Технологія одержання залізокремнемагнієвих лігатур з використанням електромагнітних сил

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність роботи.

Ефективним модифікатором і десульфуратором в металургії чавуну і сталі є магній. Магній застосовують у вигляді зливків, гранул, дроту з наповненням порошком магнію або його суміші з іншими, наприклад, РЗМ елементами. Поширюється використання магнієвмісних брикетів і сплавів, частіше усього залізокремнемагнієвих (ЗКМ), що використовуються у вигляді подроблених зливків або приготовлених у вигляді «чіпс»-модифікаторів. Використання ЗКМ сплавів найбільш зручне технологічно, безпечніше для персоналу, забезпечує найкраще засвоєння магнію, що міститься в них. Виробництво ЗКМ сплавів пов'язане з великими втратами магнію. Саме на етапі отримання ЗКМ сплавів (лігатур) конче необхідна розробка технології, при якій втрати магнію зводилися б до мінімуму. Перспективним є спосіб отримання ЗКМ лігатур, що включає занурення магнію в рідкий феросиліцій електромагнітною силою, що створюється схрещеними магнітним і електричним полями. Ця сила утримує в глибині розплаву феросиліцію і твердий і рідкий магній до його повного розчинення. Більшість відомих наукових праць і розроблених в них способів стосуються вивчення електромагнітного впливу на поведінку часток малої густини, які мають малі розміри в порівнянні з розмірами ванни розплаву більшої густини. Силові, теплофізичні та гідродинамічні особливості електромагнітного способу введення великих за масою зливків магнію у розплав феросиліцію не досліджені. Представляється доцільним використовувати стандартні зливки магнію (8,5кг), що виключає їхню подальшу переробку. Тому поглиблених досліджень потребує процес електромагнітного отримання лігатур із крупних зливків магнію в обмеженому просторі розплаву та розробка на їх основі технології і обладнання, що необхідне для її реалізації. Ця робота спрямована на дослідження електромагнітного способу введення магнію в розплав феросиліцію і створення технології, що забезпечує мінімальні його втрати, отримання лігатури з більшою мірою однорідності і технічно зручною у виконанні.

Мета і завдання дослідження.

Розробка ефективної технології і обладнання для отримання ЗКМ лігатур, що забезпечить зменшення втрат магнію і поліпшення якості сплаву шляхом визначення силових параметрів електромагнітного впливу на систему залізо-кремній-магній.

Для досягнення вказаної мети в роботі поставлені наступні завдання:

- дослідити механізм занурення в розплав великих зливків магнію (500Ч160Ч70 мм) в умовах турбулентних і електровихрових течій;

- дослідити теплофізичну взаємодію зливків магнію з розплавом феросиліцію при їх розплавленні і розчиненні в умовах електромагнітних впливів;

- визначити фізико-хімічні параметри системи при взаємодії магнію, феросиліцію і лігатури, що утворюється;

- вивчити вплив гідродинамічних процесів на тепломасообмін між магнієм і рідким феросиліцієм;

- створити лабораторні і промислові установки для електромагнітного введення магнію в рідкий феросиліцій і розробити технологію отримання ЗКМ лігатур з використанням електромагнітних сил;

- оцінити техніко-економічну ефективність нової технології отримання ЗКМ лігатури.

Об'єкт дослідження - технологія отримання ЗКМ лігатур.

1. Основні властивості магнієвмісних матеріалів і їх застосування, існуючі технологічні схеми магнієвої обробки металевих розплавів і отримання ЗКМ лігатур

Відзначено, що найбільш продуктивним є отримання ЗКМ лігатур з рідкого феросиліцію і металевого магнію. При традиційних способах введення металевого магнію в розплави феросиліцію втрати його досягають 40-50% із-за спливання на поверхню розплаву, випаровування і горіння на повітрі.

Встановлено, що перспективним способом отримання ЗКМ лігатур, що дозволяє зменшити втрати магнію, являється утримання його в глибині розплаву феросиліцію до повного засвоєння безконтактним способом з використанням електромагнітних сил. Сформульовані мета і завдання дослідження.

2. Основні методи і методики дослідження. Основними методами реалізації поставлених завдань були теоретичні і лабораторні дослідження гідродинамічних і тепломасообмінних процесів

Фізичні і електричні властивості реагентів, використовувані для аналізу здійснюваного процесу, вибиралися по довідковій літературі, монографіям і окремим публікаціям. Окремі значення були екстрапольовані по відомих емпіричних виразах.

Моделювання процесу на рідкому металі проводили із сплавом Вуда, використовуючи спеціально розроблену лабораторну установку. Питомий електроопір сплаву Вуда визначали за величиною втрати напруги на зразку фіксованої довжини і фіксованого поперечного перетину, що поміщається в термостат. Провідність ділянки ванни з розплавом і присадкою визначали за правилом складання провідності паралельно підключених провідників. Параметри електромагнітної силової дії на систему розплав-присадка розраховували, ґрунтуючись на законах Ома, Біо-Савара-Лапласа, законах Кірхгофа і Ампера для магнітних і електричних кіл. Індукцію магнітного поля в робочому проміжку електромагніту лабораторної установки і навколо нього визначали вимірювачем магнітної індукції «ИМИ- 3» з датчиком Холла.

Для проведення експериментальних досліджень був сконструйований і виготовлений лабораторний ківш-реактор, а також електромагніт, вибрано і модернізовано відповідне джерело електроживлення. Установка працює за принципом кондукційного насоса, а напрям електромагнітного прискорення визначали за правилом лівої руки. Гідродинаміку розплаву в робочому просторі установки досліджували, базуючись на законах збереження маси, використовуючи критерії Рейнольдса, Прандтля, Нуссельта з урахуванням електромагнітної дії і топографії магнітного поля.

Термодинаміку процесу засвоєння магнію розглядали на підставі законів діючих мас, Гесса, Рауля, Генрі і рівняння Релея. Тиск пари магнію над чистим магнієм був вибраний з літератури. Кінетику засвоєння магнію розплавом феросиліцію аналізували з урахуванням експериментальних даних про тепломасообмін при електромагнітних впливах, впливу топографії магнітного поля в металі і гідродинамічної обстановки в електромагнітному реакторі. Час розплавлення пакетів і окремих зливків розраховували з використанням математичної моделі процесу розплавлення «непрогрітого тіла із збереженням розплаву на поверхні». Істинну теплоємність компонентів визначали по її температурних рядах. Тепловий баланс процесу засвоєння магнію феросиліцієм розраховували з урахуванням теплового ефекту утворення силіциду магнію і втрат тепла в довкілля. Вміст магнію в комплексній лігатурі визначали титриметричним трилонометричним методом виміру масової його долі. Необхідні розрахунки і обробка експериментальних даних, а також моделювання окремих параметрів проводили на ПЕОМ з використанням ліцензійного програмного забезпечення, методів математичної статистики і програмування на мові QBasic.

3. Теоретичні і експериментальні дослідження процесу отримання ЗКМ лігатур з використанням електромагнітних дій

Для здійснення безконтактного утримання магнію в глибині розплаву феросиліцію були узагальнені літературні дані про їх електропровідність. У довідковій літературі є відомості про електропровідність заліза, магнію і кремнію в твердому стані і при низьких температурах. Електропровідність рідких металевих розплавів в діапазоні температур 1200-1650єС досліджена менше. Для розрахунків наявні довідкові дані були екстрапольовані на ділянку цих температур (таблиця.1). У сплавів на основі залізо - кремній електроопір в рідкому стані менший, ніж в твердому. Це пов'язано з тим, що при плавленні чистого кремнію його електроопір різко зменшується.

Магнітне і електричне поля, що впливають на розплав, не є однорідними. Внаслідок цього в розплаві виникають градієнти тиску, під дією яких розплав у ванні інтенсивно перемішується. Залежно від вибраного ступеню зміни уявної питомої ваги вмісту ванни, а саме величини, можна визначити параметри енергопостачання ванни. Мінімальна величина електромагнітної силової дії на розплав обмежена величиною. Максимально можлива величина залежить від конструктивних параметрів установки і джерел електроживлення. В цьому випадку вплив неоднорідності магнітного поля, його деформації магнітним полем струму і вплив силової дії електричного струму незначні в порівнянні з дією сили тяжіння. При електромагнітних впливах, коли =1,2-1,3 і більш, вплив перерахованих вище чинників деформує поверхню ванни, а вихори обертаються з більшою швидкістю. Неоднорідність електричного поля, що збільшується при підводі струму за допомогою погружного електроду, додатково посилює електровихрові течії.

Основні моменти технології отримання лігатур з використанням електромагнітних сил полягають в наступному:

- ківш-реактор розігрівають пальником до температури внутрішньої поверхні 800-900C і з робочого ковша наливають в нього розплав феросиліцію до заданого рівня. Ливарним краном подають заповнений ківш-реактор в електромагніт, поміщаючи активну зону між полюсними наконечниками. Струмоз'ємник реактора при цьому підключається до клем короткої мережі випрямляча;

- занурюють у метал міксерної зони ковша-реактора графітовий електрод, підключений до другого полюса випрямляча. З пульта управління включають робочий струм і приступають до подачі зливків магнію по лотку в метал активної зони ковша-реактора. Швидкість засвоєння зливків 2-3 штуки за хвилину;

- коли засвоєння зливків сповільнюється з'являються спалахи. В цьому випадку збільшують силу струму до 11-13 кА, залежно від числа введених зливків;

- після закінчення введення зливків вимикають подачу струму. Прибирають з розплаву занурюваний електрод. Ливарним краном знімають ківш-реактор з установки і передають на конвейерну розливну машину. Загальна тривалість циклу від заповнення ковша-реактора феросиліцієм до кінця розливання на машині складає 40-50 хвилин.

Властивості ЗКМ лігатур досліджувалися після проведення фінішних операцій. Макроструктура зразків лігатури, отриманих за базовою технологією, має велику пористість і розміри фазових складових в порівнянні із зразками лігатури, отриманими за новою технологією. Лігатура, отримана з використанням електромагнітних сил, має велику однорідність за вмістом магнію, як в межах одного зливка, так і в межах плавки, що має важливе значення при отриманні відливків з високоміцного чавуну внутрішньоформеним модифікуванням. Абсолютне відхилення складу сплаву по магнію в межах ковша складало ±0,19%, що є наслідком інтенсивного перемішування розплаву і присадки в процесі циркуляції їх через активну зону ковша-реактора.

Аналіз результатів промислових досліджень електромагнітного введення магнію у феросиліцій показав, що механізм засвоєння магнію розплавом феросиліцію при електромагнітному його введенні полягає в оплавленні зливка магнію на поверхні і взаємному розчиненні двох рідин - магнію і кремнію з феросиліцію один в одному з утворенням Mg2Si. У відсутність електромагнітної дії на розплав, коли зливок утримується в глибині механічно, частина рідкого магнію не встигає прореагувати і зв'язатися з кремнієм, спливає до поверхні, де випаровується і горить, утворюючи піроефект і значне димовиділення. При електромагнітному поважчанні уявна питома вага магнію більша, ніж у навколишнього розплаву. Магній, що оплавляється, не спливає, а занурюється. Низхідний потік розплаву феросиліцію розчиняє магній. Під дією електромагнітних сил вільна конвекція розплаву змінюється вимушеною і це прискорює взаємне розчинення магнію і феросиліцію. Електромагнітний вплив дозволяє утримувати магній в об'ємі розплаву протягом усієї обробки, що сприяє збільшенню ступеня його засвоєння розплавом в 3-4 рази (74-88%) в порівнянні з розрахунковою величиною (26%), отриманою для позливкового введення без електромагнітних сил.

Висновки

магнієвий феросиліций турбулентний електромагнітний

У дисертації вирішено актуальне науково-технічне завдання по розвитку основних теоретичних положень отримання ЗКМ лігатур при дії на розплав електромагнітних сил. Встановлені специфічні зв'язки між фізико-хімічними властивостями розплаву і присадок, гідродинамічними явищами і параметрами силової електромагнітної дії. Створена економічно ефективна і екологічно щадна технологія позапічного отримання ЗКМ лігатури.

Отримані наступні наукові і практичні результати:

1. Досліджені зв'язки фізико-хімічних і електричних властивостей феросиліцію і магнію, на підставі яких розроблені математичні вирази, що описують занурення легкої і більш електропровідної присадки в менш електропровідний розплав з більшою щільністю в умовах схрещених електричного і магнітного полів.

2. Встановлено, що для занурення магнію у феросиліцій при дії на розплав схрещених електричного і магнітного полів повинна виконуватися умова >. Тому, при отриманні ЗКМ з феросиліцію із вмістом Si (90 - 65%), величині щільності струму на ванні ? 1?105А/м2 і значенні параметра К=0,63 - 0,82, магнітна індукція в робочому проміжку електромагніту має бути більше 0,17 - 0,32 Тл.

3. Встановлено, що у відсутності електромагнітної дії процес розчинення магнію у феросиліції відстає від процесу розплавлення, що викликає його спливання і згорання на поверхні розплаву. Взаємодія магнітного і електричного полів в об'ємі ванни електромагнітного реактора викликає інтенсивне перемішування розплаву, примусове утримання магнію в його об'ємі і забезпечує необхідний час засвоєння стандартного зливка магнію без піроефекта і викидів. Засвоєння магнію розплавом феросиліцію отримане при реалізації технології перевищує розрахункову величину для позливкового введення без електромагнітних впливів у 3-4 рази.

4. Розроблена методика розрахунку гідродинамічної обстановки в електромагнітному реакторі при різних значеннях величин, що впливають на циркуляцію розплаву в нім, що дозволяє проектувати основні технологічні і конструктивні параметри установки.

5. Експериментально встановлено і теоретично пояснено занурення стандартного зливка магнію (8,5 кг) в розплав феросиліцію у вертикальному положенні, а також механізм розчинення і засвоєння його в умовах електромагнітних впливів.

6. Встановлено, що втрати магнію при отриманні ЗКМ лігатури позапічним способом з рідкого феросиліцію і металевого магнію складають в середньому 40% і обумовлені піроефектом і випаровуванням магнію з поверхні розплаву, доля яких приблизно однакова. Для виключення піроефекту найбільш ефективним є введення магнію в розплав феросиліцію в схрещених електричному і магнітному полях. Втрати магнію в результаті випаровування з поверхні розплаву можуть бути понижені створенням безокисної по відношенню до нього газової атмосфери над лігатурою.

7. Встановлено, що магній в висококремневій лігатурі (65% - Si) в умовах електромагнітних впливів, проявляє негативне відхилення від закону Рауля і відповідає закону Генрі, активність магнію складає 0,032, а коефіцієнт Генрі для середньої температури обробки 1300С (1400С - початок обробки, 1200С - кінець разливання) дорівнює 0,261. Засвоєння магнію розплавом феросиліцію в цілому ендотермічне, а кожен відсоток магнію сприяє пониженню температури розплаву на 10єС без урахування втрат тепла в довкілля і нагрів ковша.

8. Для промислової реалізації процесу обрано постійний струм і обгрунтовані переваги його використання, запропоновані пристрої підведення струму в рідкий метал і прийнято двозонний робочий простір ковша-реактора.

9. Розроблена і виготовлена лабораторна установка для дослідження і моделювання електромагнітного введення легких присадок у важкі розплави, виконана конструкторська розробка напівпромислової, а потім промислової установок для позливкового електромагнітного введення магнію в розплав феросиліцію, проведено авторський супровід виготовлення установок і впровадження їх на Стаханівському заводі феросплавів. Технологія виробництва ЗКМ лігатур з використанням електромагнітних сил була випробувана в лабораторних умовах кафедри металургії чорних металів ДонДТУ, впроваджена на ВАТ «Стаханівський завод феросплавів», а також передана для реалізації Лутугінському державному науково-виробничому валковому комбінату. Результати роботи впроваджені у навчальний процес та використовуються при підготовці студентів спеціальності 7.090401 «Металургія чорних металів».

10. Розроблена і реалізована в промислових умовах технологія отримання ЗКМ лігатур дозволяє понизити втрати дефіцитного магнію на 20%, трудомісткість процесу на 30-80% в порівнянні з різними способами, об'єм аспіраційних виділень в 3-5 разів, виключити піроефект, застосування разових пристроїв для занурення магнію в розплав феросиліцію і зменшити неоднорідність хімічного складу лігатури. Економічний ефект, при впровадженні технології склав 140,7 грн. на 1 тону виробленої цим способом лігатури за рахунок підвищення ступеню використання магнію.

Література

1. Эссельбах С.Б. Электромагнитная обработка расплавов. Монография / [С.Б. Эссельбах, С.В. Куберский, В.Н. Дорофеев, В.С. Эссельбах, С.В. Семирягин]. - Алчевск: ДонГТУ, 2007.- 138с.

2. Эссельбах В.С. Технологические особенности электромагнитной обработки расплавов / В.С. Эссельбах, С.Б. Эссельбах, С.В.Куберский, В.Н. Дорофеев, С.В. Семирягин // Сбор. науч. трудов. - Алчевск: ДонГТУ. - 2006. - Вып. № 22 - С.135_142.

3. Эссельбах В.С. Математическая модель расчета электромагнитов, используемых при обработке высокотемпературных расплавов / В.С. Эссельбах, С.Б. Эссельбах, С.В .Куберский // Сбор. науч. трудов Алчевск: ДонГТУ, 2008. - Вып. №26. - С.205-210.

4. Эссельбах В.С. Тепломассообмен при растворении металлического магния в ферросилиции / В.С. Эссельбах, С.Б. Эссельбах, С.В. Куберский // Сбор. науч. трудов. Вып. №29 - Алчевск: ДонГТУ. 2009.- С.220-231.

5. Эссельбах В.С. Гидромеханика реактора для электромагнитной обработки расплавов / В.С. Эссельбах, С.Б. Эссельбах, С.В. Куберский // Сбор. науч. трудов. Вып. №29 - Алчевск: ДонГТУ. 2009.- С.232-240.

6. Семирягин С. В., Использование электромагнитных воздействий для повышения эффективности магниевой обработки расплавов / С.В. Семирягин, С.Б. Эссельбах, В.С. Эссельбах, С.В. Куберский // Металл и литье Украины. - 2005. - № 3-4. - С.100-102.

Размещено на Allbest.ru