СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ Российский патент 1997 года по МПК B22D19/16 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности, к электрошлаковому процессу, и может быть использовано для производства прокатных валков.

Известен способ изготовления биметаллических прокатных валков /1/. Согласно этому способу в литейную форму соосно устанавливают наружную чугунную оболочку валка и трубчатый расходуемый электрод. В форму подают жидкий шлак, затем сифоном или сверху через полость трубчатого электрода постепенно подают расплавленную сталь, поднимающуюся в форме со скоростью (1 - 10)•10^-3 м/с.

Недостатком способа является нестабильный характер электрошлакового процесса, особенно при больших скоростях подъема стали, составляющих (7 - 10)•10^-3 м/с. Это объясняется тем, что саморегулирование электрошлакового процесса при больших скоростях подъема стали является затруднительным. Сечение плавящегося электрода составляет большую величину. В этих условиях даже при использовании источников питания с достаточно жесткой внешней характеристикой процесс саморегулирования затруднен.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, реализуемый с помощью устройства для изготовления биметаллических отливок прокатных валков /2/. При использовании этого устройства в литейную форму с бандажом, который является составной частью литейной формы, соосно устанавливается расходуемый электрод в форме соленоида. Из промежуточного устройства по оси валка через разливочный стакан с выпускным отверстием d 8 мм заливается сталь со скоростью подъема расплава в полости верхней и нижней полуформ 30 мм/с, а в полости бандажа 5 мм/с.

Электрошлаковый процесс при изготовлении биметаллических отливок протекает лишь во время заливки жидкой стали в полости бандажа.

Недостатком способа является нестабильный характер электрошлакового процесса, т.к. при скорости подъема расплава 5 мм/с саморегулирование электрошлакового процесса является затруднительным, особенно при большом сечении электрода.

Способ не гарантирует регулирования межэлектродного промежутка Н_м (расстояния между концом электрода и зеркалом металлической ванны) в своем допустимом диапазоне. Так, случайный перелив металла в промустройство приводит к увеличению Н_гн выше нормы, а следовательно, к увеличению подачи жидкого металла в литейную форму. Удалить из промустройства лишний металл не представляется возможным. Увеличение подачи жидкого металла в литейную форму приводит к уменьшению межэлектродного промежутка Н_м, что может вызвать короткое замыкание. Процесс же выхода на заданный уровень по Н_м весьма продолжительный вплоть до естественного снижения Н_гн по мере вытекания стали во внутрь бандажа.

Причиной, вызывающей колебание межэлектродного промежутка Н_м, может быть не только изменение Н_гн в промустройстве, но и изменение параметров на стадиях процесса электрошлакового литья (ЭШЛ). Так, во время ЭШЛ возможно затвердевание расплава в сталеплавильном отверстии промустройства, либо размывание сталевыпускного отверстия. В результате изменяется массовая скорость истечения металла из промустройства V_мас и скорость подъема расплава стали в бандаже V_мет. Если настроить ЭШД на одну скорость V_мет, то при большом сечении электрода и жесткой характеристике источника значительное изменение V_мет затрудняет процесс саморегулирования Н_м.

При попадании струи жидкого металла на соленоидный электрод может произойти перегрев и разупрочнение, что приведет к провисанию электрода и уменьшению Н_м.

В результате действия вышеуказанных причин Н_м изменяется. Если отклонение Н_м значительное, то саморегулирование оказывается недостаточно, и межэлектродный промежуток выходит за допустимый диапазон. При Н_м≅5 мм наступает режим короткого замыкания, а при Н_м≥Н_ш (где H_ш высота шлаковой ванны) электрод выходит из шлаковой ванны, и процесс переходит в дуговой. Это по техническим соображениям недопустимо. Стабильность проплавления бандажа и качество сплавления стали с бандажом ухудшаются.

Поэтому для обеспечения высокого качества изготовления валков требуется осуществлять более надежную стабилизацию Н_м.

При переходе от заливки нижней полуформы к заливке внутренней полости бандажа требуется на порядок снизить скорость заливки. Однако в способе не предусмотрены пути ее быстрого снижения.

Задачей изобретения является повышение качества биметаллических прокатных валков путем поддержания заданного межэлектродного промежутка из промежуточного устройства в соответствии с показаниями силы тока ЭШН (I_эшн).

Сущность изобретения заключается в том, что после соосной установки в литейную форму с электродом-затравкой бандажа и электрода соленоида на расстоянии 5 100 мм от внутренней поверхности бандажа, наведения и подачи с помощью промежуточного устройства жидкого шлака, накопления и подачи через промежуточное устройство жидкого металла, осуществляется стабилизация заданного межэлектродного промежутка путем изменения массовой скорости заливки жидкого металла из промежуточного устройства с использованием стопорного устройства в зависимости от силы тока, протекающего через плавящийся электрод и шлаковую ванну.

Скорость изменения межэлектродного промежутка определяется выражением:
,
где Δv_э отклонение от установившегося уровня (ОУУ) скорости плавления конца неподвижно установленного соленоидного электрода;
Δv_мет ОУУ скорости подъема металлической ванны.

В свою очередь
Δv_э= f(Δt_ш,ΔI_ш,ΔH_м) (2)
где Δt_ш ОУУ температуры шлаковой ванны;
ΔI_ш ОУУ силы тока, протекающего по шлаковой ванне;
ΔH_м ОУУ высоты межэлектродного промежутка.

Δv_мет= f(Δv_мас,Δd_вн,Δd_э,Δd_c,Δb_c) (3)
где Δv_мас ОУУ массовой скорости истечения металла из промустройства;
Δd_вн ОУУ внутреннего диаметра отверстия бандажа;
Δv_э ОУУ диаметра электрода;
Δd_c ОУУ среднего диаметра соленоида электрода;
Δb_c ОУУ шага соленоида

где ΔS_c ОУУ площади сталевыпускного отверстия промустройства;
ΔH_гн ОУУ гидростатического напора металлической ванны в промустройстве.

ΔS_c можно менять изменением состояния затвора промустройства. Например, в стопорном затворе поднятием или опусканием стопора, а в шиберном затворе - перемещением шибера. ΔH_гн примерно равно ОУУ высоты металлической ванны ΔH_пм в промустройстве.

Подставим уравнением (4) в (2), а уравнение (2) и (3) в (1) при Δd_вн= 0,Δd_э= 0,Δd_c= 0,Δb_c= 0 и прочих равных условиях:
v_н= f(ΔI_ш,ΔH_м,ΔV_мас) (6)
При подстановке уравнения (5) в (6) имеем:
V_н= f(ΔI_ш,ΔH_м,ΔS_c,ΔH_гн) (7)
ΔH_м найдем интегрированием U_н из уравнений (6) и (7):
ΔH_м= f(ΔI_ш,Δv_мас,t) (8)
где t время интегрирования, т.е. время, прошедшее с начала ЭШЛ.

ΔH_м= f(ΔI_ш,ΔS_c,ΔH_гн,t) (9)
Из уравнения (8) при достаточно большом времени ЭШЛ, т.е. t _→ ∞ :
ΔH_м= f(ΔI_ш,Δv_мас) (10)
Из уравнения (9) при подстановке ΔH_мп вместо ΔH_гн при t _→ ∞ :
ΔH_м= f(ΔI_ш,ΔS_c,ΔH_мп) (11)
Как следует из уравнения (10) ΔH_м а значит и сам межэлектродный промежуток H_м можно стабилизировать воздействием на ΔI_ш и Δv_мас Конкретнее, согласно уравнению (II), это можно сделать воздействием на ΔI_ш,ΔS_c и ΔH_мп:
Поскольку во время литья непрерывное поддерживание ΔH_мп на нужном уровне является трудоемкой и сложной задачей, требующей высокой квалификации оператора-заливщика, то в предлагаемом способе эта операция не используется. Заполнение промустройства жидкой сталью в течение всей заливки бандажа производится одной двумя порциями. Поэтому Н_mn и ΔH_{мп =} во время ЭШЛ непрерывно меняется и является независимой переменной. Нужную H_м обеспечивают поддерживанием ΔH_м вблизи нуля согласно уравнению (10) изменением Δv_мас за счет изменения площади сталевыпускного отверстия ΔS_c воздействием на затвор промустройства. Тем самым осуществляют управление скоростью подъема металлической ванны за счет изменения Δv_мет согласно уравнениям (3) и (5).

Во время заливки стали в бандаж можно принять
(всегда отрицательный)
Откуда:
∂I_ш= K_т∂∂H_м (13)
или в конечных разностях:
ΔI_ш= K_т∂•ΔH_м (14)
То есть при прочих равных условиях изменение межэлектродного промежутка ΔH_м приводит к изменению силы тока ΔI_ш протекающего при ЭШЛ. Эта зависимость используется для управления самим межэлектродным промежутком. Отклонение силы тока от заданного значения ΔI_ш принято в качестве информативного косвенного признака отклонения ΔH_м межэлектродного промежутка от заданного уровня.

Непосредственный прямой контроль межэлектродного промежутка в расплаве шлака в закрытом бандаже невозможен ввиду высокой температуры, агрессивности шлака и отсутствия надежных технических средств.

В отличие от традиционного пути стабилизации силы тока I_ш изменением скорости подачи электродной проволоки предлагается его стабилизация изменением ΔS_c При этом согласно уравнению (9) меняется ΔH_м, в результате чего согласно уравнению (14) изменяется ΔI_ш Например, уменьшение H_м ниже заданного уровня вызывает увеличение I_ш выше нормы. В этом случае, зафиксировав увеличение тока, уменьшают S_с, что согласно уравнению (5) снижает V_мас. Скорость V_мет согласно уравнению (3) падает. Уменьшаемое Δv_э в уравнении (1) снижается, что приводит к появлению положительной следовательно H_м начинает расти. При этом I_ш постепенно снижается. При приближении I_ш к заданному уровню регулированием S_с доводят I_ш до установленной величины, после чего S_с не меняют.

Следует отметить, что поскольку при стабилизации тока ΔI_ш=0, ΔH_м= 0, то согласно уравнению (4) стабилизируется t_ш и согласно (2) Δv_э=0. Это при в соответствии с уравнением (1) означает Δv_мет≈ 0 что обеспечивает V_мет≈const и высокое качество изделия. В условиях практически неизменной геометрии бандажа, постоянства химсостава и свойства шлака постоянство t_ш определяет высокую адекватность уравнения (12) реальному процессу. Это позволяет точнее поддерживать требуемое значение H_м.

Применение системы стабилизации тока эффективно при использовании именно источников питания с жесткой характеристикой. Так как снижение жесткости источника питания нежелательно, то для стабилизации электрошлакового процесса эффективно применение используемой системы с искусственным изменением величины межэлектродного промежутка по току.

Поскольку ΔI_ш используется в качестве информативного признака, то управление ΔH_м изменением согласно уравнения (11) величины ΔI_ш невозможно. Это связано с тем, что при управлении ΔI_ш принудительно меняется и при этом ΔI_ш уже не характеризует ΔH_м т.е. уравнение (12) не выполняется.

Существенной отличительной особенностью ЭШЛ от ЭШП является то, что приход жидкой стали в металлическую ванну зависит главным образом от V_мас, а не от V_э. Небольшое изменение V_мас приводит к быстрому изменению H_м. Объект регулирования является малоинерционным.

Инерционность затвора промустройства как регулирующего органа весьма мала. Небольшое изменение ΔS_c приводит практически к одновременному изменению V_мас и с небольшим инерционным запаздыванием к изменению V_мет и H_м. Чем меньше внутренний диаметр отверстия бандажа d_вн, тем величина инерционного запаздывания меньше. Величина же транспортного запаздывания пренебрежительно мала.

Снижение скорости заливки при переходе от нижней полуформы к бандажу осуществляется быстро путем изменения положения затвора от максимального открытого до рабочего, соответствующего заданному значению тока шлаковой ванны. Также быстро осуществляется увеличение скорости заливки при переходе от бандажа к верхней полуформе.

Благодаря улучшению качества стабилизации H_м при использовании не только саморегулирования, но и дополнительного управления путем регулирования массовой скорости заливки жидкого металла из промустройства в зависимости от силы тока I_ш становится возможным увеличить скорость заливки бандажа до 4 мм/с. При такой скорости время регулирования существенно сокращается, максимальное динамическое отклонение растет. Саморегулирование может не справляться со своей задачей поддержания H_м на заданном уровне. В этом случае ее решает саморегулирование вместе с дополнительным управлением по силе тока. Увеличение скорости заливки в узком месте технологического процесса ЭШЛ позволяет увеличить производительность изготовления биметаллических прокатных валков.

Таким образом, введение в способ изготовления биметаллических валков регулирования H_м путем изменения массовой скорости истечения жидкого металла из промежуточного устройства в зависимости от силы тока, протекающего через плавящийся электрод, дает возможность даже при заливке стали в промковш одной-двумя порциями за весь процесс ЭШЛ достичь высокой точности поддержания H_м на заданном уровне. Это стабилизирует тепловое состояние шлако-металлической ванны и позволяет увеличить производительность ЭШЛ. Стабилизируется качество сплавления стали с бандажом, а значит, и качество валков.

Устройство для реализации предложенного способа представлено на чертеже. Устройство состоит из литейных форм 1, составной частью которого является бандаж 2 валка, расположенного внутри бандажа 2 расходуемого электрода-соленоида 3. Бандаж 2 и электрод-соленоид 3 устанавливают соосно. Одну клемму источника питания подключают к электроду-соленоиду 3, другую к электроду-затравке 4, расположенному на дней нижней полумуфты 5. Для наведения и подачи шлака, подогрева и подачи стали используют промежуточное устройство 6 с графитовым электродом 7. Расплав из промустройства 6 заливают через сталеразливочный стакан 8 с выпускным отверстием d 8 мм, перекрываемым стопорным устройством 9. Сила тока, протекающего его шлаковой ванне, фиксируется по показаниям амперметра 10.

Расплав шлака при температуре 1700-1800^oC заливают в литейную форму. В промустройство заливают сталь. Полностью открывают подачу стали, для чего затворную часть стопорного устройства 9 полностью опускают. Осуществляют заливку нижней полуформы со скоростью до 30 мм/с. При заливке полости бандажа подают напряжение на шлаковую ванну, фиксируя по показанию амперметра силу тока, протекающего по шлаковой ванне, поднятием или опусканием затворной части стопорного устройства 9 осуществляют стабилизацию тока относительно заранее известного I_ш в течение всей заливки полости бандажа. При этом заливку ведут со скоростью до 4 мм/с.

Если силы тока превысила заданный уровень, то затворную часть стопорного устройства плавно поднимают. В результате массовая скорость заливки снижается, H_м увеличивается, а сила тока снижается. Процесс регулирования протекает до тех пор, пока ток не приблизится к заданному уровню.

Если сила тока снизилась ниже заданного уровня, то затворную часть стопорного устройства плавно опускают до тех пор, пока H_м не снизится и ток не достигнет заданного уровня.

При заливке верхней полуформы со скоростью до 30 мм/с источник питания ЭШП отключают, а стопорное устройство полностью открывают. По мере расходования осуществляют доливку стали в промустройство.

Заданное значение силы тока шлаковой ванны I_ш.зад (а ему соответствует заданное значение межэлектродного промежутка H_м.зaд)определяют по технологической таблице в зависимости от скорости подъема металлической ванны V_мет, диаметра электрода d_э, диаметра соленоида электрода d_с, шага соленоида b_c, внутреннего диаметра отверстия бандажа d_вн, электропроводности шлака q_ш и других факторов. Влияние факторов на I_ш.зад носит взаимосвязанный характер. Таблицу формируют заранее на основе экспериментальных данных.

I_ш.зад в таблице растет с увеличением V_мет, d_э, D_с, d_вн, q_ш и с уменьшением b_с.

При литье партии однотипных валков по одинаковой технологии таблица упрощается, т.к. d_э, d_с, d_вн, q_ш, b_с и прочие факторы не изменяются. Остается лишь зависимость I_ш.зад от V_мет.

Зная отношение d_вн к внутреннему диаметру промежуточного устройства d_п, по снижению уровня металла в промустройстве во время заливки бандажа можно оценить V_мет. Рекомендуется, устанавливая с помощью стопорного устройства V_мет1=2мм/с, а затем V_мет2= 3мм/с, зафиксировать соответствующие этим скоростям средние значения силы тока I_ш1 и I_ш2, которые принять за данные. Учитывая недостаточный характер саморегулирования при V_мет > 3 мм/с, I_ш.зад при V_мет3= 4 мм/с, можно найти экспериментально, а теоретически в предложении линейности зависимости I_ш.зад= f(V_мет) путем ее экстраполяции; I_ш.зад(при V_мет3=4мм/с)=I_ш2+ I_ш2-I_ш1)=2I_ш2-I_ш1 (15).

В интервалах скорости между 2 и 3 мм/с, а также между 3 и 4 мм/с значения I_ш.зад находят линейной интерполяцией.

Пример: d_вн=500 мм; d_н=1000 мм.

Приравниваем объем стали V_n, вытекающий из промустройства за время t, к объему стали V_б, заливаемой за это время во внутреннюю полость бандажа, пренебрегая объемом электродного металла: V_n=V_б,
где

Измеряя скорость снижения уровня металла в промустройстве любым известным способом, можно контролировать скорость подъема металлической ванны в бандаже V_мет. После постановки имеем:

Для того чтобы установить V_мет1=22 мм/с согласно уравнению (17), нужно с помощью стопорного устройства задать
V_n1=V_мет/4=2:4=0,5мм/с.

Пусть при этом в результате прямых измерений на установке ЭШЛ I_ш1 оказался равным 1200 А. Аналогично при V_мет2=3мм/с I_ш2=1700 А. Тогда согласно уравнению (15) I_ш.зад (при V_мет3=4 мм/с)=2,1700-1200=2200А.

Интерполированное значение

Аналогично I_ш.зад (при V_мет=3,5мм/с)=1950А.

Результаты измерений и расчетов сведены в технологическую таблицу.

При прочих равных условиях, исходя из требования обеспечения высокой производительности ЭШЛ, рекомендуется выбирать большие значения V_мет. Если свойства используемых материалов предполагают снижение скоростей нагрева и охлаждения во время ЭШЛ, либо накладываются другие ограничения, возможно использование режимов с меньшей V_мет.

Способ позволяет надежно осуществлять ЭШЛ биметаллических отливок прокатных валков при V_мет≥3мм/с, гарантируя высокое качество сплавления жидкой стали с бандажом, а следовательно, высоко качество биметаллических валков и высокую производительность.

Внедрение заявленного способа получения биметаллических прокатных валков позволит получить экономический эффект за счет увеличения эксплуатационного ресурса, уменьшения числа перевалок в результате повышения прочностных характеристик зоны сплавления заливаемого металла с бандажом, исключения операции постепенного снижения уровня металла в промустройстве к концу заливки нижней полуформы (для обеспечения перехода V_мет с 30 до 3 мм/с), повышения V_мет при заливке в узком месте ЭШЛ внутренней полости бандажа до 4 мм/с.

Изобретение относится к электрошлаковому процессу и может использоваться для производства прокатных валков. После соосной установки в литейную форму с электродом-затравкой бандажа и электрода-соленоида на расстоянии 5 - 100 мм от внутренней поверхности бандажа, наведения и подачи с помощью промежуточного устройства жидкого шлака осуществляется стабилизация заданного межэлектродного промежутка путем изменения массовой скорости заливки жидкого металла из промежуточного устройства с использованием стопорного устройства в зависимости от силы тока, протекающего через плавящийся электрод и шлаковую ванну. Повышается качество изготовления валков. 1 табл. 1 ил.

Способ изготовления биметаллических прокатных валков, включающий соосную установку в литейную форму с электродом-затравкой бандажа и электрода-соленоида на расстоянии от внутренней поверхности бандажа, наведение в промежуточном устройстве и подачу в литейную форму жидкого шлака, плавление электрода, накопление и подачу через промежуточное устройство жидкого металла, отличающийся тем, что в процессе плавления электрода осуществляют поддержание заданного межэлектродного промежутка путем изменения массовой скорости истечения жидкого металла из промежуточного устройства в зависимости от силы тока, протекающего через электрод.