/ 9 2 (75), 2014 УДК 621 .74 Поступила 25.03.2014 Д. М. КуКуй, Ф. и. РуДНицКий, Ю. Н. ФАсевич, БНТу, Н. Н. сеРгиеНя, А. с. сиНДель, филиал ЗАо «АТлАНТ» – Барановичский станкостроительный завод разраБотка технологиЧеских реШений ПолуЧения Черных и Цветных сПлавов с исПолЬзованием среднеЧастотных индукЦионных ПеЧей в статье рассмотрены особенности среднечастотной индукционной печи, разработанной по рекомендациям БНТу филиалом ЗАо «АТлАНТ» - БсЗ совместно с компанией EGES. Проанализированы особенности технологии плав- ки экспериментальных сплавов в различных режимах с использованием дисперсных и кусковых шихтовых материалов. сделаны необходимые выводы и рекомендации по ведению плавки. The peculiarities of the mid-frequency induction furnace developed by branch of JSC “ATLANT” BSZ together with the com- pany EGES under recommendations of BNTU are considered in the article. Features of technology of melting of experimental alloys in various modes with use disperse and lump the burden materials are analyzed. Necessary conclusions and recommenda- tions on melting conduction are made. Важным направлением развития машиностро- ительного комплекса на современном этапе явля- ется повышение эффективности, в первую оче- редь, за счет снижения энергопотребления высо- коэнергоемких технологических процессов, к ко- торым относятся все процессы плавки черных и цветных металлов . Среди электротехнологиче- ских процессов плавки наиболее энергоемкими являются электротермические . Электроплавка чер- ных и цветных сплавов – наиболее энергоемкая стадия производства отливок . В связи с этим осо- бое значение приобретают совершенствование применяемого электротермического оборудования, направленное на автоматизацию, улучшение энер- гетических показателей, надежности работы и по- вышение эффективности . Технико-экономические показатели электротермических установок во мно- гом зависят от типа и условий эксплуатации при- меняемых источников питания, а также техноло- гических схем энергопитания, водоподготовки, охлаждения электрических контуров и др . В по- следние годы в качестве источников питания ин- дукционных печей распространение получили ти- ристорные преобразователи . Обладая многими преимуществами перед другими типами преобра- зователей, как показывает опыт их эксплуатации, они зачастую используются недостаточно эффек- тивно . Серьезные затруднения возникают в реше- нии вопросов согласования с нагрузкой и поиска оптимальных технологических режимов . Значи- тельное изменение электрических параметров пе- чей в ходе процесса нагрева при неправильном со- гласовании ведет к неэффективному использова- нию мощности индукционных печей, увеличению времени проведения, ухудшению энергетических показателей и удорожанию технологического про- цесса плавки . Среди различных способов сокращения удель- ных энергозатрат особый интерес для действую- щего производства представляет разработка эф- фективных методов расплавления металла, под которыми понимают предшествующий этап – ре- жим нагрева, а также некоторый промежуточный до плавления этап, когда режим нагрева прихо- дится изменять, корректировать с целью передачи от индуктора необходимой мощности при номи- нальном напряжении и проведения процесса в за- данное время . Только оптимальное согласование этих этапов может обеспечить эффективность про- цесса расплавления шихты для получения как чер- ных, так и цветных сплавов . Одним из путей ре- шения данной задачи является внедрение в про- изводство высокоэффективных технологических процессов плавки черных и цветных сплавов с ис- пользованием среднечастотных индукционных плавильных печей . Современный подход к рассмотрению индук- ционной плавки предполагает многофункциональ- ность этого плавильного агрегата и использование его для различных технологических задач – рас- 10 / 2 (75), 2014 плавления шихты и перемешивания расплава пе- ред разливкой . Известен ряд схемных решений для улучшения циркуляции металла в индукционной тигельной печи . Радикальным решением проблемы улучшения электродинамического перемешивания металла применительно к разработкам НИЛ «Материало- ведение и технология литейного производства» БНТУ совместно с филиалом ЗАО «АТЛАНТ»- Барановичский станкостроительный завод и ком- панией EGES (Турция-Великобритания) явилась специальная конструкция индуктора среднечастот- ной индукционной установки для обеспечения максимальной мощности во время плавки . Проект планировки осуществлен таким образом, чтобы длина токопроводов была наименьшей, а их сече- ние было достаточно широким для обеспечения минимального потребления энергии . Все это позволяет предотвратить механиче- скую деформацию краев индуктора . Особенно это актуально для сталеплавильных печей, в которых из-за термического расширения шаблона во время спекания может произойти деформация нижней части индуктора, что не допустимо . Например, в некоторых печах донное соединение индуктора после нескольких месяцев работы начинает сопри- касаться с близлежащим магнитопроводом . Сме- щение магнитопровода для предотвращения со- прикосновения витка с магнитопроводом может увеличить срок эксплуатации индуктора, но не на- много . Кроме того, индуктор необходимо ремонти- ровать, извлекая его из печи для решения этой про- блемы . У некоторых других производителей печей применяются деревянные поддержки, которые ло- маются из-за деформации индуктора . Конструкто- ры фирмы EGES приняли во внимание возможную проблему деформации и прибавили дополнитель- ные охлаждающие витки в донной части, жестко соединив их с соседними витками . Для верхней части печей применена бетонная жаропрочная часть со стальной рамой, особенно на печах большого объема, где футеровочный ма- териал печи не охлаждается в области верхней бе- тонной части, несмотря на охлаждение в области индуктора . Этот феномен порождает трещины в месте соединения индуктора и верхней бетонной части . Поэтому оператор должен следить за состо- янием футеровочного материала в этой зоне и про- изводить ремонт для предотвращения проникнове- ния металла . Разработчики решили эту проблему, добавив дополнительное охлаждение в верхней бе- тонной части и присоединив верхнюю бетонную часть к печи таким образом, чтобы она прижима- лась к индуктору, а не к стальной раме, а также термическую закалку ко всем видам верхней бе- тонной части, чтобы удалить влажность и улуч- шить механические свойства . На среднечастотной плавильной установке ка- бели имеют собственную систему охлаждения, ра- ботающую автономно и никак не связанную с об- щей системой охлаждения печей . После длитель- ной работы печи, если появляется какое-либо по- вреждение на водном кабеле, его можно заменить быстрее, чем за 10 мин без проблем с охлаждением индуктора печи . В печах средней частоты дозагрузка печи ших- той ведется по мере расплавления шихты и ее осе- дания, но всегда на еще не расплавленную шихту, и она успевает высохнуть до попадания в жидкий ме- талл . Это предупреждает опасность контакта жидко- го металла с влажными кусками шихты . Такой про- цесс плавки обеспечивается автоматически плавиль- ным процессором и оборудованием для загрузки шихты, которое входит в комплект поставки . Характерной особенностью печи средней ча- стоты вследствие плавки шихты без «болота» яв- ляется непрерывная циркуляция металла в тигле печи (рис . 1), а благодаря щадящему температур- ному режиму выдержки чугуна в период разливки, обеспечиваемому специальным источником пита- ния «TWIN-POWER», возможно:  одновременное питание двух печей как с произвольным, так и бесступенчатым распределе- нием мощности между ними;  не требуется применения миксеров для под- держания температуры металла в период его раз- ливки;  нет потерь во времени во время переклю- чения мощности; Рис . 1 . Характерная циркуляция металла в индукционной печи средней частоты / 11 2 (75), 2014  плавка и выдержка в одной печи и спека- ние футеровки во второй печи, которые в свою оче- редь объединены единым контуром охлаждения . Эффективность плавильного процесса опреде- ляется в значительной степени удельной мощно- стью агрегата . Чем выше удельная мощность печи, тем меньше капитальные и эксплуатационные за- траты, расходы на оборудование, строительство, загрузочные системы . Созданный индукционный комплекс средней частоты имеет удельный расход электроэнергии при плавке чугуна 530–550 кВт·ч/т . С увеличением частоты интенсивность движения расплава снижа- ется и удельная мощность может быть увеличена до 800 кВт·ч/т . Однако при этом уровне мощности возникают новые проблемы, также обусловленные наличием электромагнитных сил, но теперь уже не их воздействием на расплав, а воздействием на ка- тушку индуктора . Эти силы, пульсирующие с двой- ной частотой по сравнению с частотой тока, вызы- вают колебания индуктора, которые передаются конструкции печи, в результате чего создаются ви- брационный и шумовой эффекты (рис . 2) . С точки зрения разработки технологии выплав- ки черных и цветных сплавов с использованием кусковой шихты в индукционных среднечастотных печах наибольший практический и исследователь- ский интерес представляет способ, при котором осуществляется период окислительного рафиниро- вания за счет ввода на поверхность шлака твердого окислителя . Важным моментом организации тех- нологии плавки с использованием разработанной среднечастотной опытно-экспериментальной уста- новки является определение оптимального состава шлака, основная роль которого в том, чтобы как можно скорее создать буферную «подушку» между окислителем и «зеркалом» расплава . Возможности нового оборудования для вы- плавки качественных стальных заготовок провере- ны в процессе разработки технологии получения режущих вставок резцов роторов горнодобываю- щих машин из наномодифицированной быстроре- жущей стали Р6М5Л (рис . 3) . Основываясь на результатах исследований, це- лью работы была попытка улучшения структуры и повышения эксплуатационных свойств быстроре- жущих сталей путем введения в расплав нанострук- турированного диборида титана . Титан выбран, как один из элементов, наиболее эффективно повышаю- щих ударную вязкость литой стали, бор использован для повышения твердости, теплостойкости и устой- чивости против истирания, т . е . задачей исследования является повышение как ударной вязкости, так и из- носостойкости инструментальной стали . Диборид титана в наноструктурированном ви- де вводили в жидкий металл методом продувки его через футерованную фурму инертным газом (арго- ном) после полного раскисления стали . Твердость образцов определяли непосредственно в литом со- стоянии, после отжига, закалки и отпуска . Удар- ную вязкость и износостойкость изучали после полной термической обработки . Химический со- став и свойства экспериментальной наномодифи- цированной стали приведены в таблице . Рис . 2 . Конструкция и способ крепления индуктора Рис . 3 . Резец ротора, оснащенный режущей вставкой из на- номодифицированной стали Р6М5Л (ОАО «Беларуськалий») 12 / 2 (75), 2014 Микроструктуры исследуемых образцов (рис . 4) свидетельствуют о том, что в результате наномоди- фицирования измельчается первичное зерно, сетка ледебуритной эвтектики разрывается, эвтектика при- обретает тонкое строение и располагается в виде изолированных колоний . Эвтектическая составля- ющая по морфологическому типу скелетообразная, что характерно для борсодержащей быстрорежу- щей стали . Однако механизм разрушения экспери- ментальной стали близок к механизму разрушения стали, модифицированной титаном – внутризерен- ный . На поверхностях разрушения эксперимен- тальной стали, модифицированной нанострукту- рированным диборидом титана (рис . 4), отсутству- ют фасетки скола, присутствующие обычно на фрактограммах стали, модифицированной бором в виде ферробора . Напротив, на поверхностях раз- рушения наномодифицированной стали преобла- дает ямочный микрорельеф, что свидетельствует о высокой энергоемкости такого механизма и повы- шенной ударной вязкости образцов . В результате проведенных исследований уста- новлено: • выбранная методика ввода наномодификато- ров с учетом особенностей плавильного оборудо- вания способствует их хорошему усвоению, о чем свидетельствует химический состав образцов ста- ли, приведенный в таблице; • использование новой среднечастотной пла- вильной установки позволяет минимизировать угар основных легирующих элементов, сохранив их со- держание в пределах стандарта на быстрорежу- щую сталь (ГОСТ 19265-73) . В экспериментальных исследованиях исполь- зовали отработанный на выплавке чугунов метод с поправками по температуре и времени исходя из следующих соображений и собственных практиче- ских наблюдений исследовательского коллектива: 1 . Минимально возможная температура стале- плавильных процессов составляет 1550 °С . При этой температуре создаются наиболее благоприят- ные условия для окисления железа и части марган- Химический состав и свойства экспериментальной литой быстрорежущей стали, модифицированной наноструктурированными добавками на основе диборида титана Измеряемый параметр Показатель Значение Содержание основных компонентов, % Углерод С 0,89 Хром Сr 4,2 Вольфрам W 6,3 Молибден Mo 5,4 Ванадий V 1,91 Марганец Mn 0,35 Кремний Si 0,52 Титан Ti 0,06 Бор B 0,0012 Железо Fe Остальное Содержание примесей, % Сера S 0,025 Фосфор Р 0,035 Механические свойства Твердость после т . о . НRC 65 Ударная вязкость после т . о ., кДж/м2 180 Теплостойкость НRС (6200 С, 4 ч) 63 Износ, мг/ч 50 Твердость после отжига НВ 265 Рис . 4 . Микроструктура (а) и поверхность разрушения (б) литой быстрорежущей стали Р6М5Л, модифицированной нано- структурированными добавками диборида титана / 13 2 (75), 2014 ца с целью образования FexOy и МnО для офлюсо- вания основных компонентов смеси SiO2 и Al2O3 с образованием легкоплавких соединений типа 2FexOy⋅SiO2 и 2FexOу·SiO2·Al2O3 . Длительность пе- риода выдержки должна обеспечить флюсование всей массы шлака до появления жидкой фазы, вы- полняющей роль «защитной пленки» на «зеркале» металла . Минимальная продолжительность перио- да с учетом необходимого времени гомогенизации на данных установках составляет не более 10 мин . Максимальная продолжительность ограничивает- ся эффектом «образования мостов» и «зарастания» тигля из-за переизбытка содержания FeхOy в шла- ке, который должен расходоваться на окисление С, Мn и Si . Это может усугубляться интенсив- ным образованием SiO2 и увеличением массы объема шлака с одновременным повышением его вязкости . 2 . Максимально возможная температура второ- го периода плавления, который необходим для проведения периода «закипания» расплава с помо- щью интенсификации процесса обезуглерожива- ния с выделением пузырей СО, ввода ферроспла- вов для раскисления шлака и корректировки со- става», составляет 1600 °С . При более высокой температуре, как известно, усиливается разруше- ние футеровки, а также возрастает угар полезных элементов ферросплавов, что нивелирует преиму- щество отсутствия третьего периода нагрева под выпуск плавки . После ввода корректирующих добавок необхо- димое время для усвоения элементов составляло также не более 10 мин . По этим причинам стреми- лись ограничить общий длительный период до 25 мин . В период с момента ввода окислителя на шлак и до раскисления шлака постоянно следили за со- стоянием ванны и при необходимости системати- чески «просаживали» шлак . Окислитель в течение всего периода старались равномерно распределять и «замешивать» в шлак по всей поверхности ван- ны . Для этих целей использовали совковую лопату с дополнительной изоляцией ручки, так как опера- цию осуществляли без отключения установки . 3 . Температура третьего периода составляла 1650 °С и была обусловлена требованием техноло- гии разливки стали по отрытым изложницам емко- стью 0,1 т . В этот период осуществляли оконча- тельное раскисление (навесками технического алюминия при среднем расходе 1,4 кг/т в виде ци- линдрических брусков, которые вводили вглубь ванны), отбор последний пробы на химический состав и выпуск плавки . Остаточная концентрация алюминия составляла от 0,002 до 0,0028%, что со- ответствовало плотной структуре проб и слитков без газовых полостей и микрораковин . Технологические и конструктивные особенно- сти экспериментальной среднечастотной индукци- онной печи, а также описанные ниже испытания позволяют утверждать о возможности осущест- вления технологического процесса плавки струж- ки, а также дисперсных материалов при плавке с «болотом» и без него в индукционных среднеча- стотных печах . Дисперсные низкосортные железосодержащие отходы – окалина, продукты переработки и сепа- рации шлака, стружка, металлургическая пыль представляют собой весьма разнородное по хими- ческому составу и гранулометрии сырье (от не- скольких микрон до десятка сантиметров) . Содер- жание основного элемента – железа в этих отходах может колебаться от 35–40 % в аспирационной пыли до 95–98 % в стальной и чугунной стружке . В то же время, учитывая большое количество по- добного рода отходов, образующихся на современ- ных машиностроительных предприятиях, актуаль- ность ведения плавки с использованием индук- ционных печей с каждым годом не снижается . В Беларуси количество вновь образующихся низ- косортных железосодержащих металлоотходов оце- нивается примерно в 250–300 тыс . т в год . Для того чтобы использовать стружку в каче- стве шихтового материала, требуется проведение специальных подготовительных операций, направ- ленных на увеличение удельного веса стружки: се- парирование, дробление и брикетирование . Это связано с тем, что использование насыпной струж- ки при плавке различными способами приводит к высокому ее угару от 15–30 % (при индукцион- ной плавке) . В случае навального материала процесс тепло- обмена становится более сложным . Несмотря на большой размер удельной поверхности материала, облучаемая поверхность практически не изменя- Рис . 5 . Схема завалки печи стружкой 14 / 2 (75), 2014 ется . Однако для того чтобы достичь необходимо- го уровня теплообмена, в тигле печи должна быть достаточная теплопередача, которая обеспечивает- ся индукцией (рис . 5) . При разработке технологического процесса по- лучения металла осуществляли обычное расплав- ление шихты и сухой стружки (≤30 %), используя следующую процедуру загрузки печи: • в начале процесса расплавления в тигле печи нет стружки; • загрузка стружки осуществлялась в центр ти- гля печи; • на начальном этапе расплавления в качестве шихты использовали добавки как шихты, так и струж- ки, далее добавление шихты производили со сла- бым перемешиванием для замешивания стружки в жидкий металл . Упрощенные схемы проведения испытаний (рис . 6) наглядно иллюстрируют процедуру загруз- ки индукционной печи . Собственный опыт при проведении процесса расплавления стружки и анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации индукционных плавильных печей средней частоты, моделирова- ние процессов тепломассопереноса в печах, иссле- дование процессов как нагрева материала, так и плавки в этих печах, апробация опытно-экспе- риментальной установки позволяют выделить основные принципы и рекомендации, которые не- обходимо соблюдать при осуществлении техноло- гического процесса плавки стружки:  Процесс переплавки стружки в плавильных печах включает в себя высокотемпературный без- окислительный нагрев, расплавление, выдержку, скачивание шлака и выдачу расплава в разливоч- ный ковш или изложницы .  В процессе плавки скорость подачи струж- ки в жидкий металл (плавка «с болотом») должна быть не менее 5 кг/мин, в противном случае идет слишком сильный дым и повышенный износ футе- ровки .  После проведения этапа загрузки необходи- мо поддерживать температуру в пределах 1300– 1380 °С . Рекомендуемый объем наведения «боло- та» в тигле индукционной среднечастотной печи – не менее 30 % от массы загрузки стружки .  В качестве ограничения можно считать как нежелательность применения слишком мелкоди- сперсного сырья и восстановителя – с размером частиц менее 10 мкм, так как это может привести к большим потерям на пылеунос .  Благодаря конструкционным изменениям в конструкции катушки индукционной среднеча- стотной печи возможен процесс плавки стружки при 100 %-ной ее загрузке, без особых проблем с футеровкой (см . рис . 2) . Разработанные технологические решения обе- спечивают возможность гибкой организации плав- ки, непрерывной заливки жидким металлом гото- вых форм, быстрого перехода на выплавку различных сплавов, легкую приспосабливаемость к измене- нию в шихтовке плавки при перебоях в снабжении шихтовыми материалами и возможность примене- ния низкосортной шихты . Уникальный среднечастотный плавильный комплекс позволяет в максимальном приближении к производственным условиям промоделировать всю технологическую цепочку процесса плавки, включая как электрические параметры, так и разновидности шихтовых материалов и последовательность их вве- дения в шахту печи . Все это дает возможности раз- рабатывать оптимальные условия плавки для каждо- го конкретного литейного цеха и обеспечить, в ко- нечном итоге, на 10–15 % сокращение длительности процесса расплавления шихты и эквивалентно уменьшить удельный расход электроэнергии на вы- плавку 1 т расплава; сокращение угара компонентов шихты и повышение качества выплавленного спла- ва; увеличение срока службы футеровки печи; улуч- шение экологических показателей за счет правильно отработанной технологии плавки и снижения коли- чества вредных пылегазовых выбросов . Рис . 6 . Схемы загрузки печи в момент проведения испытаний