Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 621.74.002.6:669.131:669.713.7

Іванов Валерій Григорович

Литі чавунні контакти з низьким перехідним електроопором

для алюмінієвих електролізерів

Спеціальність 05.16.04 - Ливарне виробництво

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Запорізькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор Луньов Валентин Васильович, Запорізький державний технічний університет, м. Запоріжжя, завідувач кафедри машин і технології ливарного виробництва

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Котешов Микола Петрович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри ливарного виробництва;

кандидат технічних наук Балакліець Ігор Альбінович, Науково-технічне підприємство “Нові машини і технології”, м. Дніпропетровськ, виконавчий директор

Провідна установа:Одеський державний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра машин та технології ливарного виробництва, м. Одеса

Захист відбудеться “22” травня 2001р. о 12³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 в Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр.Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр.Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий “ 20 ” квітня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Д 08.084.02 Должанський А.М

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти глав, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Матеріали роботи викладені на 158 сторінках, містять 18 таблиць, 38 рисунків, 3 додатка. Список використаних джерел містить 121 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі дослідження, представлені основні наукові положення, що виносяться на захист, а також практичне значення і цінність отриманих результатів.

Перший розділ є оглядовим і присвячений аналізу доцільності і перспективності вдосконалення технологічного процесу виробництва чавунних виливків, що застосовуються для забезпечення електричних контактів у подових секціях, з метою зниження енергоспоживання і підвищення експлуатаційної стійкості алюмінієвих електролізерів.

Наведений порівняльний аналіз наукових та технологічних рішень проблеми поліпшення якості електричного контакту між сталевими струмовідвідними стрижнями і подовими вуглеграфітовими блоками показав, що чавун залишається перспективним матеріалом, який може забезпечити, при дотриманні необхідних вимог, не тільки низький перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт, але і високу експлуатаційну стійкість та довговічність електролізерів за рахунок зменшення тріщиноутворення у вуглеграфітових блоках.

Аналіз літературних даних показав, що не зважаючи на велику кількість робіт з мінімізації електроопору контактів у подових секціях, питання вибору оптимального складу, типу і режиму модифікування та технології виробництва чавуну для литих електричних контактів у подових секціях залишається дуже актуальним, а його рішення буде сприяти зниженню витрат електроенергії і підвищенню надійності та експлуатаційної довговічності алюмінієвих електролізерів.

Другий розділ присвячений опису методики досліджень.

Дослідні плавки проводили в ливарній лабораторії ЗДТУ в індукційних печах місткістю 9 і 60 кг з основною та кислою футерівками. У виробничих умовах ЗАлК чавун отримували у вагранці продуктивністю 1 тонну на годину та індукційній печі промислової частоти місткістю 2,5 тонни. Шихта складалася з чушкових чавунів, сталевого брухту, відходів власного виробництва, стандартних феросплавів. При виплавці синтетичного чавуну шихта містила більш 50% відходів виробництва (анодних і катодних стрижнів зі ст.2, ст.3, ГОСТ380-71), подрібнений карбюризатора до фракції 10 мм (з відходів вуглеграфітових блоків), чушкові чавуни, стандартні феросплави.

Для дослідження параметрів чавуну на перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт застосовували спеціальні методики. Перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт визначали при звичайній температурі (20⁰С) і температурі експлуатації (850-900⁰С) на спеціальних технологічних зразках, що моделювали по товщині перетину чавуну і величині струму катодну секцію алюмінієвого електролізера. Технологічні зразки складались з ливарної вуглеграфітової форми та сталевого стрижня у середині, які з'єднувалися між собою чавунним виливком. Матеріали сталевого стрижня і вуглеграфітової форми були ідентичні матеріалам, що використовуються у промислових електролізерах.

Контроль хімічного складу і мікроструктури чавунів проводили стандартними методами. Рідкотекучість вимірювали за спіраллю Кері. Для визначення лінійної усадки використовували прилад І.Ф. Большакова. Адгезійну взаємодію розплаву чавуну з поверхнею вуглеграфітового матеріалу вивчали методом лежачої краплі на установці, розробленої в ЗДТУ. Характеристики термічного розширення (коефіцієнти лінійного термічного розширення, лінійні ефекти фазових перетворень), а також інші перетворення, що відбуваються в процесі нагрівання, охолодження та ізотермічних витримок чавунів (графітизацію, зріст) досліджували дилатометричним методом з використанням диференціального дилатометра Шевенара. Окалиностійкість та зростостійкість чавунів визначали відповідно до ГОСТ 6130-71 та ГОСТ 7769-82.

Математичну обробку експериментальних даних здійснювали з використанням методів кореляційного та регресивного аналізу за допомогою сучасних засобів обчислювальної техніки застосовуючи стандартні та спеціально розроблені прикладні програми.

Третій розділ присвячений аналізу виробництва литих чавунних контактів на ЗАлК, дослідженню структуроутворення чавуну і наступних структурних змін, що відбуваються в невибивному чавунному виливку в процесі довготривалої високотемпературної експлуатації, а також їх впливу на електричні та експлуатаційні характеристики алюмінієвих електролізерів.

Встановлено, що висока нестабільність хімічного складу чавуну, а також неоднорідність структури чавунного виливка по перетину, що обумовлена різницею у швидкості кристалізації та охолодження в центрі та з краю, при контакті з масивним сталевим блюмсом і вуглеграфітовим блоком, є джерелами утворення внутрішніх напружень, що приводять під впливом високої температури експлуатації (850-900⁰С) та агресивного середовища до порушення суцільності електричного контакту. Через різницю коефіцієнтів термічного розширення структурних складових у різнорідній структурі чавуну можливе розтріскування в чавунному виливку. Неоднорідність коефіцієнтів термічного розширення призводить до можливості порушення суцільності литого контакту на межі чавун - блюмс та чавун - вуглеграфіт. Утворення тріщин у вуглеграфітовому блоку приводить до проникнення рідкого алюмінію і розплаву електроліту до чавунного виливка та утворенню сплавів алюмінію з залізом та карбідів алюмінію, що є джерелом зниження якості алюмінію та підвищення перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт. Це сприяє загальному катодному падінню напруги, особливо в перші місяці експлуатації (рис. 1), і приводить до зниження економічних показників виробництва алюмінію.

Підтверджено, що основною причиною зниження експлуатаційних показників (зниження якості алюмінію, підвищення катодного падіння напруги) і виходу електролізерів з ладу є утворення тріщин у подині. Однією з головних причин є різниця коефіцієнтів термічного розширення чавуну і вуглеграфітового матеріалу подового блоку, а також зріст чавуну при довготривалому впливі високої температури та агресивного середовища.

Встановлено, що в структурі чавуну в процесі довготривалої експлуатації при високій температурі в основних струмопровідних зонах відбуваються істотні перерозподіли струмів. Невибивний чавунний виливок нагрівається тепловим полем електролізера до високих температур (900⁰С). При нагріванні відбувається аустенітне перетворення, розчинення в аустеніті цементиту, цементиту перліту, графіту та розчинних домішок. Гомогенізація аустеніту по кремнію і вуглецю при тривалій високотемпературній витримці приводить до утворення великої кількості дифузійних пір (надлишок вакансій), у які дифундують вуглець, а також рухливі атоми натрію, кальцію, алюмінію, кисню та інших газів, що виділяться в процесі електролізу алюмінію. Під впливом високої температури та агресивного середовища графіт окисляється і у цих порах залишається шар окислів та карбонатів. За рахунок сполучування графітових включень і тріщиноутворення чавун піддається інтенсивному окислюванню агресивними газами, що сприяє утворенню пір, підвищеному зовнішньому та внутрішньому окислюванню, зросту чавуну. Це приводить до погіршення надійності електричного контакту, збільшенню витрат електроенергії та зменшенню терміну служби електролізного устатковання.

У четвертому розділі приводяться результати досліджень по впливу основних структурних складових (структури металевої основи, форми та розмірів включень графіту), хімічного складу та модифікування чавуну на рівень перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт та розробці на цій основі оптимального хімічного складу та варіантів модифікування чавуну, що обумовлюють низький перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт та підвищену тріщиностійкість подових блоків за рахунок раціонального сполучення ливарних і фізико-хімічних властивостей.

Встановлено, що забезпечення у феритному чавуні дрібного рівномірно розподіленого пластинчатого графіту дозволяє одержати ідентичний рівень перехідного електроопору чавун - вуглеграфіт при звичайній температурі, як при використанні чавуну з кулястим графітом. Однак виробництво високоміцного чавуна пов'язано з істотним подорожчанням процесу монтажу секцій. Тому найбільш прийнятним матеріалом для заливки катодних стрижнів у пазах подових блоків слід визнати сірий чавун. Білі чавуни також забезпечують відносно низький перехідний електроопір контакту чавун -вуглеграфіт при звичайній температурі. Однак вони мають цілий ряд недоліків, з яких найбільш істотними слід визнати високу усадку, велику схильність до неконтрольованого збільшення розмірів при довготривалій високотемпературній експлуатації, які здатні привести до утворення тріщин у сполученому вуглеграфітовому блоці.

Оптимізацію хімічного складу чавунних виливків по основних елементах здійснювали за допомогою математичного планування експериментів шляхом реалізації її матриць планування дрібного факторного експерименту типу 2^4-1. Змінними факторами були вибрані вміст вуглецю, кремнію, марганцю та хрому в чавуні з наступними інтервалами варіювання елементів (мас. частка, %): 2,4-3,6 С; 2,0-3,6 Si; 0,3-0,9 Mn; 0,1-0,3 Cr.

Функціями відгуку були величини перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт при звичайній температурі (R, мкОм) і при температурі експлуатації електролізерів (R, мкОм), а також найбільш важливі властивості чавуна: питомий електроопір (, мкОмсм), інтервал кристалізації (Т, С), лінійна усадка (, %) чавуна та об'єм розсіяних пір у чавуні (, %).

Обробка експериментальних даних методами регресійного аналізу дозволила одержати рівняння регресії, що характеризують вплив хімічного складу на перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт і деякі властивості чавуна, що характеризують експлуатаційні показники електролізерів:

R=182+37[C]+71[Si]-266[Mn]-29[C][Si]+88[C][Mn] 18,5;(1)

R=65+14[C]-6[Si]-117[Mn]+330[Cr]-2[C][Si]+

+28[C][Mn]-83[C][Cr] 7,5;(2)

=19[C]+9[Si]-10[Mn]-25[Cr]-3 4,8; (3)

T=619-147[C]-31[Si]-550[Cr]+183[C][Cr] 12,6; (4)

=4,373-0,747[C]-0,266[Si]-6,095[Cr]+2,032[C][Cr] 0,23; (5)

V_р.п.=2,627-0,452[C]-0,131[Si] 0,15. (6)

Адекватність моделей перевіряли за критерієм Фішера, значимість - за критерієм Ст'юдента, відтворюваність - за критерієм Кохрена.

Регресійні моделі (1, 2) свідчать про надзвичайну складність та багатофакторність впливу хімічного складу чавуну на перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт. Це пов'язано з опосередкованим впливом хімічного складу на перехідний електроопір литого контакту чавун - вуглеграфіт через його вплив на структуру та ряд елементарних властивостей чавуну (змочування, усадочні характеристики, термічне розширення). Зі збільшенням вуглецевого еквіваленту (С_э=[C]+1/3[Si], %) дослідних сплавів з 3,2 до 4,3 спостерігали тенденції підвищення питомого електроопору, зменшення інтервалу кристалізації, лінійної усадки та обсягу усадочних пір (3 - 6).

Спеціально проведені дослідження показали, що в системі факторів, які визначають якість контакту чавун - вуглеграфіт, показники змочування рідким чавуном вуглеграфітового матеріалу унаслідок своїх невисоких значень і малої залежності від факторів складу і структури чавуну відіграють підлеглу роль. Істотно більший вплив на показники перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт та питомий електроопір чавуну має структурний фактор - металева основа, а також кількість і форма включень графіту, що характеризуються індексом графіту. Крім структурного фактору найважливішим параметром, що визначає величини перехідного електроопору, є сила тиску невибивного чавунного виливка на вуглеграфітову форму. При звичайних температурах вона визначається післяперлітною усадкою чавунів (_ппу), унаслідок неповної реалізації лінійної усадки чавунів в малопіддатливій вуглеграфітовій формі. Кореляційні залежності відповідно для феритних (7), перлітних (8) та білих (9) чавунів мають вигляд:

R_пер=994-864 _ппу; R=0,83;(7)

R_пер=807-579 _ппу; R=0,97;(8)

R_пер=538-308 _ппу; R=0,90.(9)

При високих температурах експлуатації (900⁰С) чавун знаходиться в аустенітному стані, тому вплив вихідної матриці (перлітної чи феритної) і графітної фази реалізується через вплив на коефіцієнти лінійного термічного розширення, лінійні ефекти перетворення, що забезпечують силу тиску чавунного виливка на графітову форму, тим самим визначаючи як величину перехідного електроопору, так і імовірність утворення тріщин у вуглеграфітових подових секціях.

Проведеними високотемпературними вимірами перехідного електроопору і відповідними дилатометричними дослідженнями чавунів, що розрізнялися хімічним складом і структурою встановлено, що для усіх варіантів сірих чавунів їх лінійна усадка при нагріванні до 900⁰С практично цілком компенсується термічним розширенням. Це приводить до збільшення площі контакту чавун - вуглеграфіт і зниженню його електроопору. На рис. 2 приведені типові дилатометричні криві нагрівання - охолодження дослідних чавунів. Графіки записані для двох циклів нагрівання, які умовно відповідали первинному випалу електролізера та початку його промислової експлуатації.

Найбільш інтенсивно перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт знижується при нагріванні до початку аустенітного перетворення (20 - 700⁰С), коли чавун знаходиться в пружному стані. Після завершення аустенітного перетворення (850⁰С) чавуни переходять у пластичний стан, термічні напруги слабшають і подальше розширення чавунів в аустенітному стані приводить до незначного зниження перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт.

У білих і половинчатих чавунів при температурі близько 680⁰С починається інтенсивна графітизація і коефіцієнти лінійного термічного розширення різко зростають, що підвищує імовірність утворення тріщин у вуглеграфітовій футерівці. Про це свідчить найбільше розсіяння значень перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт при високих температурах для цих чавунів. В 50% вуглеграфітових форм залитими такими чавунами візуально спостерігалися тріщини.

За результатами досліджень встановлений оптимальний хімічний склад чавунів (2,9 - 3,2%C; 2,8 - 3,0%Si; 0,3 - 0,6%Mn; 0,04 - 0,10%Cr), що забезпечує низький рівень перехідного електроопору контакту чавун -вуглеграфіт при високій температурі за рахунок:

низької лінійної усадки (до 1,2%), що компенсується коефіцієнтами лінійного термічного розширення (, 1/⁰С), які не приводять до розтріскування сполученого вуглеграфітового блоку;

високих коефіцієнтів лінійного термічного розширення в інтервалі після перетворення (, 1/⁰С), що сприяють створенню високої щільності контакту.

Вплив домішкових елементів хімічного складу чавуну на перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт вивчали при оптимальному хімічному складі по основним елементам. Вміст фосфору, сірки та міді варіювався у наступних межах (мас. частка, %): 0,04 - 1,45 Р; 0,03 - 0,18 S; 0,5 - 3,0 Cu.

У результаті математичної обробки експериментальних даних були встановлені кореляційні залежності перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт при звичайній температурі (R, мкОм) та при температурі експлуатації електролізерів (R, мкОм) від вмісту фосфору. Ідентична залежність була виведена і для лінійної усадки чавуну від вмісту фосфору:

R=233,2+22,2[P]6,2(R=0,95);(10)

R=76,3+13,3[P]3,7(R=0,97);(11)

=1,3040,162[Р]0,02(R=0,99).(12)

Дилатометричними дослідженнями встановлено, що для заливки подових секцій електролізерів доцільніше використовувати чавуни зі зниженим вмістом фосфору (до 0,5%). Довготривала високотемпературна експлуатація чавунного виливка в промислових електролізерах сприяє графітизації фосфідної евтектики і, як наслідок, приводить до збільшення його лінійних розмірів, що може викликати значне збільшення напруг на границі чавун - вуглеграфіт та появу тріщин у блоці.

Підвищений вміст сірки (0,12 - 0,18% ) також негативно впливає на експлуатаційні властивості електролізерів, тому, що він обумовлює появу відбілу у чавунах.

Для запобігання відбілювання в тонкостінному чавунному виливку необхідно застосовувати модифікування або легування. Встановлено, що при наявності в складі чавуну міді у кількості до 0,5% знижується імовірність відбілювання чавунів, звужується інтервал аустенітного перетворення, завдяки чому вже при 820⁰С досягається цілком аустенітна структура. Перевищення вмісту міді вище 0,5% приводить до підвищення лінійної усадки, виділення міді у вільному стані, а згодом, при довготривалій експлуатації, до підвищеного окислювання контакту чавун - вуглеграфіт при високій температурі і, відповідно, підвищення перехідного електроопору контакту. Ці висновки підтверджуються наступними кореляційними залежностями перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт від вмісту міді при звичайній температурі (R, мкОм) та температурі експлуатації електролізерів (R, мкОм):

R=255,928,5[Cu]6,4(R=0,98);(13)

R=62,1+22,5[Cu]6,2(R=0,99).(14)

Аналіз результатів досліджень впливу основних та домішкових елементів складу на окалиностійкість чавуну при температурі 900⁰С в середовищу, що імітує агресивне середовище алюмінієвого електролізера показав, що найбільш негативно впливає на окалиностійкість (по методу збільшення маси, V , г/м²г) чавуну мідь та вуглець. Фосфор і сірка діють на окалиностійкість у меншій мірі:

V=-1,44+1,05[C]+0,75[Si]-0,8[Cr]-0,25[C][Si]0,1;(15)

V=1,44+0,73[P]0,2 (R=0,94);(16)

V=1,59+4,82[S]0,2 (R=0,95);(17)

V=3,17+1,23[Cu]0,2(R=0,99).(18)

З наведених даних можна зробити висновок, що вміст домішкових елементів - фосфору, сірки та міді в чавуні повинно суворо контролюватись. Фосфор і мідь при вмісті до 0,5% сприяють зниженню лінійної усадки, усуненню відбілювання, поліпшенню структури чавуну, а також зниженню перехідного електроопору контакту чавун -вуглеграфіт за рахунок оптимального сполучення рівнів лінійної усадки, коефіцієнтів лінійного термічного розширення та жаростійкості чавунів у процесі довготривалої високотемпературної експлуатації.

Для роздрібнення графітових включень, поліпшення їх розподілу, усунення відбілу в чавунному виливку обов'язковим заходом є модифікування.

Показано, що з чотирьох випробуваних модифікаторів (феросиліцію ФС75, силікокальцію СК20, силікобарію ФС65Ба4, лігатури з ітрієм Сиитмиш-1) модифікування чавуну присадками РЗМ з ітрієм (0,10 - 0,15% Сиитмиш-1) найбільш сприяє зниженню перехідного електроопору литого контакту чавун - вуглеграфіт за рахунок збільшення окалиностійкости, зростостійкості, стабілізації коефіцієнтів лінійного термічного розширення чавунів при високих температурах унаслідок поліпшення форми і розподілу графіту, зменшення розмірів його виділень у вихідній однорідній металевій матриці.

П'ятий розділ присвячений дослідженню впливу технології виробництва чавуну для литих контактів у подових секціях на перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт та комплекс властивостей чавуну, що визначають експлуатаційні показники електролізерів, а також розробці на цій основі вдосконаленої технології виробництва литих чавунних контактів та впровадження її в цеху капітального ремонту електролізерів на ЗАлК.

На першому етапі проводили оптимізацію виробництва литих чавунних контактів для алюмінієвих електролізерів при виплавці чавуну в коксовій вагранці. Зокрема, для усунення небажаного впливу підвищеного вмісту фосфору (0,9-1,6%) у ваграночному чавуні на експлуатаційні властивості електролізерів у промислових умовах ЗАлК проводили дослідні плавки з обмеженим вмістом фосфору (0,4-0,6%). Для підвищення температури випуску чавуну з вагранки, і відповідно збільшення рідкотекучості, до складу шихти додавали карбід кальцію (2-3% від маси металевої колоші).

Дослідним чавуном був залитий комплект подових секцій. Хімічний склад чавуну, електроопір контакту блюмс - подовий блок відповідали вимогам технологічної інструкції ТИ - 48-0103 - Э-04-94. Експлуатація електролізних ванн із подовими секціями, залитими дослідним чавуном, не виявила яких-небудь відхилень при випалі, пуску та електролізі алюмінію.

Основні рекомендації з оптимізації технології виробництва литих чавунних контактів у подових секціях алюмінієвих електролізерів включені в технологічну інструкцію ЗАлК по заливці подових секцій.

Подальші перспективи поліпшення якості ремонту електролізерів пов'язані з модернізацією устаткування і технології плавки.

На алюмінієвих підприємствах можливо і доцільно використовувати відходи основного виробництва - відпрацьовані сталеві блюмси та вуглеграфітові блоки як шихтові матеріали для виробництва синтетичного чавуну для литих електричних контактів у подових секціях. Це дозволить скоротити матеріальні витрати, пов'язані з покупкою та транспортуванням звичайних шихтових матеріалів, і повніше використовувати відходи виробництва.

Виплавлений в індукційній печі синтетичний чавун відрізнявся високими службовими властивостями: високою щільністю, окалиностійкістю, низьким питомим електроопором, що забезпечує менше значення перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт. Наявність підвищених показників усадки та відбілу усувається раціональним модифікуванням.

Використання результатів роботи у виробництві на ЗАлК дозволило істотно покращити техніко-економічні показники виробництва за рахунок зниження браку лиття контактів через утворення тріщин у 1,5 рази, зниження падіння напруги у катоді електролізеру на 10-15 мВ та збільшити у цілому експлуатаційну стійкість електролізерів, що забезпечило збільшення випуску алюмінію та зниження витрат на капітальні ремонти електролізерів. Економічний ефект від впровадження розроблених рекомендацій з вдосконалення технологічних параметрів виробництва литих чавунних контактів для алюмінієвих електролізерів складає більш 100 тис. грн. на рік.

ВИСНОВКИ

Аналіз сучасного становища процесу виробництва електричних контактів для алюмінієвих електролізерів, що базується на використанні заливки рідким чавуном сталевих блюмсів у подові вуглеграфітові блоки показав, що недостатня вивченість впливу перехідних процесів на границі метал - форма, хімічного складу, модифікування та технології виробництва чавуну на перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт суттєво знижує можливості оптимізації електричних параметрів у контактних з'єднаннях, які багато в чому визначають величину і розподіл струму і, відповідно, техніко-економічні показники промислових електролізерів. Тому дослідження по цьому питанню є актуальними.

Аналіз умов виробництва та експлуатації литих чавунних контактів у подових секціях електролізерів показав, що високе варіювання хімічного складу, неоднорідність структури чавунного виливка по перетину, що обумовлено різницею в умовах кристалізації і швидкості затвердіння рідкого металу, при контакті з поверхнею вуглеграфітової форми і масивним сталевим блюмсом, є джерелами утворення внутрішніх напружень у виливку і вуглеграфітовій формі. При впливі високої температури (850-900⁰С) та агресивного середовища це приводить до порушення суцільності електричного контакту (тріщини, пори), підвищеному росту, зовнішньому і внутрішньому окислюванню чавуну, обумовлюючи тим самим погіршення надійності електричного контакту, збільшення витрат електроенергії і зменшення терміну служби електролізерів.

Встановлено кількісні закономірності та особливості впливу хімічного складу чавуну на перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт та комплекс його ливарних і фізико-хімічних властивостей. Це дозволило доповнити і узагальнити механізм впливу хімічного складу і структури чавунного виливка на експлуатаційні характеристики електролізерів - перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт і тріщиностійкість вуглеграфітових блоків:

зниження перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт і висока тріщиностійкість подових вуглеграфітових блоків забезпечується оптимальною силою притиснення невибивного чавунного виливка до поверхні вуглеграфітової форми при наступних співвідношеннях елементів хімічного складу (мас. частка, %): 2,9 - 3,2C; 2,8 - 3,0Si; 0,3 - 0,6Mn; 0,04 - 0,10Cr; при цьому вмісті елементів забезпечується найкраще комплексне сполучення ливарних (рідкотекучості, усадки, об'єму розсіяних пір, інтервалу кристалізації) і фізико-хімічних (питомого електроопору, коефіцієнтів лінійного термічного розширення, стійкості до утворення окалини та зросту) властивостей чавуну;

однією з найважливіших характеристик, що визначають перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт та експлуатаційну стійкість подових блоків, є термічне розширення чавунного виливка в інтервалі температур до полиморфного перетворення, коли чавун знаходиться в пружному стані; для забезпечення високих експлуатаційних показників коефіцієнт лінійного термічного розширення чавунів в інтервалі температур 20- 700⁰С не повинен перевищувати (14,4-14,6)10^-6, 1/⁰С;

величини коефіцієнтів лінійного термічного розширення дослідних чавунів визначаються, у більшій мірі, типом металевої основи, ніж графітною фазою; перлітні чавуни при оптимальному хімічному складі по основних та домішкових елементах, що додатково містять 0,5% міді, забезпечують нижчі коефіцієнти лінійного термічного розширення до температур аустенітного перетворення ((14,19 - 14,31)10^-6, 1/⁰С) у порівнянні з феритними і сприяють високим експлуатаційним показникам електролізерів;

вміст фосфору в чавуні для литих контактів у подових секціях не повинен перевищувати 0,5%; при більшому вмісті (0,5 - 1,5%) фосфор сприяє різкому підвищенню коефіцієнтів лінійного термічного розширення поблизу температур полиморфного перетворення через графітизацію структур, що містять цементит, та підвищенню швидкості окислювання чавуну на 30 -70% під впливом підвищених температур та агресивного середовища;

для чавунів, що мають підвищений вміст сірки (0,12 - 0,18%), легування 0,5% міді дозволяє уникнути утворення відбілу в тонкостінному чавунному виливку і сприяє стабілізації термічного розширення і, відповідно, підвищенню експлуатаційних показників електролізу; збільшення присадки міді понад 0,5% небажано, через підвищення окалиноутворення у чавунах в 2,5 - 5,0 рази при температурі експлуатації, що негативно позначається на електричних показниках.

Вплив графітної фази на експлуатаційні показники реалізується, в основному, через вплив на жаростійкість чавуну (окалиностійкість і зростостійкість); модифікування чавуну лігатурою з ітрієм (0,10 -0,15% Сиитмиш-1) сприяє зниженню перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт за рахунок збільшення окалиностійкості і зростостійкості чавунів при високих температурах, унаслідок поліпшення форми і розподілу включень графіту, зменшення їх розмірів та підвищення однорідності металевої основи та є кращім у порівнянні з феросиліцієм ФС75л, силікокальцієм СК20 і силікобарієм ФС65Ба4.

Використання результатів роботи у виробництві на ЗАлК дозволило істотно покращити техніко-економічні показники виробництва за рахунок зниження браку лиття контактів через утворення тріщин у 1,5 рази, зниження падіння напруги у катоді електролізеру на 10-15 мВ та збільшити у цілому експлуатаційну стійкість електролізерів, що забезпечило збільшення випуску алюмінію та зниження витрат на капітальні ремонти електролізерів. Економічний ефект від впровадження розроблених рекомендацій з вдосконалення технологічних параметрів виробництва литих чавунних контактів для алюмінієвих електролізерів складає більш 100 тис. грн. на рік.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ:

Иванов В.Г., Бондаренко И.Н., Лунев В.В. Исследование факторов эксплуатационной стойкости промышленных алюминиевых электролизеров // Теория и практика металлургии. - 1999. - №4. - С. 42-43.

Луньов В.В., Бондаренко І.М., Іванов В.Г. Вплив фосфору та сірки на показники термічного розширення сірих чавунів та перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт // Металознавство та обробка металів. - 2000.-№1-2.- С. 38-41.

Іванов В.Г., Бондаренко І.М., Пархоменко А.В., Самойлов В.Є. Дослідження впливу хімічного складу чавунів на показники змочування вуглеграфітного матеріалу подового блоку алюмінієвого електролізера // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 1999. - №1. - С. 40-41.

Иванов В.Г., Бондаренко И.Н., Лунев В.В., Самойлов В.Е. Использование модифицированных чугунов при монтаже подовых секций алюминиевых электролизеров // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2000. - №2. - С. 51 - 53.

Иванов В.Г., Левенков И.Н., Бондаренко И.Н., Лунев В.В. Роль физико-химических параметров чугуна в алюминиевых электролизерах // Електротехніка та електроенергетика. - 1999. - №1. - С. 38 - 40.

ДОДАТКОВО НАУКОВІ РЕЗУЛЬТАТИ ВІДОБРАЖЕНІ У РОБОТАХ:

Иванов В.Г., Бондаренко И.Н., Пархоменко В.А. Влияние формы графита на переходное сопротивление контакта сталь - чугун - углеграфит // Труды VIII научно - технической конференции “Неметаллические включения и газы в литейных сплавах”. - Запорожье: ЗГТУ. - 1997. - С. 172 - 174.

Бондаренко И.Н., Иванов В.Г., Пархоменко В.А. Зависимость электрического сопротивления системы сталь - чугун - углеграфит от химического состава чугунов // Електричний журнал. - 1998. - №2. - С. 7 - 10.

Иванов В.Г., Бондаренко И.Н., Чеботарь Л.К., Лунев В.В. Влияние газовой пористости чугунной заливки на эксплуатационную стойкость подовых блоков алюминиевых электролизеров. // Неметалеві включення і гази у ливарних сплавах: Зб. наук. пр. міжнародної науково-технічної конференції. (18-22 вересня 2000р.). - Запоріжжя: ЗДТУ, - 2000. - С. 103-104.

Иванов В.Г., Бондаренко И.Н., Лунев В.В. Зависимость электросопротивления системы сталь - чугун - углеграфит от химического состава и структуры заливаемого чугуна // Придніпровський науковий вісник. Сер. Машинобудування та технічні науки. - 1997. - № 37(48). - С. 31 - 34.

Иванов В.Г., Бондаренко И.Н., Лунев В.В., Пархоменко В.А. Влияние химического состава чугуна на электросопротивление системы сталь - чугун - углеграфит // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб. наук. пр. - Запоріжжя: ЗДТУ. - 1998. - С. 145-146.

електроліз лиття чавунний виливок

АНОТАЦІЇ

Іванов В.Г. Литі чавунні контакти з низьким перехідним електроопором для алюмінієвих електролізерів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 - Ливарне виробництво. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертація присвячена питанням підвищення якості литих чавунних контактів, зменшення їх перехідного електроопору та покращення експлуатаційних показників алюмінієвих електролізерів за рахунок вдосконалення технологічних параметрів чавунного лиття у комбіновані вуглеграфітові форми.

В роботі встановлені закономірності впливу хімічного складу, модифікування та технології виробництва чавуну на перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт та комплекс його ливарних і фізико-хімічних властивостей. Вдосконалено хімічний склад та технологію виробництва модифікованого чавуну, що забезпечують підвищення надійності та експлуатаційної стійкості алюмінієвих електролізерів.

Основні результати роботи запропоновані до практичного застосування при виготовленні чавунних виливок, що забезпечують надійний електричний контакт у подових вуглеграфітових секціях алюмінієвих електролізерів.

Ключові слова: чавунні виливки, вуглеграфітові секції, електролізери, перехідний електроопір, хімічний склад, модифікування.

Ivanov V.G. Cast-iron casting contacts with low transitive resistance for aluminium electrolyzers. - Manuscript.

Dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical science by speciality 05.16.04 - Foundry manufacture. - National metallurgical academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2001.

The thesis is devoted to questions of improvement of quality of cast-iron founding electric contacts, lowering their contact resistance and improvement exploitation index aluminium electrolyzers at the expense of perfection of technology peculiarities cast-iron casting into the combined carbon graphite maulds.

Regularities influence of chemical composition, modification and technology of cast-iron production on transitive electric resistance of contact cast iron - carbon graphite and complex his foundry and physico - chemical properties are ascertained in the work. Chemical composition and technology of modificated cast iron manufacture, which provide improvement of reliability and exploitation stability of the aluminium electrolyzers are perfected.

Main results of the work are proposed to practical use for cast iron casting making, which provide exact electric contact in hearth carbon graphite section of the aluminium electrolyzers.

Key words: cast-iron casting, carbon graphite section, electrolyzers, contact resistance, chemical composition, modification.

Иванов В.Г. Литые чугунные контакты с низким переходным электросопротивлением для алюминиевых электролизеров. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 - Литейное производство. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2001.

Диссертация посвящена вопросам повышения качества литых чугунных контактов, снижения их переходного электросопротивления и улучшения эксплуатационных показателей алюминиевых электролизеров за счет совершенствования технологических параметров чугунного литья в комбинированные углеграфитовые формы.

Установлены новые сведения о закономерностях структурных изменений, происходящих в чугунной отливке в процессе долговременной высокотемпературной эксплуатации в алюминиевом электролизере и их влиянии на эксплуатационные показатели. Показано, что неоднородность структуры и нестабильность химического состава чугунной отливки приводит к нарушению сплошности электрического контакта чугун - углеграфит (трещины, поры), а также повышенному росту, наружному и внутреннему окислению чугуна, обуславливая тем самым ухудшение надежности электрического контакта, увеличение расхода электроэнергии и уменьшения срока службы электролизеров.

Установлены количественные закономерности и особенности влияния химического состава чугуна на переходное электросопротивление контакта чугун - углеграфит и комплекс его литейных и физико-химических свойств. Это позволило дополнить и обобщить механизм влияния химического состава и структуры чугунной отливки на эксплуатационные характеристики электролизеров - переходное электросопротивление контакта чугун - углеграфит и трещиностойкость углеграфитовых блоков:

снижение переходного электросопротивления контакта чугун - углеграфит и высокая трещиностойкость подовых углеграфитовых блоков обеспечивается оптимальной силой прижатия невыбиваемой чугунной отливки к поверхности углеграфитовой формы при следующих соотношениях элементов химического состава (масс. доля, %): 2,9-3,2C; 2,8-3,0Si; 0,3-0,6Mn; 0,04-0,10Cr; при указанном содержании элементов обеспечивается наилучшее комплексное сочетание литейных (жидкотекучести, усадки, объема рассеянных пор, интервала кристаллизации) и физико-химических (удельного электросопротивления, коэффициентов термического расширения, окалиностойкости и ростоустойчивости) свойств чугуна;

одной из важнейших характеристик, определяющих переходное электросопротивление контакта чугун - углеграфит и эксплуатационную стойкость подовых блоков, является термическое расширение чугунной отливки в интервале температур до полиморфного превращения, когда чугун находится в упругом состоянии; установлено, что для обеспечения высоких эксплуатационных показателей коэффициент линейного термического расширения чугунов в интервале температур 20-700⁰С не должен превышать (14,4 - 14,6)10^-6, 1/⁰С;

величины коэффициентов линейного термического расширения исследованных чугунов определяются, в большей степени, типом металлической основы, чем графитной фазой; перлитные чугуны при оптимальном химическом составе по основным и примесным элементам и дополнительно содержащие 0,5% меди, обеспечивают низкий коэффициент линейного термического расширения до температур аустенитного превращения ((14,19 - 14,31)10^-6, 1/⁰С), по сравнению с ферритными и способствуют высоким эксплуатационным показателям;

содержание фосфора в чугуне для заливки подовых секций не должно превышать 0,5%; при большем содержании (0,5 - 1,5%) фосфор способствует резкому повышению коэффициентов линейного термического расширения вблизи температур полиморфного превращения из-за графитизации цементитосодержащих структур и повышения скорости окисления чугуна на 30 -70% под воздействием повышенных температур и агрессивной среды;

для чугунов, имеющих повышенное содержание серы (0,12 - 0,18%), легирование 0,5% меди позволяет избежать образования отбела в тонкостенной чугунной отливке и способствует стабилизации термического расширения и, соответственно, повышению эксплуатационных показателей электролиза; увеличение присадки меди сверх 0,5% нежелательно, так как вызывает повышение окалинообразования чугуна в 2,5 - 5,0 раза при температуре эксплуатации, что отрицательно сказывается на электрических показателях.

Влияние графитной фазы на эксплуатационные показатели реализуется, в основном, посредством влияния на жаростойкость чугуна (окалиностойкость и ростоустойчивость); модифицирование чугуна иттрийсодержащей лигатурой Сиитмиш-1 в количестве 0,10-0,15% способствует снижению переходного электросопротивления контакта чугун - углеграфит за счет увеличения окалиностойкости и ростоустойчивости чугунов при высоких температурах, вследствие улучшения формы и распределения графита, уменьшения его размеров и повышения однородности металлической основы и является предпочтительным по сравнению с модифицированием ферросилицием ФС75л, силикокальцием СК20 и силикобарием ФС65Ба4.

Использование результатов работы в производстве на ЗАлКе позволило существенно повысить технико-экономические показатели производства за счет снижения брака из-за образования трещин в 1,5 раза, снижения падения напряжения в подине электролизера на 10-15 мВ и увеличить в целом эксплуатационную стойкость электролизеров, обеспечившее увеличение выпуска алюминия-сырца и снижение затрат на капитальные ремонты электролизеров. Экономический эффект от внедрения разработанных рекомендаций по усовершенствованию технологических параметров производства литых чугунных контактов для алюминиевых электролизеров составляет более 100 тыс. грн. в год.