Влияние рода тока и скорости вращения электрода при ЭШП на химический состав стали

УДК 669.187.36

ВЛИЯНИЕ РОДА ТОКА И СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА ПРИ ЭШП НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СТАЛИ*

И. В. Чуманов, Д.А. Пятыгин

INFLUENCE OF THE CURRENT TYPE AND SPEED OF ELECTRODE ROTATION AT ELECTROSLAG REMELTING ON THE STEEL CHEMICAL COMPOSITION

I. V. Chumanov, D.A. Pyatygin

В данной работе представлены экспериментальные данные изменения химического состава стали полученной в процессе электрошлакового переплава в зависимости от рода тока (переменный или постоянный) и скорости вращения расходуемого электрода. Показано, что не смотря на значительное повышение производительности и снижение расхода электроэнергии изменения химического состава не наблюдается, за исключением повышенного угара Мп и Si. Повышенный угар является следствием увеличения реакционной поверхности, за счет уменьшения размера капли электродного металла.

Ключевые слова: электрошлаковый переплав, вращение электрода, постоянный ток, химический состав.

In this work the experimental data of change of the chemical composition of steel obtained during the electroslag remelting depending on the current type (alternate or direct current) and on the speed of consumable electrode rotation are given. In spite of the significant productivity improvement and reduction of the power consumption the changes of the chemical composition are not observed, excluding the increase of Mn and Si waste. The increased waste is a result of the extension of the reaction surface due to the size reduction of the electrode metal droplet.

Keywords: electroslag remelting, electrode rotation, direct current, chemical composition.

Одним из эффективных способов повышения производительности и снижения расхода электроэнергии является способ электрошлакового переплава на постоянном токе с вращением расходуемого электрода в охлаждаемом кристаллизаторе, разработанный на кафедре «Общая металлургия» ЮУрГУ (г. Златоуст). Данный способ предполагает комплексное воздействие на процессы рафинирования и кристаллизации, также возможность повышения тепловой эффективности электрошлакового процесса [1].

Для изучения влияния рода тока и скорости вращения электрода ЭШП на химический состав и распределение химических элементов по высоте слитка были проведены опытные плавки стали марки 30X13 и 30ХМА на полупромышленной установке А-550 как на переменном, так и на постоянном токе с различной скоростью вращения расходуемого электрода. Переплав осуществляли твердым стартом на флюсе АНФ-6. Ток и напряжение во всех случаях поддерживались постоянными (/ = 0,8 кА; и = 46 В). Электроды 040 мм переплав-

лялись в кристаллизатор 090. Род тока и скорость вращения электрода представлены в таблице.

Химический состав флюса после переплава определяли на рентгеновском аппарате «АКЬ-72000». Как показывают результаты, род тока (постоянный или переменный) не оказывает влияние на изменение минералогического состава флюса после переплава.

Химический анализ стали 30Х13-Ш и 30ХМА производили по ГОСТ 18895-97 «Сталь. Метод фотоэлектрического спектрального анализа» Е 970 и Е 983, ГОСТ 28033-89 «Сталь. Метод рентгено-флюорисцентного анализа.» (Сг) СРМ-25 и СРМ-18, ГОСТ 12344-88 «Стали легированные и высоколегированные. Методы определения углерода» АН-7529.

Исследованию подвергли распределение химических элементов в электрошлаковом слитке, полученном электрошлаковым переплавом на постоянном и переменном токе с вращением расходуемого электрода с различными скоростями. Изменение содержания Мп и в стали марки 30X13 и 30ХМА, полученных при различных скоростях

* НИР проведена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013 гг.), гос. контракт № П316 от 28.07.2009 и № П874 от 18.08.2009.

№ плавки Марка стали Род тока Количество оборотов, об/мин Массовая скорость переплава, кг/ч Расход электроэнергии, кВтч/кг

10 30X13 Пост. 0 10,62 1670,63

11 30X13 Пост. 90 14,70 1037,81

12 30X13 Пост. 120 14,21 1112,42

13 30ХМА Перемен. 0 8,43 1680,00

14 30ХМА Перемен. 120 10,84 898,23

15 30ХМА Пост. 0 11,42 1638,65

16 30ХМА Пост. 60 12,12 1318,92

17 30ХМА Пост. 90 12,58 1125,00

18 ЗОХМА Пост. 120 14,40 803,71

Скорость вращения электрода, об/мин

Скорость вращения электрода, об/мин

Изменение содержания Мп и в исследуемых образцах, полученных при различных скоростях вращения расходуемого электрода в процессе ЭШП

вращения расходуемого электрода в процессе ЭШП, представлены на рисунке.

Химический состав опытных плавок стали ЗОХМА-Ш различных вариантов ЭШП определяли по высоте слитка на пробах А (верх), Б (середина) и У (низ слитка).

Максимальные изменения в сторону уменьшения в химическом составе опытных плавок наблюдаются в содержании Мп, Бь Изменения также в сторону уменьшения содержания в химическом составе металла опытных плавок наблюдаются в содержании С, 8, Сг. Содержание Р увеличивается на тысячные доли процента. Из остаточных и цветных элементов значительные изменения наблюдаются в содержании А1.

Углерод (С) - плавки № 13 и 15 (пост, ток, О и 90 об/мин соответственно) имеют максимальные отклонения по сумме трёх проб (А, Б, У) по высоте слитка опытных плавок 0,06 %. На осталь-

ных плавках как на постоянном, так и на переменном токе суммарные отклонения составляют 0,02-0,03 % (плавки № 17, 18, 14); на плавке № 16 (пост, ток, 60 об/мин) изменения в содержании углерода не произошло.

Марганец (Мп) - содержание марганца значительно ниже против химического состава исходной плавки стали марки 30ХМА: в пробах 1А, 1У -плавка № 13 (пер. ток, 0 об/мин) на 0,17 %; 2Б, 2У -плавка № 14 (пер. ток, 120 об/мин) на 0,11 и 0,19 % соответственно; ЗУ - плавка № 15 (пост, ток, 0 об/мин) на 0,14 %; 5У - плавка № 17 (пост, ток, 90 об/мин) на 0,13 %. Наибольшее изменение имеет в пробах 6Б, 6У плавка № 18 (пост, ток, 120 об/мин) на 0,18 и 0,19 % соответственно. Суммарное изменение в содержании марганца колеблется в пределах 0,38-0,35 % на плавках № 13 и 14 (пост, ток, 0 и 60 об/мин; 0,48 % на плавке № 18 (пост, ток, 120 об/мин). На остальных плавках суммарные

14

Вестник ЮУрГУ, № 34, 2010

Чуманов И.В., Пятыгин Д.А.

Влияние рода тока и скорости вращения электрода при ЭШП на химический состав стали

изменения колеблются от 0,20 до 0,25 % (плавки № 17, 15, 16). Абсолютное снижение марганца на всех опытных плавках как на постоянном, так и на переменном токе ЭШП лежат в пределах от 0,03 до 0,20 %.

Кремний (Si) - на плавках № 13-16 ЭШП на постоянном токе суммарные изменения в содержании кремния колеблются от 0,37 до 0,46 %; на переменном токе от 0,36 до 0,53 %. Абсолютное снижение содержания кремния колеблется от 28,1 % (плавка № 17 - пост, ток, 90 об/мин) до 62,5 % (плавка № 18 - пост, ток, 120 об/мин). Плавки на постоянном токе имеют промежуточные значения снижения содержания кремния по сравнению с плавками на переменном токе.

Фосфор (Р) - в четырёх случаях из восемнадцати измерений изменений в содержании фосфора не произошло: ЗА, ЗБ (плавка № 15 - пост, ток, 0 об/мин); 4А (плавка № 1 - пост, ток, 60 об/мин), 6А (плавка № 18 - пост ток, 120 об/мин). На остальных плавках изменения в содержании фосфора колеблется в пределах от 0,001 до 0,005 %. Максимальные суммарные изменения имеют плавки: плавка № 17 (пост, ток, 90 об/мин) - 0,010 %; плавки № 18, 13 (пост, ток, 120 об/мин и пер. ток, 0 об/мин соответственно) - 0,006 %.

Сера (S) - увеличение содержания серы (0,002 %) отмечено на одной пробе 1У (плавка № 13 - пост, ток, 0 об/мин); на остальных 17 пробах уменьшение содержания серы колеблется от 0,001 (1 случай) до 0,008 % (3 случая). Суммарное уменьшение содержания серы на плавку колеблется от 0,009 до 0,022 %. Максимальное снижение серы отмечено как на плавке № 16 (пост, ток, 60 об/мин), так и на плавке № 17 —0,022 % (пост, ток, 90 об/мин).

Никель (Ni) - в шести случаях из восемнадцати увеличение содержания никеля не произошло, в остальных случаях увеличение колеблется от 0,01 (5 случаев) до 0,1 % (1 случай, плавка № 17 - пер. ток, 90 об/мин).

Хром (Сг) - содержание хрома в опытных плавках по сравнению с химическим составом исходной плавкой не изменилось в 2 случаях - пробы ЗБ, ЗУ - плавка № 14 - пер. ток, 120 об/мин; в 6 случаях имеет место некоторое увеличение содержания хрома от 0,01 до 0,27 %; в остальных случаях содержание хрома снизилось от 0,01 до

0,10%. Максимальное суммарное увеличение содержания хрома имеет место на плавках № 13, 14 (пер. ток, 0 и 120 об/мин) - 0,29 и 0,18 соответственно; максимальное уменьшение отмечено на плавке № 19 (пост, ток, 120 об/мин) - 0,18 %.

Алюминий (А1) - остаточное содержание алюминия колеблется от 0,01 до 0,18%. Максимальное суммарное содержание алюминия отмечено на

плавке № 18 (пост, ток, 120 об/мин) - 0,42 % и на плавках № 13, 14 (пер. ток, 0 и 120 об/мин) -0,38 %.

Остаточное содержание вольфрама (XV), ванадия (V), титана (ТО, кобальта (Со) не превышает 0,01 %; содержание цветных металлов изменяется: олово (Бп) от 0,003 до 0,004 %; свинец (РЬ) -от 0,004 до 0,008 %.

Аналогичные результаты были получены и при исследовании химического состава стали 30Х13-Ш. Наибольший угар кремния происходит внизу слитка (от 55,2 % в плавке без вращения до 51,0% в плавке с вращением 120 об/мин). Несколько меньший угар кремния наблюдается вверху слитка (от 50 % в плавке без вращения до 39,6 % в плавке с вращением 90 об/мин).

Наибольший угар Мп наблюдается на плавке с применением технологии вращения расходуемого электрода со скоростью 120 об/мин. Внизу слитка угар Мп также несколько больше.

Таким образом, электрошлаковый переплав с вращением расходуемого электрода приводит к некоторому увеличению угара легирующих элементов, но обеспечивает получение плотных слитков с большой равномерностью по химическому составу и без макродефектов при значительном увеличении скорости наплавления. Изучение характера изменения содержания кремния и марганца в зависимости от технологии позволил получить следующие результаты. Содержание марганца и кремния уменьшается во всех плавках, причем со скоростью вращения электрода 120 об/мин угар марганца и кремния максимальный. Более высокий угар кремния и марганца при ЭШП на постоянном токе с вращением расходуемого электрода, по сравнению с переплавом на переменном токе без вращения расходуемого электрода, можно объяснить большей реакционной поверхностью. Капли электродного металла, отрываемые под действием центробежных сил, имеют меньший размер и проходят больший путь в шлаковой ванне, что приводит к тому, что химические реакции проходят более полно. Значительных изменений в содержании серы не отмечено. Данное обстоятельство можно объяснить тем, что начальное содержание серы достаточно низкое в электродном металле и для обеспечения большей степени десульфурации необходимо применять специальные технологии, которые в данной работе не рассматривались.

Литература

1. Чуманов, И.В. Особенности электрошлако-вого переплава на постоянном токе с вращением расходуемого электрода / И.В. Чуманов, Д.А. Пятыгин // Известия вузов. Чёрная металлургия. — 2006. -№ 7. - С. 25-26.

Поступила в редакцию 6 апреля 2010 г.