. N631 "О проведении дополнительных научно - исследовательских и опытно-конструкторских работ по доведению до требований мирового рынка технологии электрошлакового переплава пылевидных отходов и окалины легированных сталей" и заявками предприятий.
Цель работы. На основе изучения физико-химических закономерностей рафинирования сложнолегированных металлических расплавов от вредных примесей разработать новые сталеплавильные ресурсосберегающие технологии и осуществить их промышленное освоение при производстве специальных сталей и сплавов.
Для достижения поставленной цели в работе решаются задачи:
теоретически обобщить и экспериментально исследовать термодинамические и кинетические закономерности процессов раскисления, деазота-ции. формирования и удаления неметаллических включений из сложнолегированных металлических расплавов в совокупности с микролегированием металла;
изучить окислительно-восстановительные процессы, протекающие при взаимодействии твердофазных компонентов - составляющих экзотермических смесей и разработать составы взрывопожаробезопасных смесей, предназначенных для отливки слитков экономного развеса с уменьшенной прибыльной частью;
исследовать влияние режимов раскисления исходного металла, комплектации и термообработки расходуемых электродов, предназначенных для последующего рафинирующего переплава и получения слитка с заданной структурой и свойствами;
разработать промышленные отходоёмкие сталеплавильные технологии рациональной переработки фрагментированных металлосодержащих отходов (стружки, металлоабразивной пыли, шламов) и заменить дорогостоящие металлические материалы на недефицитную, экономичную шихту, предназначенную для выплавки сталей с фазовым упрочнением, жаропрочных, жаростойких и прецизионных сплавов;
повысить экономическую эффективность производства сталеплавильной металлопродукции традиционного сортамента, высокочувствительных термобиметаллов, обеспечить выпуск изделий из новых высокопрочных сталей, жаропрочных сплавов для авиационной техники и малой энергетики на базе конвертированных авиационных двигателей;
оценить роль технико-экономических и организационно-управленческих факторов при разработке и внедрении в производство сталеплавильных ресурсосберегающих технологий.
Научная новизна. Разработаны научные положения о процессах рафинирования сложнолегированных металлических расплавов от кислорода, азота, неметаллических включений. Изучены термодинамические и кинетические закономерности раскисления высокоактивными элементами сплавов на основе никеля. Установленные энергетические параметры и лимитирующие стадии процесса взаимодействия высокоактивных элементов с кислородом металлического расплава, газовой и окисной фазами использованы для создания технологических условий получения рафинированного изотропного металла, а также для обоснования термодинамических принципов подбора компонентов шлакообразуащих, взрывспожаробезопасных экзотермических смесей и экзовкладышей. предназначенных для улучшения тепловой работы арибыли слитка.
Разработан метод изучения условий нитридообразования в высоколегированных никельхромовых сплавах с титаном и алюминием. Метод экстраполяции зависимости содержания титана от парциального давления азота в газовой фазе на исходную концентрацию титана в сплаве позволяет оценить отклонение термодинамических свойств растворов нитридообразующих элементов от идеального раствора. Это уточняет современные представте ния о закономерностях и механизме процесса нитридообразования и деазо-тации никелевых суперсплавов.
Сформулированы, теоретически и экспериментально обоснованы научные положения о взаимодействии карбонитридных фаз в твёрдом сложноле-гированном никелевом сплаве при высокотемпературном отжиге, определены оптимальные режимы термовибрационной обработки исходного металла, предназначенного для последующего переплава и получения рафинированного от нитридов наплавляемого слитка.
Разработаны предложения по использованию нетрадиционных шихтовых материалов и применению новых способов электроплавки сталей и сплавов. Предложены технологические варианты производства известной и уникальной металлопродукции методами спецэлетрометаллургии.
Дана научная оценка роли организационно-управленческих факторов при разработке и внедрении в производство новых ресурсосберегающих металлургических технологий получения сталеплавильной металлопродукции.
Практическая значимость. Выполненный комплекс теоретических и экспериментальных исследований физико-химических процессов рафинирования сложнолегированных металлических расплавов позволил разработать новые и усовершествовать существующие промышленные способы производства сталей с фазовым упрочнением, а также жаропрочных, жаростойких, прецизионных сплавов и термобиметаллов. Определены и расширены технологические возможности существующих методов открытой, вакуумной электроплавки и рафинирующих переплавов. За счёт использования эффективных способов раскисления, деазотации, легирования металлического расплава высокоактивными элементами реализована возможность замены дорогостоящих металлических шихтовых материалов на недефицитные и обеспечен требуемый уровень качества готовой металлопродукции.
Разработаны и внедрены в производство технологические режимы выплавки сварочных и мартенситно-стареющих сталей с послойной загрузкой шихтовых материалов и раскислением углеродом при расплавлении завалки. Освоен и применяется в производственных условиях способ раскисления завалки алюминием и флюсораскислительными магнийсодержащими смесями. Рациональные варианты раскисления и легирования титаном, алюминием, кальцием, магнием, РЗМ применяются при выплавке никельхромовых сплавов в промышленных открытых дуговых, индукционных и вакуумных индукционных печах.
Для микролегирования металла магнием и пассивации пирофорных свойств взрывопожароопасного конденсата, образующегося при вакуумной индукционной плавке, применяется способ выплавки с введением в тигель магнезито-хлоридной смеси перед завалкой шихты в печь. Это стабилизирует качество готового металла, улучшает условия эксплуатации промышленных вакуумных индукционных печей. Освоена в промышленных условиях термовибрационная обработка металла при отливке электродов в вакуумной индукционной печи.
Широко применяются при отливке слитков в СПЦ-1,2 АО "Электросталь" новые взрывопожаробезопасные экзотермические смеси с алюминийсо-держащими отсевами стружки и шлака, а также экзовкладыши. При использовании вместо более дорогого люнкерита новых смесей и утепляющих прибыль вкладышей потери металла сокращены до 4 %, тем самым значительно уменьшено количество отходов в технологическом цикле производства проката по существующей на предприятии технологической схеме.
На базе электрошлакового участка с печами ОКБ-905 и ОКБ-906 АО "Электросталь" организовано безотбраковочное производство металлопродукции электрошлакового исполнения с использованием комплектации электродов исходного металла по фазовому составу и легированием переплавляемого металла при ЭШП. Практически полностью для 28 марок сталей устранена зачистка и торцовка литых электродов под ЭШП, что позволило повысить выход годного при одновременном сокращении доли ручного труда на подготовку металла к переплаву.
На ПО "Большевик" освоено промышленное электрошлаковое производство полых заготовок 17-и типоразмеров массой от 500 кг до 2500 кг. При этом почти в 2 раза увеличен коэффициент использования металла при одновременном снижении материальных и трудовых затрат по сравнению с традиционной технологией изготовления аналогичных изделий из поковок.
Разработана рациональная технологическая схема производства литых заготовок высокочувствительного термобиметалла ТБ2013. Создано новое. безопасное, высокорентабельное производство электрошлакового рафинированного марганца, предназначенного для выплавки активной составляющее термобиметаллов данного класса. Освоена и внедрена в производство эреологически чистая технология отливки пакетов сплава ТБ2013 в составной кокиль с использованием терпенов для создания защитной атмосферы при синхронизированной заливке жидких металлических составляющих термобиметалла в кокиль. Доказана перспективность Фильтрации металлических расплавов с одновременной обработкой шлаковыми смесями на керамическом фильтре металлических расплавов перед заливкой металла в кокиль. Оценена целесообразность применения электрошлаковой отливки пакетов термобиметаллов. В настоящее время широко используемые в ФЛЦ АО "Электросталь" разработанные технические решения являются одной из главных составных частей уникального отечественного производства металлопродукции из термобиметалла ТБ2013.
Полученные в работе результаты положены в основу комплексной переработки фрагмэнтирсванных некомпактных металлесодержащих отходов металлургического производства (стружки, металлоабразивной пыли) с максимальным извлечением легирующих в технологическом цикле выпуска продукции на АО "Электросталь".
Техническая новизна и практическая значимость проведенных разработок подтверждена 46 авторскими свидетельствами СССР на изобретения и патентами. Экономический эффект от внедрения результатов работы составил за период 1975-1996 г.г. около 140 млн. рублей, что эквивалентно 7,5 млн. долларов за указанный период, при долевом участии автора-20%.
Апробация работы. Результаты работы доложены на :
VIII Всесоюзной конференции по физико-химическим основам производства стали, ИМет АН СССР, М., 1977 г. ;
I Всесоюзной конференции "Охрана окружающей среды и утилизация ценных отходов в металлургии", МИСиС. М., 1978 г.;
Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы создания высококачественных сталей и уменьшения отходов в черной металлургии", МИСиС, М.. 1981 г.;
Международной конференции "Проблемы совершенствования хозяйственного механизма стран - участников СЭВ", МИНХ им.Г.В.Плеханова, М.,1986 г.;
заседании Научного Совета Государственного комитета СССР по науке и технике "Новые процессы в черной металлургии", ГКНТ СССР, ИМет АН СССР. ЦНИИчермет, Минмет СССР, М., 1989 Г.;
заседании у Первого заместителя Председателя ГКНТ СССР по итогам выполнения Постановления ГКНТ СССР от 30 октября 1089 г. И 631'"О проведении дополнительных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по доведению до требований мирового рынка технологии электрошлакового переплава пылевидных отходов окалины легированных сталей", М., 1989 г.
Основное содержание работы опубликовано в 18 научных статьях в журналах: "Изв.вузов. Чёрная металлургия", "Сталь", "Бюллетень Черме-тинформации", "Производственно-технический бюллетень", "Специальная электрометаллургия ", "Спецэлектрометаллургия" и сборниках: "Вопросы оборонной техники", "Электрошлаковая технология", "Новые технологии производства сталей".
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 336 наименований, содержит 264 страницы текста, 137 иллюстраций и 70 таблиц. В приложениях даны документы о внедрении разработок в производство и представлен список работ по теме диссертации. Общий объем работы 291 страница.