Способ изготовления биметаллических прокатных валков

Реферат

 

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.

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 Нм (расстояния между концом электрода и зеркалом металлической ванны) в своем допустимом диапазоне. Так, случайный перелив металла в промустройство приводит к увеличению Нгн 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 Нм, что может вызвать короткое замыкание. Процесс же выхода на заданный уровень по Нм весьма продолжительный вплоть до естественного снижения Нгн по мере вытекания стали во внутрь бандажа.

Причиной, вызывающей колебание межэлектродного промежутка Нм, может быть не только изменение Нгн 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 Vмас и скорость подъема расплава стали в бандаже Vмет. Если настроить ЭШД на одну скорость Vмет, то при большом сечении электрода и жесткой характеристике источника значительное изменение Vмет затрудняет процесс саморегулирования Нм.

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

В результате действия вышеуказанных причин Нм изменяется. Если отклонение Нм значительное, то саморегулирование оказывается недостаточно, и межэлектродный промежуток выходит за допустимый диапазон. При Нм5 мм наступает режим короткого замыкания, а при НмНш (где Hш 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 Нм.

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 (Iэшн).

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 vэ отклонение от установившегося уровня (ОУУ) скорости плавления конца неподвижно установленного соленоидного электрода; vмет ОУУ скорости подъема металлической ванны.

В свою очередь vэ= f(tш,Iш,Hм) (2) где tш ОУУ температуры шлаковой ванны; Iш ОУУ силы тока, протекающего по шлаковой ванне; Hм ОУУ высоты межэлектродного промежутка.

vмет= f(vмас,dвн,dэ,dc,bc) (3) где vмас ОУУ массовой скорости истечения металла из промустройства; dвн ОУУ внутреннего диаметра отверстия бандажа; vэ ОУУ диаметра электрода; dc ОУУ среднего диаметра соленоида электрода; bc ОУУ шага соленоида где Sc ОУУ площади сталевыпускного отверстия промустройства; Hгн ОУУ гидростатического напора металлической ванны в промустройстве.

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

Подставим уравнением (4) в (2), а уравнение (2) и (3) в (1) при dвн= 0,dэ= 0,dc= 0,bc= 0 и прочих равных условиях: vн= f(Iш,Hм,Vмас) (6) При подстановке уравнения (5) в (6) имеем: Vн= f(Iш,Hм,Sc,Hгн) (7) Hм найдем интегрированием Uн из уравнений (6) и (7): Hм= f(Iш,vмас,t) (8) где t время интегрирования, т.е. время, прошедшее с начала ЭШЛ.

Hм= f(Iш,Sc,Hгн,t) (9) Из уравнения (8) при достаточно большом времени ЭШЛ, т.е. t _ : Hм= f(Iш,vмас) (10) Из уравнения (9) при подстановке Hмп вместо Hгн при t _ : Hм= f(Iш,Sc,Hмп) (11) Как следует из уравнения (10) Hм а значит и сам межэлектродный промежуток Hм можно стабилизировать воздействием на Iш и vмас Конкретнее, согласно уравнению (II), это можно сделать воздействием на Iш,Sc и Hмп: Поскольку во время литья непрерывное поддерживание Hмп 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 Нmn и Hмп u во время ЭШЛ непрерывно меняется и является независимой переменной. Нужную Hм обеспечивают поддерживанием Hм вблизи нуля согласно уравнению (10) изменением vмас за счет изменения площади сталевыпускного отверстия Sc воздействием на затвор промустройства. Тем самым осуществляют управление скоростью подъема металлической ванны за счет изменения vмет согласно уравнениям (3) и (5).

Во время заливки стали в бандаж можно принять (всегда отрицательный) Откуда: Iш= KтHм (13) или в конечных разностях: Iш= KтHм (14) То есть при прочих равных условиях изменение межэлектродного промежутка Hм приводит к изменению силы тока Iш протекающего при ЭШЛ. Эта зависимость используется для управления самим межэлектродным промежутком. Отклонение силы тока от заданного значения Iш принято в качестве информативного косвенного признака отклонения Hм 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 Iш изменением скорости подачи электродной проволоки предлагается его стабилизация изменением Sc При этом согласно уравнению (9) меняется Hм, в результате чего согласно уравнению (14) изменяется Iш Например, уменьшение Hм ниже заданного уровня вызывает увеличение Iш выше нормы. В этом случае, зафиксировав увеличение тока, уменьшают Sс, что согласно уравнению (5) снижает Vмас. Скорость Vмет согласно уравнению (3) падает. Уменьшаемое vэ в уравнении (1) снижается, что приводит к появлению положительной следовательно Hм начинает расти. При этом Iш постепенно снижается. При приближении Iш к заданному уровню регулированием Sс доводят Iш до установленной величины, после чего Sс не меняют.

Следует отметить, что поскольку при стабилизации тока Iш=0, Hм= 0, то согласно уравнению (4) стабилизируется tш и согласно (2) vэ=0. Это при в соответствии с уравнением (1) означает vмет 0 что обеспечивает Vметconst и высокое качество изделия. В условиях практически неизменной геометрии бандажа, постоянства химсостава и свойства шлака постоянство tш определяет высокую адекватность уравнения (12) реальному процессу. Это позволяет точнее поддерживать требуемое значение Hм.

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 Iш используется в качестве информативного признака, то управление Hм изменением согласно уравнения (11) величины Iш невозможно. Это связано с тем, что при управлении Iш принудительно меняется и при этом Iш уже не характеризует Hм 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 Vмас, а не от Vэ. Небольшое изменение Vмас приводит к быстрому изменению Hм. Объект регулирования является малоинерционным.

Инерционность затвора промустройства как регулирующего органа весьма мала. Небольшое изменение Sc приводит практически к одновременному изменению Vмас и с небольшим инерционным запаздыванием к изменению Vмет и Hм. Чем меньше внутренний диаметр отверстия бандажа dвн, 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 Hм при использовании не только саморегулирования, но и дополнительного управления путем регулирования массовой скорости заливки жидкого металла из промустройства в зависимости от силы тока Iш 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 Hм 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 Hм 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 Hм 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 1700-1800oC 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 Iш 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, Hм 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 Hм 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 Iш.зад (а ему соответствует заданное значение межэлектродного промежутка Hм.зaд)определяют по технологической таблице в зависимости от скорости подъема металлической ванны Vмет, диаметра электрода dэ, диаметра соленоида электрода dс, шага соленоида bc, внутреннего диаметра отверстия бандажа dвн, электропроводности шлака qш и других факторов. Влияние факторов на Iш.зад носит взаимосвязанный характер. Таблицу формируют заранее на основе экспериментальных данных.

Iш.зад в таблице растет с увеличением Vмет, dэ, Dс, dвн, qш и с уменьшением bс.

При литье партии однотипных валков по одинаковой технологии таблица упрощается, т.к. dэ, dс, dвн, qш, bс и прочие факторы не изменяются. Остается лишь зависимость Iш.зад от Vмет.

Зная отношение dвн к внутреннему диаметру промежуточного устройства dп, по снижению уровня металла в промустройстве во время заливки бандажа можно оценить Vмет. Рекомендуется, устанавливая с помощью стопорного устройства Vмет1=2мм/с, а затем Vмет2= 3мм/с, зафиксировать соответствующие этим скоростям средние значения силы тока Iш1 и Iш2, которые принять за данные. Учитывая недостаточный характер саморегулирования при Vмет > 3 мм/с, Iш.зад при Vмет3= 4 мм/с, можно найти экспериментально, а теоретически в предложении линейности зависимости Iш. зад= f(Vмет) путем ее экстраполяции; Iш.зад(при Vмет3=4мм/с)=Iш2+ Iш2-Iш1)=2Iш2-Iш1 (15).

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

Пример: dвн=500 мм; dн=1000 мм.

Приравниваем объем стали Vn, вытекающий из промустройства за время t, к объему стали Vб, заливаемой за это время во внутреннюю полость бандажа, пренебрегая объемом электродного металла: Vn=Vб, где Измеряя скорость снижения уровня металла в промустройстве любым известным способом, можно контролировать скорость подъема металлической ванны в бандаже Vмет. После постановки имеем: Для того чтобы установить Vмет1=22 мм/с согласно уравнению (17), нужно с помощью стопорного устройства задать Vn1=Vмет/4=2:4=0,5мм/с.

Пусть при этом в результате прямых измерений на установке ЭШЛ Iш1 оказался равным 1200 А. Аналогично при Vмет2=3мм/с Iш2=1700 А. Тогда согласно уравнению (15) Iш.зад (при Vмет3=4 мм/с)=2,1700-1200=2200А.

Интерполированное значение Аналогично Iш.зад (при Vмет=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 Vмет. Если свойства используемых материалов предполагают снижение скоростей нагрева и охлаждения во время ЭШЛ, либо накладываются другие ограничения, возможно использование режимов с меньшей Vмет.

Способ позволяет надежно осуществлять ЭШЛ биметаллических отливок прокатных валков при Vмет3мм/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 Vмет с 30 до 3 мм/с), повышения Vмет при заливке в узком месте ЭШЛ внутренней полости бандажа до 4 мм/с.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2