СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ

Название	СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ
Разработчик (Авторы)	Быстров В.А., Веревкин В.И., Веревкин Г.И.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2025208
Дата регистрации	30.12.1994
Правообладатель	Быстров Валерий Александрович, Веревкин Валерий Иванович, Веревкин Герман Иванович
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к электрошлаковому процессу, и может быть использовано для производства прокатных валков.

Известен способ изготовления биметаллических прокатных валков (авт.св. N 1323226, кл. L 22 D 19/46, опублик. 1987). Согласно этому способу в литейную форму соосно устанавливаются наружная чугунная оболочка валка и трубчатый расходуемый электрод. В форму подается жидкий шлак, затем сифоном или сверху через полость трубчатого электрода постепенно подается расплавленная сталь, поднимающаяся в форме со скоростью (1-10)˙10^-3 м/с.

Недостатком способа является нестабильный характер электрошлакового процесса, особенно при больших скоростях подъема стали, составляющих (7-10)˙10^-3 м/с. Это объясняется тем, что саморегулирование электрошлакового процесса при больших скоростях подъема стали является затруднительным. Сечение плавящегося электрода составляет весьма большую величину. В этих условиях даже при использовании источника питания с достаточно жесткой внешней характеристикой процесс саморегулирования затруднен. Электрошлаковая сварка и наплавка (Под ред. Б.Е. Патона. М.: Машиностроение, 1980, с. 42, 43).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ, реализуемый с помощью устройства для изготовления биметаллических отливок прокатных валков [1]. При использовании этого устройства в литейную форму с бандажом, который является составной частью литейной формы, коаксиально устанавливается расходуемый электрод в форме соленоида. Из промежуточного устройства по оси валка через разливочный стакан с выпускным отверстием d = 8 мм заливается сталь, причем необходимо обеспечить подъем расплава в полости верхней и нижней полуформ со скоростью 30 мм/с, а в полости бандажа - со скоростью 5 мм/с.

Электрошлаковый процесс при изготовлении биметаллических отливок протекает лишь во время заливки жидкой стали в полости бандажа.

Недостатком способа является то, что электрошлаковый процесс носит нестабильный характер, так как саморегулирование электрошлакового процесса при больших скоростях подъема стали является затруднительным.

Для того, чтобы обеспечить хорошую свариваемость расплава металла с бандажом, электрошлаковый переплав плавящегося электрода-соленоида должен вносить достаточное количество дополнительной тепловой энергии в зону сплавления. Поэтому в качестве источников питания используются, например, мощные трансформаторы для электрошлаковой сварки, такие как ТШС-3000-1, ТШС-3000-3 и др. со сварочным током до 6000 А. (Электрошлаковая сварка и наплавка/Под ред. Б.Е.Патона. М.: Машиностроение, 1980, с. 190. 191). Значительные токи, протекающие по соленоидообразному электроду, обусловливают необходимость использования электрода большого сечения. В этих условиях при большой скорости подъема стали V_пм≥1-2 мм/с даже при использовании источника питания с достаточно жесткой внешней характеристикой процесс саморегулирования затруднен (там же, с. 42,43). Это означает, что процесс самовыравнивания, самостабилизации межэлектронного промежутка протекает слабовыражено, неэффективно. Так, при случайном уменьшении межэлектродного промежутка электрическое сопротивление шлаковой ванны падает, сила тока возрастает, что приводит к увеличению скорости плавления электрода. Если увеличенная скорость плавления электрода оказывается выше скорости подъема уровня заливаемой стали, то межэлектродный промежуток Нм восстанавливается на прежнем уровне. Если же меньше, то расстояние между концом электрода и зеркалом металлической ванны будет сокращаться вплоть до короткого замыкания.

Так как заливка жидкой стали осуществляется из промежуточного устройства, в которое сразу заливается половина всего объема осевой части валка, то гидростатический напор Н_гн столба жидкого металла в промежуточном устройстве во время последующей разливки этой порции металла изменяется от максимальной до величины, близкой к нулю. В соответствии с этим скорость поступления металла в осевую часть валка и скорость подъема металла во время заливки изменяются в широких пределах (Ефимов В.А. Разливка стали. М.: Металлургия, 1976, формула (1-29), с. 24). Фактически невозможно обеспечить стабильную скорость подъема расплава в наиболее ответственной средней части валка, равную 5 мм/с.

Если настроить электрошлаковый процесс на одну скорость подъема ванны металла, то при значительном изменении скорости подъема саморегулирование оказывается затруднительным. Таким образом, отсутствуют благоприятные условия для реализации возможностей саморегулирования электрошлакового процесса, при большом поперечном сечении электрода имеют место очень значительные уровни возмущений по скорости подъема металлической ванны.

Допустимый диапазон изменения межэлектродного промежутка Н_м при электрошлаковом процессе мал
5-6 мм≅ Н_м≅ Н_ш.в. (1) где Н_шв - высота шлаковой ванны.

При Н_м < (5-6) мм наступает режим короткого замыкания, электрошлаковый процесс переходит в дуговой, и восстановить его не представляется возможным. Качество сплавления стали с бандажом резко снижается.

При Н_м> Н_ш.в. конец электрода выходит из шлака, процесс переходит в дуговой. Стабильность проплавления бандажа, качество сплавления стали с бандажом падают.

Поэтому для обеспечения высокого качества изготовления валков требуется осуществлять надежную стабилизацию Н_м.

Задачей изобретения является повышение качества биметаллических прокатных валков путем стабилизации подачи жидкого металла из промежуточного устройства, в процессе плавления электрода-соленоида.

Сущность изобретения заключается в том, что после соосной установки в литейной форме с электродом-затравкой бандажа и размещенного в нем на расстоянии 5-100 мм от его поверхности расходуемого электрода в форме соленоида, наведения в промежуточном устройстве и подачи в литейную форму жидкого шлака, накопления и подачи жидкого металла в нижнюю полуформу осуществляется стабилизированная подача жидкого металла в процессе плавления электрода-соленоида за счет поддержания установленного уровня жидкого металла в промежуточном устройстве путем непрерывной подливки стали из ковша и завершающей заливки верхней полуформы.

Качество биметаллических прокатных валков повышается за счет обеспечения хорошего сплавления заливаемой стали с бандажом вследствие стабилизации как режима электрошлакового процесса, так и подачи жидкого металла в процессе плавления электрода-соленоида из промежуточного устройства. Режим электрошлакового процесса стабилизируется за счет стабилизации межэлектродного промежутка Н_м. Задача регулирования Н_мрешается в два этапа. На первом этапе осуществляется ограничение уровня помех по скорости подъема металлической ванны, влияющей на Н_м. Тем самым создаются условия для осуществления саморегулирования электрошлакового процесса, которое осуществляет тонкое регулирование на втором этапе.

Уровень помех по скорости подъема металлической ванны ограничивается за счет стабилизации гидростатического напора Н_гнметаллической ванны в промежуточном устройстве во время заливки бандажа. Величина Н_гн поддерживается вблизи заранее вычисленного уровня путем непрерывной подливки стали из сталеразливочного ковша.

Так как уровень помех по скорости подъема металлической ванны ограничивается, а текущие недоливы и переливы относительно требуемого уровня металлической ванны промежуточного устройства ввиду его большой площади приводят к плавному изменению скорости подъема металлической ванны в литейной форме, то саморегулирование хорошо выполняет задачу тонкой стабилизации Н_м.

При стабилизации Н_гн одновременно стабилизируется приход жидкой стали из промежуточного устройства в литейную форму. В связи с этим закрепляется поступление запасенного ей тепла. Как следствие стабилизируется качество сплавления жидкого расплава с бандажом, а значит, и качество биметаллических отливок прокатных валков.

Непрерывность подливки стали из сталеразливочного ковша в промежуточное устройство устраняет необходимость порционной заливки стали в промежуточное устройство. При этом устраняются значительные колебания Н_гн между началом и концом заливки порции во внутреннюю часть биметаллического валка. При подливке стали стремятся поддерживать зеркало металла в промежуточном устройстве на заранее заданном уровне. Для этого приход металла из сталеразливочного ковша либо уменьшают, либо увеличивают, отслеживая уровень металла в промежуточном устройстве любым известным способом. Таким образом осуществляются текущая стабилизация Нгн и более тонкое ограничение уровня помех по скорости подъема металлической ванны в бандаже. В целом непрерывная стабилизация Н_гнограничивает уровень помех, создает условия для осуществления саморегулирования электрошлакового процесса и стабилизирует тепловое состояние шлакометаллической ванны. В результате стабилизируется качество сплавления стали с бандажом, а следовательно, и качество валков.

На чертеже изображено устройство для реализации предложенного способа.

Устройство состоит из литейной формы 1, составной частью которой является бандаж 2 валка, расположенного внутри бандажа 2 расходуемого электрода-соленоида 3. Бандаж 2 и электрод-соленоид 3 устанавливают коаксиально. Одну клемму источника питания подключают к электроду-соленоиду 3, другую - к электроду-затравке 4, размещенному на дне нижней полуформы 5. Для наведения и подачи шлака, подогрева и подачи стали, стабилизации уровня Нгн используют промежуточное устройство 6 с графитовым электродом 7. Расплав из промежуточного устройства 6 заливают через сталеразливочный стакан 8 с выпускным отверстием d = 8 мм. В промежуточное устройство 6 сталь непрерывно подливают из сталеразливочного ковша 9 со стопором.

Расплав шлака при температуре 1700-1800^оС заливают в литейную форму. В промежуточное устройство из ковша заливают сталь таким образом, чтобы уровень металлической ванны Н_гн достиг требуемого значения. Этот уровень в течение всего времени заливки поддерживают постоянным. Его можно определить из выражения (Ефимов В.А. Разливка стали. М.: Металлургия, 1976, формула 1-27 с. 23).

v_мас= μρS (2) где V_мас - массовая скорость истечения металла из промежуточного устройства, кг/с;
μ- коэффициент расхода струи, μ= =0,82 - 0,92 в зависимости от отношения площади сталевыпускного отверстия к площади поперечного сечения промежуточного устройства, а также конструкции насадки или отверстия (там же, табл.1-1 с. 21);
ρ- плотность стали, кг/м³;
S_с - площадь сталевыпускного отвер стия, м², S_c= 
d_с - диаметр сталевыпускного отверстия промежуточного устройства, м;
g - ускорение силы земного притяжения, g = 9,81 м/с²;
Н - высота уровня металла в промежуточном устройстве, м.

Массовая скорость связана со скоростью подъема металлической ванны внутри бандажа соотношением
V_мас = V_ме˙ (S_вн - S_э) ˙ρ,кг/с (3) где S_вн=  - площадь поперечного сечения отверстия бандажа, м²;
d_вн - внутренний диаметр отверстия бандажа, м;
S_э - площадь сечения соленоидообразного электрода зеркалом металла, м²;
V_ме - линейная скорость подъема металлической ванны внутри бандажа, м/с.

S_э=  (4) где d_э - диаметр соленоидообразного электрода, м;
α- угол наклона соленоида к горизонтали, град.

Подставив (4) в (3), а полученное выражение в (2), находят Н_гн
H_гн=  ·  v 

 _e (5)
Для обеспечения устойчивого саморегулирования электрошлакового процесса ограничивают скорость подъема металлической ванны V_ме ≅3 мм/с и колебания ΔН_гн при подаче жидкого металла в бандаж, которые не должны превышать 10-15% Н_гн.

Так как электрошлаковый переплав должен вносить достаточное количество дополнительной тепловой энергии в зону сплавления, то в качестве источников питания используются мощные и дорогие источники питания. Значительные потери мощности при существенном снижении жесткости внешней характеристики источника питания являются непроизводительными и нежелательными. Поэтому в предлагаемом способе используется постоянная наиболее выгодная жесткая внешняя характеристика источника. Управление Н_м с воздействием на источник питания не осуществляется.

П р и м е р. Для V_ме = 2 мм/с, стакана со сталевыпускным отверстием диаметром d_с = 8 мм с конической сходящейся насадкой ( α= 13^о) μ= 0,94, d_вн = 300 мм, d_э = 10 мм, α= 10^o высота уровня металла в промежуточном устройстве по формуле (5) определится следующим образом:
H_гн=  ·  0,002² = 0,45 м
Способ позволяет надежно вести электрошлаковый переплав при изготовлении биметаллических отливок прокатных валков при V_ме≅3 мм/с и колебаниях ΔН_гн до 10-15%, что позволяет обеспечивать высокое качество сплавления жидкой стали с бандажами, а следовательно, и высокое качество биметаллических валков.

Внедрение заявляемого способа получения биметаллических прокатных валков позволит экономический эффект за счет увеличения эксплуатационного ресурса, уменьшения числа перевалок, повышения прочностных характеристик зоны сплавления заливаемого металла с бандажом, а также снижения расходов на восстановительный ремонт.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ, включающий установку электрода-затравки на дно литейной формы, а в ее полость-бандажа и соосно от него на расстоянии 5 - 100 мм от его внутренней поверхности - электрода-соленоида, наведение в промежуточном устройстве жидкого шлака, подачу его в литейную форму, плавление электрода-соленоида, накопление и подачу через промежуточное устройство жидкого металла, отличающийся тем, что в процессе плавления электрода-соленоида осуществляют поддержание заданного уровня жидкого металла в промежуточном устройстве путем непрерывной подачи жидкого металла из ковша, причем заданный уровень жидкого металла в промежуточном устройстве поддерживают на уровне не ниже 0,85 от необходимой расчетной величины.

Изобретение "СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОКАТНЫХ ВАЛКОВ" (Быстров В.А., Веревкин В.И., Веревкин Г.И.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога