[2]Изобретение относится к области специальной металлургии получения сплавов на никелевой основе, конкретно к способам активации и восстановления некондиционных отходов собственного производства, также может быть применено при получении иных сталей и сплавов.
[3]2. Предшествующий уровень техники
[4]Известен способ восстановления отходов собственного производства путем их предварительного расплавления с последующим рафинированием при получении сплавов на никелевой основе (Патент RU 2398905 (С22С 19/03) 2009). Недостаток способа в отсутствии глубокого восстановления отходов при подготовке состава к основной выплавке.
[5]Известен способ восстановления компонентов в производстве литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе (Патент RU 1584404 (С22С 1/06) 1988), в котором переплавленные в вакууме шихтовые материалы рафинируют путем введения в расплав окислителя. Недостаток способа заключается в том, что техническим решением не предусмотрена обработка некондиционных отходов.
[6]Известен способ активации компонентов путем рафинирования отходов в вакууме при получении литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе с применением отходов, (Патент RU №2190680 (С22С 1/02) 2001). Недостатком технического решения является узкий диапазон технологических режимов для локальных составов не учитывающий разнородность отходов и возможность корректировки состава.
[7]Известен также, принятый заявителем за наиболее близкий аналог, способ восстановления и активации некондиционных отходов собственного производства при получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе (Патент RU №2470081, (С22С 1/02, С22В 9/02), 2011).
[8]Способ включает механическую очистку и введение отходов в состав шихтовых материалов.
[9]Недостатком известного способа является отсутствие эффективных операций химико-физической корректировки некондиционных отходов и их активации.
[10]3. Сущность изобретения
[11]3.1. Постановка технической задачи
[12]Обеспечение ресурсосбережения в том числе экономии дорогостоящих и дефицитных шихтовых материалов при выплавке высоколегированного сплава на никелевой основе с использованием некондиционных отходов в составе шихтовых материалов выплавки марочного металла путем активации скрытых и не реализованных резервов некондиционных отходов.
[13]Результат решения технической задачи
[14]Задача ресурсосбережения решена путем вовлечения в производство некондиционных отходов собственного производства, при этом в активированных отходах обеспечивается возможность минимального содержания углерода и кремния и одновременное применение кондиционных технологических отходов производства.
[15]3.2. Отличительные признаки
[16]В отличии от известного технического решения, в котором для введения отходов в состав шихтовых материалов выплавки марочного металла осуществляют механическую очистку отходов при их повторном введении в состав шихтовых материалов, в заявленном решении для восстановления и активации некондиционных отходов для сплавов на никелевой основе на стадии подготовки шихтовых материалов последовательно осуществляют специальную востановительную плавку некондиционных отходов в дуговой печи постоянного тока с глубокой окислительной продувкой кислородом расплава до минимальных содержаний в расплаве углерода в пределах 0,015-0,055% и кремния - 0,09-0,12% и затем для дегазация металла и испарения примесей цветных металлов осуществляют дополнительный рафинирующий вакуумный дуговой переплав.
[17]При этом набольшая эффективность проявляется при продувке кислородом расплава при давлении кислорода в системе 9-13 атм., дополнительный рафинирующий вакуумный дуговой переплав при разряжении 1⋅10-2÷10-3 мм рт.ст.
[18]Возможно также в завалку шихты марочного металла дополнительно использовать кондиционные технологические отходы возврата собственного производства и кондиционные вторичные отходы производства, стружки и обрези резки прутков и отходов идентичных жаропрочному сплаву в составе шихтовых материалов.
[19]После проведения окислительной продувки, как правило, выполняют корректировку физико-химического состава и легирование. С целью предотвращения перегрева расплава металла ПШРЗ и повышенного угара никеля, хрома, кобальта, молибдена, ниобия температурный режим плавки осуществляют на максимальной мощности при температуре жидкого металла по расплаву 1600-1900°С, для охлаждения металла в окислительный период плавки, после интенсивного загорания углерода, присаживают 200-300 кг кондиционных технологических кусковых отходов собственной марки, а температуру металла перед выпуском обеспечивают 1540-1560°С, после проведения окислительной продувки полностью скачивают шлак и присаживают технологические кондиционные кусковые отходы собственной марки
[20]Перед вакуумным дуговым переплавом электроды из некондиционных отходов подвергают абразивной чистке на глубину 8-10% от диаметра электрода, а после дугового переплава боковую поверхность наплавленных вакуумных дуговых слитков подвергают сплошной абразивной чистке на глубину 3-8 мм до полного удаления гарнисажного слоя.
[21]С начала плавки целесообразно поддерживать оптимальную длину дугового промежутка - 15-20 мм, которая обеспечивает постоянство формы оплавления торца электрода и распределение энергии в зоне дуги - необходимое условие получение однородного слитка.
[22]Кроме того, боковую поверхность наплавленных вакуумных дуговых слитков перед дальнейшим использованием на выплавку марочного металла сплава подвергают сплошной абразивной чистке на глубину 3-8 мм до полного удаления гарнисажного слоя.
[23]3.3. Перечень фигур чертежей
[24]На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема способа восстановления и активации некондиционных отходов для сплавов на никелевой основе, на фиг. 2 представлена развернутая структурная блок-схема способа, где 1. - Формирование кондиционного отхода, 2. - Некондиционные отходы собственного производства (2-1. - Литники, скрап, 2-2. - Прибыльные части, 2-3. - Недоплавы, 2-4. - Стружка), 3. Формирование завалки печи. 4. - Механическая очистка и обработка, 5. - Выплавка паспортной шихтовой рафинированной заготовки (ПШРЗ) в открытой дуговой печи постоянного тока, 5а. - Глубокая окислительная продувка расплава кислородом, 6. - Разливка электродов ПШРЗ, 7. - Обработка электродов ПШРЗ, 8. - Вакуумный дуговой переплав (ВДП) ПШРЗ, 9. - Обработка ВД слитков ПШРЗ. 10. - Кондиционные вторичные отходы. 11. - Кондиционные технологические собственные отходы;
[25]ВДП - Вакуумный дуговой переплав на фиг. 1 блок 8; ПШРЗ - Паспортная шихтовая рафинированная заготовка на фиг. 1 блок 5, 6, 7, 8 и 9; ДППТ - Дуговая печь постоянного тока на фиг. 1 блок 5 и 5а.
[26]4. Описание изобретения
[27]В заявленном техническом решении осуществляют операции химико-физической корректировки некондиционных отходов, их активации и получения кондиционных отходов, при этом для получения активированной кондиционной добавки из отходов для выплавки жаропрочного сплава на никелевой основе (Фиг. 1.) осуществляют предварительную плавка в дуговой печи постоянного тока (Фиг. 1, блок 5) некондиционных отходов (фиг. 1, блок 2), как правило собственного производства (литники, скрап, прибыльные части открытых слитков, недоплавы, стружка), выполняемая с глубокой окислительной продувкой расплава кислородом (Фиг. 2, блок 5а), до минимальных содержаний углерода и кремния в расплаве с возможным легированием металла отходами молибдена, ниобия, кобальта и др., последующая разливка электродов ПШРЗ (Фиг. 2, блок 6), обработка электродов ПШРЗ (Фиг. 2, блок 7) и дополнительный вакуумный дуговой переплав ПШРЗ (Фиг. 2, блок 8), при котором во время плавления металл частично освобождается от газов, вредных примесей и неметаллических включений (испарение примесей, дегазация металла и его восстановление).
[28]Применяемую стружку предварительно прокаливают в отжигательной печи в чугунной жаровне насыпным слоем не более 500-700 мм при температуре 500-600°С в течение 2-3 часов, с дальнейшим охлаждением вместе с печью в течение 7-8 часов до температуры 80-100°С.
[29]Выплавку в ДППТ производят с окислительной продувкой кислородом расплава осуществляют при давлении кислорода в системе 9-13 атм. (Фиг. 21, блок 5а). Глубина окислительной продувки осуществляется до минимальных содержаний углерода и кремния в расплаве, которые определяются математическим расчетом в зависимости от содержания данных элементов в завалке.
[30]Расчетное содержание углерода в шихте должно быть 0,3-0,4% и определяется необходимостью получения минимального содержания кремния после окислительной продувки.
[31]Для получения минимального содержания кремния в металле расчетное содержание углерода в завалке (Ср) определяют по зависимости:
[33]Расчетное содержание кремния (Sip) определяют по зависимости:
[34]Sip=(0,35÷0,40)+Sicp, где
[35](0,35÷0,40) - количество кремния в %, восстановленное в открытой дуговой печи в период расплавления;
[36]Sicp - среднее содержание кремния в готовом металле.
[37]- после интенсивного загорания углерода, определяемого, например, температурой горения, продувка металла прекращается, скачивается шлак на 20-40% и для охлаждения ванны присаживают собственные кусковые отходы в количестве 200-300 кг. Затем окислительную продувку возобновляют и проводят до содержания углерода в металле 0,015-0,055% и кремния 0,09-0,12%. После окончания окислительной продувки скачивается полностью шлак и присаживаются кусковые собственной отходы или хром металлический в количестве 500-700 кг.
[38]- с целью предотвращения перегрева расплава и повышенного угара элементов (никель, хром, кобальт, молибден, ниобий) плавка проводится в определенном температурном режиме. Температурный режим плавки заключается в следующих приемах:
[39]а. Расплавление шихты проводится на максимальной мощности.
[40]б. Температура жидкого металла по расплаву 1600-1700°С.
[41]в. Для охлаждения металла в окислительный период плавки, после интенсивного загорания углерода, присаживают 200-300 кг кондиционных кусковых отходов собственной марки.
[42]г. После проведения окислительной продувки полностью скачивают шлак и присаживают кондиционные кусковые отходы собственной марки 500-700 кг или хром металлический, затем производят легирование отходами молибдена, хрома, ниобия, кобальта и др.
[43]д. Температура металла перед выпуском 1540-1560°С.
[44]- перед вакуумным дуговым переплавом производят подготовку поверхности выплавленных электродов ПШРЗ сплошной абразивной чисткой на глубину 8-10% от диаметра электрода, не допуская наличия резких переходов на поверхности подготовленных электродов (Фиг. 2, блок 7).
[45]- переплав расходуемых электродов в вакуумной дуговой печи основан на нагреве и плавлении в вакууме электрода электрической дугой большой мощности и одновременном затвердевании металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Рафинирующий вакуумный дуговой переплав подготовленных электродов ПШРЗ проводят при разряжении 1⋅10-2÷10-3 мм рт.ст., температуре жидкой ванны 1600-1900°С, и величине дугового промежутка - 15-20 мм, которая обеспечивает постоянство формы оплавления торца электрода и распределение энергии в зоне дуги - необходимое условие получение однородного слитка. Во время плавления металл частично освобождается от газов, вредных примесей и неметаллических включений (испарение примесей и дегазация металла) (Блок 8).
[46]- боковую поверхность вакуумных дуговых слитков ПШРЗ подвергают сплошной абразивной чистке на глубину 3-8 мм до полного удаления гарнисажного слоя.
[47]- подготовленные слитки используют на выплавку марочного металла в качестве активированных кондиционных отходов, в максимальном количестве, обеспечивающим содержание углерода и кремния в соответствии с требованиями нормативной документации.
[48]Разработанная технология выплавки шихтовых заготовок включает:
[49]- возврат в производство дефицитных и дорогостоящих материалов (вовлечение в производство некондиционных отходов - литники, скрап, настыли с тигля, прибыльные части открытых слитков, стружка, технологическая обрезь) (Фиг. 1, блок 2);
[50]- полное использование всех видов отходов без ухудшения свойств сплава и обеспечение суженного химического состава по углероду и кремнию (предварительная плавка в дуговой печи постоянного тока некондиционных отходов с глубокой окислительной продувкой кислородом расплава до минимальных содержаний углерода и кремния в расплаве) (Фиг. 2, блок 5 и 5а);
[51]- глубокое рафинирование расплава от примесей и газов (во время вакуумного дугового переплава металл освобождается от газов, вредных примесей и неметаллических включений) (Фиг. 1, 2 - блок 8).
[52]5. Пример конкретного выполнения (реализация способа)
[53]Применение активированных отходов при выплавке марочного металла.
[54]Использование предлагаемого способа позволяет осуществить очистку не только от технических (прокалка стружки, абразивные чистки) примесей, но и физико-химическая примесей (возможность активации и корректировки химического состава) некондиционных материалов, а также вакуумный дуговой переплав снижает содержание газов и вредных примесей цветных металлов в кондиционных отходах. Способ позволяет получать не тоько чистые по неметаллическим и шлаковым включениям шихтовые заготовки из некондиционных отходов, но и дополнительно легированные (никелем, хромом, молибденом, кобальтом) добавки, позволяет сэкономить при выплавке марочного металла дорогостоящие и дефицитные шихтовые материалы (никель, хром, кобальт, молибден, ниобий).
[55]Содержащиеся в некондиционных отходах не реализованные при первичном использовании элементы после их активации и восстановления позволяют вводить такие отходы в завалку плавки марочного металла в количестве до 70% от объема завалки шихтовых материалов выплавки, а с учетом применения дополнительно в завалке кондиционных технологических отходов - до 80% в зависимости от планируемого состава шихты плавки марочного металла.
[56]Способ может быть реализован на комплексной установке стандартного оборудования:
[57]а. отжиг стружки производится в однокамерной газовой печи с выдвижным подом.
[58]б. выплавка ПШРЗ осуществляется в 5-ти тонной дуговой печи постоянного тока.
[59]в. сплошная абразивная чистка электродов и ВД слитков производится на абразивно-зачистном станке Ш7-40.
[60]г. вакуумный дуговой переплав осуществляется на ВД печах серии ДСВ-3,2, ДСВ-4,5 или ЦЭП.
[61]В состав шихтовых материалов для выплавки ПШРЗ входят собственные кондиционные отходы (до 10% хром металлический и отходы молибдена) и до 90% от веса завалки стружка (возврат собственного производства), предварительно очищенной следующим образом:
[62]Перед использованием стружку предварительно прокаливали в отжигательной печи в чугунной жаровне насыпным слоем не более 500-700 мм при температуре 500-600°С в течение 2-3 часов. Далее произвели ее охлаждение с печью в течение 7-8 часов до температуры 80-100°С.
[63]Затем выполнена выплавка в дуговой печи постоянного тока с окислительной продувкой кислородом расплава при давлении кислорода в системе 9-13 атм. После интенсивного загорания углерода продувка металла прекратили, скачали шлак на 20-40% и для охлаждения ванны присаживали собственные кусковые отходы в количестве 200-300 кг. Затем окислительную продувку возобновляли и проводили до содержания углерода в металле 0,02-0,05% и кремния 0,09-0,12%. После окончания окислительной продувки скачивали полностью шлак и присаживали собственные кусковые отходы и хром металлический в количестве 500-700 кг.
[64]Далее электроды ПШРЗ были подвергнуты сплошной абразивной чистке на глубину 8-10% от диаметра электрода и переплавлены на вакуумной дуговой печи при разряжении 1⋅10-2÷10-3 мм рт.ст. Во время плавления металл частично освобождается от газов, вредных примесей и неметаллических включений (испарение примесей и дегазация металла). После переплава боковую поверхность вакуумных дуговых слитков подвергли сплошной абразивной чистке на глубину 3-8 мм до полного удаления гарнисажного слоя.
[65]Подготовленные слитки можно использовать на выплавку марочного металла в качестве активированных (вторичных кондиционных) отходов в количестве 30-50%, что позволяет снизить расход основных шихтовых материалов на 20-30%.
[66]Заявленное техническое решение успешно опробовано в производственных условиях на АО «Металлургический завод «Электросталь» при получении высоколегированного жаропрочного сплава ХН62БМКТЮ (ЭП742) на никелевой основе.
[67]Использование предлагаемого способа позволяет получать чистые по неметаллическим и шлаковым включениям шихтовые заготовки из некондиционных отходов, а также позволяет сэкономить дорогостоящие и дефицитные шихтовые материалы (никель, хром, молибден, кобальт, ниобий).
