Влияние состава флюса, рода и полярности тока на эффективность электрохимических процессов в электрошлаковой системе

освоено производство литой заготовки на давление 400750 атм. Основой повышения механических свойств явилось широкое использование различных комбинаций модификаторов и плавка в ДППТНП. Подробнее свойство, а в особенности содержание растворенных газов - азота и водорода - исследовалось в стали 30 ХМЛ.

Образцы для испытаний изготавливались из клиновых проб. Все исследуемые плавки были предварительно раскислены алюминием в количестве 0,1% по массе. Состав и количество использованных модификаторов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Варианты модифицирования

№ образца Количество добавок модификаторов, вес %

СК 25 ФС30РЗМ30 ФСМг7

1 0,20 - -

2 - 0,10 -

3 - 0,15 -

4 0,10 0,20 -

5 0,20 0,10 0,10

6 0,20 0,10 0,20

Химический состав образцов приведен в табл. 5.

Таблица 5

Содержание химических элементов в образцах из клиновых проб, %

№ обр. C Mn Si S P Cr Ni Mo Cu Al

1 0,26 0,41 0,44 0,024 0,031 0,83 0,15 0,22 0,11 0,065

2 0,25 0,38 0,32 0,039 0,031 1,00 0,17 0,21 0,17 0,047

3 0,25 0,37 0,31 0,040 0,032 1,02 0,16 0,21 0,14 0,079

4 0,31 0,57 0,46 0,033 0,032 1,24 0,14 0,21 0,13 <0,01

5 0,32 0,76 0,53 0,028 0,025 0,92 0,11 0,22 0,12 0,055

6 0,33 0,74 0,58 0,027 0,024 0,91 0,11 0,21 0,12 0,058

Результаты анализа содержания водорода и азота в образцах приведены в табл. 6.

Таблица 6

Содержание газов в образцах, %

№ образца Азот Водород

2 0,0145 0,00032

3 0,0125 0,00031

4 0,0150 0,00030

5 0,0090 0,00028

6 0,0011 0,00024

Эти результаты позволили добиться предельно высоких механических характеристик металла, ударная вязкость равна 1,0-1,4 МДж/м2 после переплава в ДСП (в термообработанном состоянии).

На ОАО "Курганмашзавод" в электродуговых печах ДС-5МТ выплавлялись серые чугуны различных марок от СЧ15 до СЧ30 включительно и ВЧ40-ВЧ70.

Содержание перлита в СЧ30 возрастает с возрастанием марки от П45, Ф55 до П в СЧ30.

Плавка исходного чугуна для ВЧ осуществляется в дуговой печи с основной футеровкой.

С внедрением в производство дуговой печи, работающей на постоянном токе, значительно облегчился и ускорился процесс десульфурации за счет перемешивания металла и его активного взаимодействия со шлаком, основность которого составляет более 2,0.

В результате мы всегда имеем содержание серы в исходном чугуне не более 0,01%, что позволяет уменьшить расход магниевой лигатуры до 1,0-1,2%.

За счет глобулизации неметаллических включений в

ЧШГ заметно возрастают механические и пластические свойства. Так, чугун со следующим содержанием элементов: С=3,58; Si=2,13; Мп=0,68; S=0,007; Р=0,06; Сг=0,17; М=0,05 имеет предел прочности 60,6 кгс/мм2, а относительное удлинение 12,0%.

Чугун следующего химического состава: С=3,23; Si=2,65; Мп=0,58; S=0,004; Р=0,06; Сг=0,17; М=0,06 имеет предел прочности 68,0 кгс/мм2, а относительное удлинение 8,4%.

Кроме таких технологических преимуществ печи постоянного тока ДППТ-5АГ перед печью переменного тока ДС-5МТ, получены значительные преимущества технико-экономических и экологических показателей. Так, расход графитированных электродов с 5,5 кг/т в печи ДС-5МТ снизился до 1,4-1,7 кг/т в печи ДППТ-5АГ. Угар металла снижен с 6,0-6,5% в печи переменного тока до 0,5-1,0% в печи постоянного тока. Замеры выбросов пыли при плавке стали 110Г13Л в ДППТ-5АГ составили:

Выбросы Выбросы, г/с пдв

Пыль 0,7914 0,9853

В т.ч. марганец 0,026562 0,1486

Колебания мощности нагрузки при расплавлении снизились более чем на 80%. Увеличение слива металла из печи ДППТ-5АГ в сравнении с ДС-5МТ, за счет снижения угара шихты « 40 кг на 1 т. Уровень шума снижен до 93-95 Дба [2].

Все преимущества плавки привели к повышению качества литых заготовок запорной арматуры для нефтегазового комплекса из конструкционных углеродитсых и легированных сталей, а также получены данные повышения качества литых заготовок из серого чугуна и чугуна с шаровидной формой графита.

На ОАО "Курганмашзавод" намечается дальнейшая реконструкция плавильных печей, работающих на переменном токе, с переводом их на постоянный ток, а также установка новых печей для плавки сплавов на основе алюминия, чугуна, специальных сплавов.

Список литературы

1. Малиновский В.С., Дубинская Ф.Е. Технико-экономические и экологичес-

кие аспекты альтернативных технологий плавки металла в дуговых печах//Электрометаллургия.-1999.-№3.-С. 8-16.

2. Малиновский В. С. Способ электроплавки и дуговая печь для его

осуществления. Патент РФ №2104450.

3. А.В. Афонаскин, И.Д. Андреев и др. Результаты первого этапа

дугового плавильного агрегата постоянного тока нового поколения на ОАО "Курганмашзавод"//Литейное производство.-2000.- №11.- С. 20-23.

Гончаров А.Е., Соловьев Г.И., Гончаров В.А., Давыдов А.К., Марфицин В.В. Курганский государственный университет, г. Курган

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ФЛЮСА, РОДА И ПОЛЯРНОСТИ ТОКА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СИСТЕМЕ

Роль состава шлака в формировании химического состава металла при электрошлаковом процессе подчеркивают многие исследователи [1- 4]. При этом основное внимание уделяется его рафинирующим способностям. В

ряде работ рассматриваются электрохимические свойства флюсовых расплавов, анализируются электрохимические процессы и их связь с условиями протекания окислительно-восстановительных реакций. Однако все эти исследования представляют собой эпизодические работы и не позволяют в полной мере оценить вклад электрохимических процессов в формирование химического состава электрошлакового металла. Здесь следует отметить исследования уральской школы, в которых порой убедительно показано влияние электрохимических закономерностей и их эффективность в различных технологических переплавных процессах, возможности модифицирования ния металла определенными элементами, обеспечиваю щими повышение физико-механических и эксплуатацион ных качеств выплавляемого металла. Достаточно проявляющиеся зависимости состава металла шлака еще раз подчеркивают необходимость ческого изучения обменных реакций при электрошлако вом процессе с целью дальнейшего совершенствования вариантов электрошлаковых технологий.

Концентрационная зависимость элементов шлак-металл при электрошлаковом процессе смотрена на примере поведения ванадия, титана на фоне фторидных флюсов системы СаГ2 - Ме А12Оэ- МедОь (типовые флюсы АНФ - 1П и АНФ -вели на постоянном токе обратной полярности ния электролиза проявляются достаточно наглядно

На рис. 1 приведены зависимости кон восстанавливаемого элемента [Ме] в электрошлаковом металле от содержания его оксида в шлаке.

Концентрация ванадия в слитке закономерно растет с увеличением добавки оксида ванадия к флюсу АНФ- 1П. Диапазон добавки \/205 к флюсу от 5 до 20 мас.% дает прирост концентрации ванадия в металле от 0,5 до 1,0%.

Причем Д [V] уменьшается с увеличением количества добавляемого оксида (Д М5_10= 0,28%, Д [У]10_15 = 0,16%,

А М15_20 = 0,06%). Исходя из этого, можно принять, что наиболее рациональная добавка \/2<Э5 к шлаку около 10 мас.%. По-видимому, это связано с тем, что \/2<Э5, имея электронно-дырочную проводимость [6], снижает степень ионности шлака-электролита и его эффективность.

Аналогичный характер зависимости [Ме] от содержания (МеО) в шлаке наблюдается и при восстановлении магния из флюса системы СаГ2- МдР2 - МдО (рис. 1).

Количественные значения [Ме] отличаются от предыдущих на порядок (в меньшую сторону). Это различие обусловлено электрохимическими свойствами восстанавливаемых элементов. Следует также учесть высокую химическую активность магния и его ограниченную растворимость в железоуглеродистом металле. Иной характер у концентрационной зависимости по титану. Постоянство [Л] в металле, причем на сравнительно низком уровне, при увеличении содержания в шлаке его оксида обусловлено несколькими причинами. Во-первых, титан имеет большое средство к кислороду, что обеспечивает интенсивное его анодное растворение.

Это обстоятельство усугубляется наличием высокого окислительного потенциала в электрошлаковой системе. Катодный процесс в связи с этим сводится лишь к перезарядке ионов титана на границе металл-шлак

Т14+ + 2е о Тг+.

Во-вторых, система СаР2 - ТЮ2 имеет большую область расслоения [7], а равновесие реакции (2) смещается вправо с увеличением температуры и концентрации ТЮ2 в расплаве

68

2СаР2 + ТЮ2 = 2СаО + №Л

Зависимость эффективности перехода элементов из шлака в металл от их электрохимических свойств иллюстрируют данные табл. 1, из которой следует, что более электроотрицательные элементы восстанавливаются в меньших количествах. Табл. 1 представляет собой электрохимический ряд элементов в фоновом расплаве СаР2.

Величина доп. пост, тока, %

Рис.1. Концентрации восстанавливаемых элементов в электрошлаковом металле в зависимости от состава флюса, рода и полярности тока 1-5 - концентрация ванадия при ведении процесса на переменном, постоянном токе прямой и обратной полярности, бифилярной схеме и при дополнительном наложении постоянного тока; 6 - концентрация титана при ведении процесса на переменном и постоянном токе; 7-11 - концентрация магния при ведении процесса на переменном, постоянном токе прямой и обратной полярности, бифилярной схеме, моносхеме с дополнительным наложением 10% постоянного тока

Таблица 1

Восстановление элементов на фоне СаР2 при ЭШП

Элемент В л V Мо N1 № Сг

Концентрация в слитке, мас.% 0.03 0.037 0.33 0.38 0.40 0.63 0.67

Отмечается и влияние фонового состава флюса на эффективность перехода элементов из шлака в металл. Например, наблюдается заметная разница в количестве восстановленного ванадия в электрошлаковом металле (рис. 2) при использовании различных фоновых флюсовых систем. Наиболее эффективен фоновый состав СаР2 -А12Оэ, в котором наблюдались и наиболее высокие кинетические показатели электродного процесса при восстановлении ванадия.

Особое место в эффективности электролитических реакций ЭШП занимает род и полярность тока, определяющие направление электродных реакций на отдельных стадиях электрошлакового процесса. Направление и характер обменных процессов в этом случае осложняется составом шлака. Общие закономерности влияния рода тока и полярности на восстановление элементов из шлака в металл при ЭШП. Как и следовало ожидать, наибольшее остаточное количество восстановленного элемента в электрошлаковом металле наблюдается при ведении процесса на постоянном токе обратной полярно-

вестник кгу, 2005. №2.

сти, когда катодом является металлическая ванна. Несколько меньше значения [Ме] при расплаве на постоянном токе прямой полярности, когда восстановление элементов происходит в жидкую пленку на конусе расходуемого электрода. То есть анодное растворение восстанавливающихся элементов на стадии ванны снижает общую эффективность постоянного тока прямой полярности. Отмеченная закономерность наблюдается при восстановлении различных элементов как для химически активных, с высокими значениями потенциала разложения Ер (Мд, В, Ы), так и для элементов с низкими значениями Ер (V, 1\1Ь, Мо, \Л/), и обусловлена электролизными явлениями в электрошлаковой системе. Изменение температуры реакционной границы при смене полярности не может оказать существенного влияния на восстановительный процесс, поскольку это изменение не значительное, а общая температура процесса в условиях эксперимента составляла около 1870 К, что существенно ниже необходимой (2100 К) для восстановления магния углеродом из оксидов или фторидов [8]. Исключение составляет титан, концентрация которого в металле не зависит от рода и полярности тока. Подобные закономерности отмечаются и другими исследователями [9,10,11].

Рис.2. Влияние фонового состава флюса на восстановление ванадия

¡пГА/смг

Рис.3. Зависимость концентрации ванадия в электрошлаковом металле от величины плотности составляющей постоянного тока

При применении переменного тока электролизные процессы проявляются слабо и восстановительные процессы, в основном, обусловливаются химическими реакциями в системе металл-шлак.

В рассмотренных закономерностях отметим тенденцию к стабилизации Д[Ме] ПРИ содержании (МеаОь) в шлаке более 20%. Этот факт позволяет наметить рациональные составы флюса для электрохимического легирования металла в электрошлаковых процессах.

Анализируя результаты электрохимического восстановления элементов из шлака в металл при электрошлаковом процессе, следует отметить, что концентрация [Ме] существенно зависит от технологической схемы процесса (рис.1). Например, наиболее высокие значения [Ме]

получены при ЭШП по бифилярной схеме (шлак АНФ- 1П + 5,10,15 мас.% \/2<Э5), когда восстановление элементов происходит в жидкую пленку металла на конусе расходуемых электродов. В этой схеме реализуется осаждение элемента при наиболее благоприятных электрохимических условиях (высокие плотности катодного тока), обусловленных сущностью технологической схемы процесса. Анодное же растворение элемента на стадиях конуса (в анодные полупериоды) и металлической ванны не получает существенного развития в виду достаточно большой концентрации в шлаке оксида восстановленного элемента. Компенсирующими анодными процессами при этом могут быть

Б" - е — Б, [Б14+] + 4е + 02

Остаточное содержание восстановленного ванадия в электрошлаковом металле в этом случае превышает даже [V], достигаемую при переплаве на постоянном токе, где электролизные процессы должны получить наиболее полное развитие. Однако в силу того, что в бифилярной схеме восстановительный процесс осуществляется на площади превышающей в 2 раза таковую при ЭШП на постоянном токе прямой полярности и заторможенности анодных процессов с участием ванадия, в конечном итоге в электрошлаковом металле формируются высокие остаточные содержания ванадия [12].

Рассмотренные варианты ЭШП по своим электрохимическим условиям статичны и не позволяют активно влиять на электролизные процессы, регулировать интенсивность восстановления элементов из шлака в металл. К тому же при ЭШП на постоянном токе на электролитические процессы, как показывают расчеты, расходуется не более 30% от общего тока плавки. С этих позиций наиболее гибким и экономичным является электрошлаковый процесс на переменном токе с дополнительным наложением на шлаковую ванну определенной (при необходимости регулируемой) величины постоянного тока. Обоснованный, рациональный выбор состава шлака-электролита и режима электролиза, основанный на знании электрохимических закономерностей процесса, может обеспечить этому варианту эффективность в конкретных различных способах ЭШТ.

Эксперименты электрошлаковой плавки по этой схеме (рис. 1) показали, что остаточное содержание восстанавливаемого элемента зависит от анодной плотности тока на стадии ванны, а при фиксированном значении ¡к-от состава флюса. То есть здесь сочетаются и действуют два главных параметра, определяющих скорость электрохимических реакций.

Эффективность наложения составляющей постоянного тока на электрошлаковую ванну с целью восстановления какого-либо элемента из шлака в металл тем более, чем значительней разница в концентрациях [Ме], которые могут быть достигнуты при использовании только переменного или постоянного токов. В этом случае диапазон регулирования количества восстановленного элемента расширяется. Так, например, при 5 мас.% \/205

на фоне СаР2 ожидать значительного прироста Д[Л^]

за счет наложения постоянного тока не следует, поскольку разница в концентрациях [V],полученных на постоянном токе обратной полярности и переменном токе, составляет всего около 0,1%. Наложение постоянной составляющей тока для интенсификации электролизных процессов в данном случае будет целесообразно при содержании в шлаке \/205 10 мас.% и более.

Для оценки целесообразности наложения постоянного

тока и эффективности этого процесса можно воспользоваться величиной отношения концентраций восстановленного элемента при ЭШП на постоянном и переменном токе

[Ме]пост

-= К

[Ме]пер 3 v '

Например, для ванадия и магния этот показатель при (МеаОь) = 20 мас.% в шлаке составляет соответственно 1,7 и 3,0, то есть при восстановлении магния наложение постоянной составляющей должно быть более эффективным, хотя абсолютная концентрация [V] на порядок превышает [Ме]. Поэтому при оценке целесообразности дополнительного наложения постоянного тока следует учитывать и эффект влияния осаждаемого элемента на физико-механические и эксплуатационные свойства переплавляемого металла.

При изучении влияния величины плотности составляющей постоянного тока на восстановление ванадия получена зависимость (рис. 3), которая, на первый взгляд, противоречит известным положениям (флюс АНФ - 6 + 10 мас.%). Однако, сопоставляя ее с полученными ранее поляризационными кривыми для расплава этого состава, можно установить достаточно четкую корреляцию экспериментальных данных. Линейность зависимости [V] = f(ik) на начальном участке обусловлена течением процесса перезарядки ионов ванадия

у3+ + е у2+

в этом диапазоне i и Т|. Более высокие значения i

при электрошлаковом процессе, в сравнении с ¡^ , полученными в электрохимической ячейке, обусловлено достаточно интенсивным движением взаимодействующих фаз.

Дальнейшее увеличение плотности тока постоянной составляющей повышает [V] до 0,72% при последующей стабилизации, свидетельствующей об исчерпании возможностей электролитического восстановления ванадия в данных условиях (ЭШП на постоянном токе обратной полярности на этом шлаке-электролите обеспечивает близкие значения (0,8%) концентрации ванадия в слитке).

Таким образом, полученные сведения свидетельствуют о том, что выбор состава шлака-электролита и режима электролиза должен осуществляться с учетом электрохимических параметров в электрошлаковой системе.

Список литературы

1. ЛаташЮ.В., Медовар Б.И. Электрошлаковый переплав.-М.: Метал-

лургия, 1970,- 240с.

2. Электрошлаковая сварка и наплавка /Под ред. Б.Е.Патона. - М.:

Машиностроение, 1980.-511с.

3. Сущук-Слюсаренко И.И., Лычко И.И., Козулин М.Г. и др. Электрошла-

ковая сварка и наплавка в ремонтных работах. - Киев: Наукова думка, 1989. - 192с.

4. Клюев М.М., Каблуковский А.Ф. Металлургия электрошлакового

переплава. - М.: Металлургия, 1969. - 256с.

5. Пастухов ЭЛ., Мусихин В.И., Ватолин H.A. Электрические свойства

нестехиометрических оксидных расплавов. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1984. - 112с.

6. Торопов H.A., Барзаковский В.П., Бондарь И.А. и др. Диаграммы

состояния силикатных систем: Справочник,- Л.: Наука, 1970,- 371с.

7. СытникН.М., Лиханосов В.Н. Оценка возможности восстановления

из оксидов, фторидов и силицидов металлов - сфероидизаторов графита для получения синтетического чугуна в наплавленном металле // Сварочное производство. - 1990. - №3. - С.35-37.

8. ДудкоД.А., Рублевский И.А. Влияние рода и полярности тока на

металлургические процессы при ЭШС//Автоматическая сварка,-1958. - №3. - С.69-78.

9. Миронов Ю.М., Лоскутов В.И., Иодковский С.А.и др. Регулирование

химсостава металла при ЭШП с помощью постоянной составляющей тока // Тезисы докладов. Ill Всесоюзная конференция по современным проблемам электрометаллургии стали. -1977. - С. 78-79.

10. Соловьев Г.И. Электрохимическое модифицирование легированных

сталей при электрошлаковом переплаве//Дисс.... канд.техн.наук. -Курган, 1982. - 155с.

70

11. Гончаров А.Е., Манаков А.И., Соловьев Г.И. и др. Электрохимическое восстановление магния и ванадия из шлака при ЭШП по бифиляр-ной схеме // Специальная электрометаллургия. -1981,- Вып. 47. - С.29-32.

С.И. Казаков, Д.Б. Калашников, Л.Н. Лапшин

Курганский государственный университет, г.Курган

ИНФОРМАЦИОННО-ПОИСКОВАЯ СИСТЕМА «НИКА» - ИНСТРУМЕНТ СОЗДАНИЯ ЭНЦИКЛОПЕДИИ ПО ВОПРОСАМ СВАРКИ И СОЕДИНЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

На основе актуальной информации, опубликованной в последние 10-15 лет, создана ИПС «НиКа». Информация структурирована по разделам и содержит 65000 документов. Развитая система поиска позволяет быстро найти информацию как по названию, так и по содержимому статьи. На основе собранных материалов составлены и изданы «Справочник инженера-сварщика» и «Сварка полимеров и склеивание материалов. Справочник».

В области сварки, пайки, наплавки, склеивания металлов, пластмасс и резки конструкционных материалов объемы накопленных знаний весьма большие, поскольку имеет место широкий диапазон свариваемых сталей и сплавов, включающих в самых различных сочетаниях практически все элементы таблицы Менделеева, и при этом свариваются или подвергаются резке сплавы широкого диапазона толщин, начиная от фольги до метровых значений. Все вышесказанное отражается в разнообразии способов и приемов сварки и резки, и даже краткая справочная информация по этим вопросам уже 25 лет назад составила 4-х томное издание [1]. Это говорит о том, что назрела объективная потребность создания современных энциклопедических изданий для обучения инженерных кадров в области сварки и для практического использования накопленных знаний на рабочем месте проектировщика и исследователя, используя компьютерные информационные технологии. Однако собрать все публикации по вопросам сварки и родственных технологий практически невозможно, поэтому необходимо определить необходимый и достаточный период прошлых лет, за который целесообразно собирать статьи, рефераты и другие печатные издания, которые в полной мере могли бы отразить современный уровень науки и практики в области сварки. Из теории информатики известно, что имеет место старение публикаций [2]. Это старение заключается в том, что они (публикации) с увеличением своего "возраста" теряют ценность как источники информации и все меньше используются специалистами. Для измерения скорости старения публикаций американские ученые Р Бартон, Р Кеблер, Д. Прайс [3] предложили меру, названную "периодом полужизни" публикаций по аналогии с периодом полураспада радиоактивных веществ. Период полужизни публикаций - это время, в течение которого была опубликована половина всей используемой в настоящее время литературы по какой- либо отрасли или предмету. Например, если этот период равен 5, то это значит, что 50 % всех процитированных в текущем

вестник кгу, 2005. №2.