Введение к работе
Актуальность темы. Нефтедобывающая отрасль является важной составляющей экономики РФ, которая предъявляет ряд жестких требований к качеству деталей нефтедобывающих электронасосов. Современное состояние машиностроительного производства диктует поиск резервов увеличения качества металлопродукции, что осуществимо за счет совершенствования существующих технологий выплавки конструкционных сплавов.
В настоящее время выплавка сталей в индукционных печах осуществляется с использованием «переплавных» технологий, которые существенно сужают сырьевую базу печей по стальному лому ввиду необходимости подбора шихты по нижнемарочному содержанию основных элементов. Выплавка конструкционных чугунов осуществляется на высокотемпературных форсированных режимах, а использование режимов термовременной обработки расплавов всегда требует дополнительных исследований их влияния на показатели процесса и качество сплавов. В ряде случаев при смене марки или предприятия-поставщика перерабатываемых доменных чугунов наблюдается их «наследственное» влияние на свойства получаемой металлопродукции, которое до настоящего времени не регламентируется технологическими инструкциями.
Все вышесказанное определяет актуальность работы, которая направлена на совершенствование технологий выплавки сплавов в современных индукционных печах и выполнена при поддержке грантом РФФИ 09-08-97578-р_центра_а в рамках разрабатываемого в ЛГТУ научного направления «Феноменологические модели и нелинейная динамика высокотемпературных процессов и технологий». Работа удостоена областной премии имени С.Л. Коцаря за достижения в области технических наук.
Целью работы является совершенствование технологий выплавки конструкционных чугунов ЧН15Д7, СЧ03Ц01Б и стали 30, предназначенных для изготовления ответственных деталей нефтедобывающих насосов, в индукционных сталеплавильных печах ИСТ-1,0 с кислой и нейтральной футеровкой с проведением эффективных рафинировочных операций для повышения качества сплавов.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:
1) исследовать полный химический состав используемых доменных чугунов и стального углеродистого лома, включая содержание микроэлементов-ликвантов, для последующей их минимизации в шихте;
2) исследовать влияние типа структуры доменных чугунов и температуры выдержки расплавов на дендритную сегрегацию и твердость структуры получаемых чугунов с определением диапазона температур плавок для получения минимальной твердости литых заготовок;
3) исследовать поведение углерода, кремния и марганца при высокотемпературном форсированном режиме с использованием в качестве шлакообразующей смеси кварцевого песка и при трёх периодах температурной выдержки с использованием шлакообразующей смеси на основе оксидов системы «SiO2 - Al2O3 - CaO»;
4) организовать плавки с окислительным периодом посредством ввода твердого окислителя на шлак и исследовать поведение углерода, кремния, серы и фосфора по ходу процесса;
5) установить в сравнении с действующей технологией технико-технологические показатели процессов и качественные характеристики получаемых сплавов в технологических пробах и заготовках деталей нефтедобывающих насосов.
Достоверность основных положений и выводов. Достоверность результатов работы подтверждается проведением промышленных плавок с использованием новейшего оборудования контроля температуры, состава, структуры и свойств сплавов, программного обеспечения анализа данных и теоретическим анализом процессов с использованием современной теории металлургических расплавов.
Научная новизна работы. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. На нейтральной футеровке предложена технология выплавки углеродистой стали с окислительным периодом, направленная на повышение степени удаления углерода, кремния и серы, повышение стойкости футеровки и снижения индекса загрязненности стали неметаллическими включениями.
2. Предложена технология выплавки конструкционных чугунов с тремя периодами температурной выдержки и использованием твердых шлакообразующих смесей на основе оксидов системы «SiO2 - Al2O3 - CaO» на кислой футеровке, направленная на уменьшение степени окисления углерода и марганца, повышение стойкости футеровки, снижения индекса загрязненности чугунов неметаллическими включениями и растворенными газами.
3. Для процесса выплавки конструкционных чугунов установлено явление «структурной наследственности», заключающееся в увеличении склонности расплавов чугунов к дендритному построению структуры при использовании в шихте ледебуритных доменных чушковых чугунов с дендритной сегрегацией микроструктуры, повышающей их твердость в технологических пробах и заготовках.
4. Предложена и апробирована методика исследования качества доменных чушковых чугунов и стального лома, заключающаяся в совместном использовании методов визуального, металлографического и спектрометрического анализа темплетов выборки материалов, позволяющая в более сжатые сроки в производственных условиях определять их полный химический состав и внутренние дефекты, влияющие на качество металлопродукции.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Для процесса выплавки стали:
- установленные технико-технологические показатели и качество получаемой стали по содержанию неметаллических включений и механическим свойствам поковок деталей нефтедобывающих насосов;
- полученные экспериментальные зависимости коэффициента распределения S от содержания FeO и CaO в шлаке, коэффициента распределения P от содержания FeO и температуры, содержания С и Si от температуры и длительности плавки.
-
Для процесса выплавки чугунов:
- установленные в сравнении с высокотемпературным форсированным процессом технико-технологические показатели и качество получаемых чугунов по содержанию неметаллических включений, растворенных газов, механическим свойствам и количеству брака в литых заготовках нефтедобывающих насосов;
- полученные экспериментальные зависимости содержания С, Si и Mn от температуры расплава, длительности плавки и содержания FeO в шлаке;
- полученные экспериментальные зависимости поверхностной твердости чугунов в технологических пробах от температуры выдержки расплавов, площади сегрегации и фрактальной размерности дендритов при переделе «белых» и «серых» доменных чушковых чугунов.
Практическая ценность работы.
-
-
Внедрение технологии выплавки конструкционных чугунов СЧ03Ц01Б и ЧН15Д7 в индукционных печах с кислой футеровкой в действующее производство ООО «Лебедянского машиностроительного завода» (ООО «ЛеМаЗ») позволило снизить на 31,5% индекс загрязненности сплавов, уменьшить степень окисления С на 1% отн. масс., Mn - на 4% и степень восстановления Si - на 5,3%.
-
Внедрение технологии выплавки углеродистой качественной стали 30 в индукционных печах с нейтральной футеровкой позволило снизить на 19,5% индекс её загрязненности, повысить в 2 раза стойкость футеровки, удалить С и S - на 33%, Si - на 86% и, соответственно, перерабатывать стальной лом с завышенным содержанием данных марочных элементов.
-
В период испытания технологии выплавки чугунов на крупной серии плавок (530 плавок) получено повышение стойкости кислой футеровки на 25% и улучшение механических характеристик чугуна ЧН15Д7: увеличен на 15,6% предел прочности, снижена на 8,8% твердость; также уменьшено на 15,85% количества брака (газо-усадочные раковины) в литых заготовках нефтедобывающих насосов.
-
С помощью методики исследования качества шихтовых материалов установлено содержание вредных микроэлементов в доменных чушковых чугунах марок Л5, ПЛ1, ЛР6, П1 (от 0,025 до 0,034%) и стальном углеродистом ломе категории 1А (от 0,016 до 0,023%), составляющих сырьевую базу печей в условиях Центрального федерального округа.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на международных научно-технических конференциях «Современная металлургия начала нового тысячелетия»: ІII (г. Липецк, 2006), ІV (г. Липецк, 2007), V (г. Липецк, 2008), VI (г. Липецк, 2009), «Славяновские чтения «Сварка – XXI век» (г. Липецк, 2009), а также университетских научных семинарах в период с 2008 по 2010 гг. (г. Липецк, ЛГТУ).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем работы и структура. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав с выводами, библиографического списка из 119 наименований, основных выводов и 4 приложений. Включает 103 страницы текста, а также содержит 85 рисунков и 113 таблиц.
Похожие диссертации на Совершенствование и внедрение технологии выплавки в индукционных печах конструкционных чугунов и стали для деталей нефтедобывающих насосов
-
