Продувка металла инертным газом в литейном производстве

Описаны технологические и конструктивные решения, а также элементы поставляемые ООО НПП «Вулкан-ТМ» для организации рафинирующей продувки жидкого металла с целью существенного повышения качества отливок. Приведены результаты проведённых предварительных испытаний и определён перечень предприятий для перспективного внедрения.

Ключевые слова

Обработка инертным газом, донный продувочный узел, гомогенизация, рафинирование и очистка металла от неметаллических включений, продувочная пробка, гнездовой блок, аргонная рампа, загазованность расплава, пористость.

Все большее распространение, как в металлургии, так и в литейном производстве, находит технология обработки расплава металла в ковше инертными газами. Данная технология, внедряемая в литейных цехах, позволяет значительно повысить качество получаемых отливок. Наряду с основным компонентом – продувочным донным узлом, предлагается система подвода инертного газа к продувочной донной пробке. На Рис. 1 изображено типовое решение подвода инертного газа к продувочной донной пробке.

а – Схема установки продувочного донного узла в ковше; 

б Схема подключения продувочного донного узла к аргонной магистрали: 

1- адаптер продувочной пробки, 2- быстроразъемное соединение, 

3- гофрированный шланг из нержавеющей стали, 4- обратный клапан со встроенным фильтром, 5- универсальное ниппельное соединение, 6- соединительная часть на ковше,  

7- подводящая муфта. 

                     в – Схема установки аргонной рампы. 

Первые поставки донных продувочных пробок были начаты и ведутся ООО НПП «Вулкан-ТМ» с 2007 года, и за последующий период фирма успешно освоила выпуск изделий и оборудования для донной продувки, которое работает на многих предприятиях России и ближнего зарубежья.  

На сегодняшний день разработано более 20 типоразмеров продувочных пробок и узлов, используемых в ковшах от 1 до 160 тонн. Приоритетным показателем эффективности таких изделий для литейных производств является соответствие стойкости продувочной пробки (узла) к стойкости футеровки ковша.  

Важнейшим звеном внепечной обработки металла является продувка сплава инертным газом, реализуемая комплексом изделий и оборудования — системой продувки. Ее назначение — гомогенизация, рафинирование и очистка металла от неметаллических включений в процессе разливки в металлургических и литейных производствах, снижение температуры металла. 

Система продувки (Рис.1) включает продувочный узел, аргонную рампу, газовый редуктор Рис.1 в), расходомер с манометром давления, термостойкий подводящий шланг, аргонный подвод к пробке Рис.1 б). Донный продувочный узел может представлять собой как одиночную продувочную пробку в металлической обечайке, так и продувочную пробку (одну или несколько), вклеенную на огнеупорной пасте в гнездовой блок. Устанавливается непосредственно в футеровку ковша Рис.1 а). Аргон может подаваться как с использованием баллонов (рампы), так и из центральной сети. 

ООО НПП «Вулкан-ТМ» изготавливает продувочные пробки различных типов: щелевые, пористые, а также  продувочные пробки с обратным конусом, которые позволяют значительно увеличить объем обрабатываемого аргоном металла (патент на полезную модель № 150762).  

Конструктивные особенности пробок позволяют блокировать обратный ход газа – повышается безопасность производства, снижаются потери. Особенность крепления пробки в ковше сокращает время ее установки, что дает прямую дополнительную прибыль предприятиям и сокращает потери рабочего времени на обслуживание. 

Продувочные узлы могут отличаться по своему конструктивному исполнению. Стандартный узел — готовый к установке агрегат, состоящий из продувочной пробки Рис.2(б), вклеенной в гнездовой блок Рис. 2 (а). В монолитном узле гнездовой блок и продувочный узел являются одним целым изделием; он легко монтируется в футеровку — отпадает необходимость использования огнеупорной пасты для вклеивания пробки в гнездовой блок Рис.2(в). При этом конструкция имеет повышенную прочность, позволяет оптимизировать затраты на проведение ремонта — устанавливается непосредственно в футеровку ковша и печи, что облегчает проведение его замены при локальных ремонтах. Оригинальная конструкция монолитного узла запатентована. 

Рис. 2. Изделия для донной продувки производства НПП «Вулкан-ТМ»:  

а – продувочный узел; б – продувочные донные пробки; в – монолитный донный узел;  

 В мультипродувочном агрегате в один гнездовой блок вклеиваются несколько продувочных пробок, что дает возможность увеличить пропускную способность в 1,5-3 раза по сравнению со стандартным продувочным узлом (Рис. 3). 

Конструкция крепления пробки в ковше дает возможность существенно сократить время установки. Это прямая дополнительная прибыль предприятия и сокращение потерь рабочего времени. Кроме того, конструктивные особенности продувочных пробок позволяют блокировать обратный ход газа – повышается безопасность производства и снижаются потери. Продувочная пробка способствует более эффективному перемешиванию  продуктов десульфурации, дефосфорации и раскисления. Это приводит к значительному улучшению качественных показателей выплавляемого металла и, соответственно, готовых изделий из него. За счет применения продувочных пробок оригинальной конструкции ООО НПП «Вулкан-ТМ» возможно ускорить процесс доводки металла, вследствие чего удается повысить качество заполняемости литьевых форм. 

Прошедшие успешную апробацию на ряде ведущих металлургических предприятий, таких как ООО «Промтрактор-Промлит (г. Чебоксары), ОАО «Металлургический завод «Электросталь) (г. Электросталь), и др., продувочные донные узлы показали стойкость не менее 65 плавок, которая напрямую зависит от условий их эксплуатации и обслуживания на каждом конкретном предприятии. Кроме того, после проведения опытных работ выявилось улучшение свойств разливаемой стали Таблица №1 

 Таблица №1 

В 2019 году на предприятии ООО «МашСталь» (г. Пенза) прошли испытания по внедрению технологии обработки металла в ковше аргоном. Для ООО «МашСталь» было изготовлено и поставлено на испытания 3 продувочных донных узла. Выявлены следующие положительные влияния продувки жидкой стали инертными газами (аргоном) в стопорном ковше на качестве расплава: 

1. Интенсивное перемешивание металла в ковше (гомогенизация), способствующее:

• повышенной однородности химического состава стали; 
• равномерность распределения температуры по всему объему стопорного ковша и соответственно равномерной температуре в процессе разливки металла по формам. 

2. Повышение жидкотекучести стали и тем самым, возможность снижения температуры разливки металла по формам (на 10-20°С), что приводит к снижению дефектов типа «пригар».

Системы продувки ООО НПП «Вулкан-ТМ» прошли успешные испытания не только в техпроцессе производства стали, но и цветных металлов. Так, в 2014 г.  в литейный цех ЗАО «Механоремонтный комплекс» была поставлена партия пористых продувочных донных узлов в количестве 6 штук. 

Опытно-промышленные испытания проходили в период с декабря 2014 года по июнь 2015 года. Продувочные узлы были установлены во время планового ремонта печей ИЛТ-1,0 и ИЛТ-2,5 для донной продувки цветных сплавов. 

Промышленные испытания проводили при переплаве бронзовой стружки марки О5Ц5С5.  

Микроструктурный анализ полученных проб плавки представлен на Рис. 4. 

Также были проведены исследования по влиянию продувки аргоном на загазованность расплава до и после продувки. Результаты представлены на Рис. 5. 

Проведенные промышленные испытания по продувке аргоном бронзы марки О5Ц5С5 показали следующее: имеет место положительное влияние продувки бронзы на механические свойства металла, где в качестве шихтовых материалов использовали 100% стружки; анализ микроструктуры образца без продувки показал наличие пористости. В образцах, полученных после продувки, пористость отсутствует, кроме того, произошло измельчение структурных составляющих. 

Рис. 4. Микроструктура бронзы марки 05Ц5С5 в не травленом виде 

Рис. 5. Влияние продувки аргоном на усадочные процессы 

при различных режимах обработки расплава 

Результаты исследования по влиянию аргона на загазованность до и после продувки бронзы показали положительный эффект. Пробы после продувки имеют концентрированную усадочную раковину, что указывает на хорошую дегазацию и качество металла.  

Таким образом, применение продувочных пробок при обработке расплава бронзы показало, что технология продувки аргоном позволяет улучшить качество металла, а также снизить издержки на производство цветных сплавов. 

Системами продувки металла производства ООО НПП «Вулкан-ТМ» на сегодняшний момент оснащены более 40 заводов, среди которых предприятия важнейших отраслей промышленности: железнодорожного литья «Балаково-Центролит» (г. Балаково), АО «Уралвагонзавод» (Нижний Тагил) АО «ПО»«Бежицкая сталь» (г. Брянск), ООО «ВКМ-Сталь» (г. Саранск), , ОАО «Востокмашзавод» (Казахстан)), автомобилестроения (ОАО «БЕЛАЗ» (Беларусь)), машиностроения («Металлист», ООО «Машсталь»(г. Пенза), ОАО «Волгоцеммаш» (г. Тольятти), , «Бобруйский машиностроительный завод» (Беларусь) и др.). 

К новым разработкам ООО НПП «Вулкан-ТМ» также относятся комбинированные донные продувочные пробки, имеющие традиционные радиальные продувочные щели и новый элемент — керамические трубки с продольными отверстиями диаметром не более 0,1 мм. Количество трубок и количество отверстий в них зависят от размеров продувочной пробки. Комбинированная пробка имеет отдельный подвод газа к радиальным щелям и керамическим трубкам. Преимуществами использования комбинированных продувочных пробок являются:  

• обеспечение более мелких пузырьков газа, для более интенсивного очищения металла; 
• обеспечение гарантированной продувки расплава через отверстия в трубках в случае заметалливания радиальных щелей; 
• снижение риска заметалливания радиальных щелей за счет более интенсивного образования пузырьков вблизи рабочей поверхности продувочной пробки. 

Все более широко применения находит технология обработки стали непосредственно в индукционных печах. ООО НПП «Вулкан-ТМ» разработало  оригинальную конструкцию продувочной донной пробки которую непосредственно можно устанавливать  в днище футеровки индукционной печи. Причем установка продувочной пробки может производиться как в печи с набивной футеровкой, так и в печи в которых используются готовые тигли Рис. 6

Рис.6 Схема установки продувочной пробки в индукционную печь с готовым тиглем 

Альтернативным вариантом продувки металла в ковше или в индукционной печи может быть продувка инертным газом погружной фурмой. Фурма опускается в расплавленный метал сверху и производится обработка металла газом. Рис. 6 

Рис.6. Продувочная фурма 

а – схема установки, б – продувочная фурма 

Стоимость систем продувки ООО НПП «Вулкан-ТМ» ниже импортных от 25 до 45 % при не уступающем уровне качества, что существенно сказывается на удельных затратах на тонну разливаемой стали. На Рис.6 представлена сравнительная диаграмма, участвовавшая в технико-экономической оценке целесообразности применения продувочных пробок различных производителей на одном из отечественных металлургических предприятий.  

Рис. 7. Удельные затраты на систему продувки (для 90-тонного ковша) 

Системы продувки ООО НПП «Вулкан-ТМ» обеспечивают целый ряд преимуществ функционирования, таких, как безопасность и безотказность работы; высокая производительность и качество подачи аргона; работа при температурах до 500 оС; существенное облегчение монтажа подвода аргона к продувочному узлу; отсутствие  резиновых уплотнений (герметичность достигается за счет точной подгонки соединительных узлов, выполненных из стали); при использовании быстроразъемных соединений исключены потери и утечки, не требуется много времени на техническое обслуживание (отличная альтернатива для муфт и гаек, которые необходимо менять). 

В целом, использование систем продувки металла позволяет достичь высокой результативности таких параметров, как улучшение растворяемости легирующих элементов; усреднение температуры и химического состава металла в ковше; ускорение процесса доводки металла; повышение качества заполняемости литьевых форм; улучшение качественных показателей выплавляемого металла; эффективное перемешивание продуктов десульфации, дефосфорации и раскисления металла. Готовые изделия из металла, прошедшего донную продувку, обладают изотропностью физических свойств, имеют лучшую вязкость, меньший процент брака.  

Предлагаемый комплекс оборудования аргонной продувки для внепечной обработки стали и сплавов является актуальным решением в деле повышения эксплуатационных характеристик конечного продукта и эффективности производств, т.к. обеспечивает: 

• модернизацию металлургических и литейных производств на основе современных конкурентоспособных технологий; 
• внедрение инноваций с целью получения высококачественных сталей с совокупно-заданными свойствами. 
• уменьшение импортозависимости отечественных стратегически-значимых предприятий от зарубежных поставщиков. 

Перспективные технические разработки ООО НПП «Вулкан-ТМ» в области создания современных изделий для продувки металла идут в направлении: 

• максимального охвата всего объёма ковша процессом продувки, изменения формы продувочной пробки, позволяющей проводить обработку металла по максимально возможному объёму ковша, применения продувочных блоков, применения «мульти-пробок»;
• использования гибридных схем, сочетающих процессы удаления неметаллических включений и перемешивания;
• новых конструкций пробок для малых литейных ковшей (литейное, машиностроительное производство), не требующих сложных байонетных креплений, как в ковшах большой и средней ёмкости, используемых на агрегатах печь-ковш;
• современных быстросъемных систем подвода (защищенный трубопровод, быстроразъёмное соединение, оборудование контроля расхода и давления газа, фильтры), а также систем управления процессом продувки.

ЛИТЕРАТУРА

• Эман, Т.Ленер. Ковшовое рафинирование стали //Инжекционная металлургия. Труды
  конференции Лулеа, Швеция, 1977. Пер. с англ. М. Металлургия. – с.4-9.
• В.Б. Охотский, К.В. Войтюк, А.В. Щибко. Исследование продувки в ковше аргоном
  //Известия вузов №1 1991, -с.17-19.
• Меркер Э.Э., Харламов Д.А., Кочетов А.И. Энергосберегающая технология внепечной
  обработки стали в агрегате ковш-печь // г. Старый Оскол, «Тонкие наукоемкие
  технологии, 2007, -223 с.
• Поволоцкий Д.Я., Кудрин В.А., Вишкарев А.Ф. Внепечная обработка стали. -М.:
  МИСиС, 1995., -256 с.
• А.Г. Величко. Внепечная обработка стали /Днепропетровск, «Системные технологии»,
  2005, — 198 с.
• Протасов А.В., Сивак Б.А., Лукьянов В.В. и др. Способ и устройство для непечной
  обработки металла в ковше / Патент РФ №2465339, опубл. 27.10.2012, БИ№301

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

• Гордеев Е.И., к.т.н., Зам. генерального директора по огнеупорному производству ООО
  НПП «Вулкан-ТМ» Тел.: +7(915)684-11-48, E-mail: gordeev@vulkatm.com
• Золотухин В.И., д.т.н., профессор ТулГУ, Генеральный директор ООО НПП «Вулкан-
  ТМ» Тел.: +7(910)945-46-06, E-mail: viz101@bk.ru
• Мурат С.Г., Директор по исследованиям и развитию ООО НПП «Вулкан-ТМ»,
  Тел.:+7(910)940-10-95, E-mail: sergey-murat1953@yandex.ru