НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ІВАНОВ Валерій Григорович

УДК 621.74.002.6:669.131:669.713.7

ЛИТІ ЧАВУННІ КОНТАКТИ

З НИЗЬКИМ ПЕРЕХІДНИМ ЕЛЕКТРООПОРОМ

ДЛЯ АЛЮМІНІЄВИХ ЕЛЕКТРОЛІЗЕРІВ

Спеціальність 05.16.04 – Ливарне виробництво

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Запорізькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Луньов Валентин Васильович,

Запорізький державний технічний університет,

м. Запоріжжя, завідувач кафедри машин і технології

ливарного виробництва

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Котешов Микола Петрович,

Національна металургійна академія України,

м. Дніпропетровськ,

професор кафедри ливарного виробництва

кандидат технічних наук

Балакліець Ігор Альбінович,

Науково-технічне підприємство

“Нові машини і технології”, м. Дніпропетровськ,

виконавчий директор

Провідна установа: | Одеський державний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра машин та технології ливарного виробництва, м. Одеса

Захист відбудеться “ 22 ” травня 2001р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 в Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр.Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр.Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий “ 20 ” квітня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 Должанський А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вітчизняне алюмінієве виробництво є одним із самих енергоємних у світовій практиці. Частка енергоносіїв у собівартості алюмінію досягає 40%. Тому для України гостро стоїть питання про зниження витрат дефіцитної електроенергії при електролізі алюмінію і максимальному підвищенні корисної віддачі і терміну служби електролізного устатковання. Рішення поставлених задач щільно пов'язано з потребою кольорової металургії в ливарних сплавах та матеріалах, що забезпечують більш високі експлуатаційні характеристики устатковання.

Енергоємність електролізу і, як наслідок, собівартість кінцевого продукту багато в чому визначається величинами електроопору в струмопровідному ланцюзі електролізера, надійністю і довговічністю контакту між сталевими стрижнями, що відводять струм, і вуглеграфітовою ванною. Вітчизняна практика монтажу подових секцій алюмінієвих електролізерів базується, в основному, на використанні заливки рідким чавуном сталевих стрижнів у пазах подових вуглеграфітових блоків. Витрата чавуну на один електролізер складає близько 1,3 тонни. Невибивний чавунний виливок сформований в комбінованій ливарній формі, що складається з вуглеграфітового блоку зі сталевим стрижнем у середині, багато в чому визначає електроопір, надійність і довговічність контакту чавун – вуглеграфіт, обумовлюючи тим самим економічні показники електролізу та експлуатаційну довговічність електролізерів. Тому дослідження перехідних процесів на границі метал – форма, оптимізація хімічного складу, типу і режиму модифікування та технологічних властивостей чавуну є актуальними з погляду забезпечення заданих електричних і експлуатаційних параметрів електролізерів. Однак до теперішнього часу проблемам оптимізації хімічного складу, вибору типу модифікатора, режиму модифікування та технології виробництва чавуну, а також дослідженню їх взаємозв'язку з перехідним електроопором контакту чавун – вуглеграфіт не приділялося належної уваги, що суттєво знижує можливості поліпшення техніко-економічних показників електролізу алюмінію.

Усе вищевикладене обумовило необхідність і актуальність цієї роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження виконане відповідно до тематичного плану кафедральних держбюджетних науково-дослідних робіт Запорізького державного технічного університету (ЗДТУ) на 1995-2000 р.р. по темі №04615 “Розробка та удосконалення ливарних сплавів для виливок металургійного, гірничого обладнання та інших видів техніки” (наказ №-21-01 від 20 листопада 1995 року).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи було підвищення надійності, довговічності та зниження перехідного електроопору литих чавунних контактів між сталевими стрижнями і вуглеграфітовими подовими блоками алюмінієвих електролізерів шляхом вдосконалення технологічних параметрів процесу чавунного лиття у комбіновані вуглеграфітові форми для підвищення корисної віддачі електролізного устатковання.

Для досягнення зазначеної мети в роботі необхідно було вирішити наступні задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

Об'єкт дослідження. Процес виробництва литих чавунних контактів для алюмінієвих електролізерів.

Предметом дослідження служили чавунні виливки, що забезпечують електричний контакт між сталевими струмовідвідними стрижнями та подовими вуглеграфітовими блоками алюмінієвих електролізерів.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач використовували методи математичного планування експериментів, сучасні методи плавки, аналізу і контролю структури, ливарних, фізичних і службових властивостей чавунів, а також спеціальні удосконалені методики визначення перехідного електроопору контакту чавун – вуглеграфіт при звичайних і високих температурах.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Встановлені закономірності структурних змін, що відбуваються в чавунному виливку у процесі довготривалої високотемпературної експлуатації в алюмінієвому електролізері та їх вплив на експлуатаційні показники обладнання. Показано, що неоднорідність структури і нестабільність хімічного складу чавунного виливка приводить до порушення суцільності електричного контакту чавун – вуглеграфіт (тріщини, пори), а також підвищеного росту, зовнішнього і внутрішнього окислюванню чавуну, обумовлюючи тим самим погіршення надійності електричного контакту, збільшення витрат електроенергії і зменшення терміну служби електролізерів.

2. Встановлені кількісні залежності, що характеризують вплив основних (вуглецю, кремнію, марганцю та хрому) і домішкових (сірки, фосфору, міді) елементів хімічного складу і структури чавунних виливків на рівень перехідного електроопору контакту чавун – вуглеграфіт при звичайній (200С) та високій температурах експлуатації (850-9000С), а також на деякі властивості чавунів, що впливають на експлуатаційні показники електролізерів (питомий електроопір, лінійну усадку, окалиноутворення).

3. Уточнено механізм впливу параметрів невибивного чавунного виливка у вуглеграфітових подових блоках на експлуатаційні характеристики алюмінієвих електролізерів - перехідний електроопір контакту чавун – вуглеграфіт і тріщиностійкість подових блоків. Встановлено, що перехідний електроопір контакту чавун – вуглеграфіт і тріщиностійкість подових блоків у вирішальній мірі залежать від ливарних властивостей чавуну і термічного розширення чавунного виливка в інтервалі температур до полиморфного перетворення (20- 7000С), коли чавун знаходиться в пружному стані. У меншій мірі ці характеристики залежать від окалиностійкості і термічного розширення в інтервалі (850 – 9000С).

Практичне значення отриманих результатів. У дисертаційній роботі була вирішена задача, що пов'язана з вдосконаленням технологічного процесу виробництва литих чавунних електричних контактів у подових секціях алюмінієвих електролізерів шляхом розробки оптимального хімічного складу, типу і режиму модифікування та виробництва чавуну, що має найкраще комплексне сполучення усадочних характеристик, коефіцієнтів лінійного термічного розширення, питомого електроопору, окалиностійкості, зростостійкості та забезпечує низький перехідний електроопір контакту чавун – вуглеграфіт і підвищену експлуатаційну стійкість подових блоків. Використання результатів досліджень у виробництві на ВАТ “Запорізький виробничий алюмінієвий комбінат” (ЗАлК) дозволило поліпшити техніко-економічні показники електролізу алюмінію за рахунок збільшення експлуатаційної стійкості електролізерів та одержати економічний ефект у сумі більш 100 тис. грн. на рік (акт впровадження від 25 квітня 2000 року).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові і теоретичні положення дисертації розроблені автором особисто. Здобувач брав особисту участь у підготовці методик, виконанні розрахунків, проведенні експериментів, аналізі, обробці та інтерпретації експериментальних даних. Узагальнення отриманих результатів, а також написання спільних статей у співавторстві виконувалося при особистій участі автора. У дисертації не використанні ідеї співробітників, що сприяли виконанню роботи.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи повідомлені та обговорені на Міжнародних науково-технічних конференціях “Неметалеві включення і гази у ливарних сплавах” (вересень 1997, 2000 р.р., Запоріжжя), “Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів” (жовтень 1998 р., Запоріжжя), “Проблеми і перспективи розвитку ливарного виробництва” (жовтень 1999 р., Дніпропетровськ), науково-технічних конференціях і семінарах професорсько-викладацького складу ЗДТУ (1997-2000 р.р.).

У повному обсязі робота доповідалась на кафедрі машин і технології ливарного виробництва ЗДТУ та кафедрі ливарного виробництва Національної металургійної академії України.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 10 друкованих праць, в тому числі, 5 статей у фахових виданнях із переліку ВАК, а також у матеріалах 3 конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти глав, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Матеріали роботи викладені на 158 сторінках, містять 18 таблиць, 38 рисунків, 3 додатка. Список використаних джерел містить 121 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі дослідження, представлені основні наукові положення, що виносяться на захист, а також практичне значення і цінність отриманих результатів.

Перший розділ є оглядовим і присвячений аналізу доцільності і перспективності вдосконалення технологічного процесу виробництва чавунних виливків, що застосовуються для забезпечення електричних контактів у подових секціях, з метою зниження енергоспоживання і підвищення експлуатаційної стійкості алюмінієвих електролізерів.

Наведений порівняльний аналіз наукових та технологічних рішень проблеми поліпшення якості електричного контакту між сталевими струмовідвідними стрижнями і подовими вуглеграфітовими блоками показав, що чавун залишається перспективним матеріалом, який може забезпечити, при дотриманні необхідних вимог, не тільки низький перехідний електроопір контакту чавун – вуглеграфіт, але і високу експлуатаційну стійкість та довговічність електролізерів за рахунок зменшення тріщиноутворення у вуглеграфітових блоках.

Аналіз літературних даних показав, що не зважаючи на велику кількість робіт з мінімізації електроопору контактів у подових секціях, питання вибору оптимального складу, типу і режиму модифікування та технології виробництва чавуну для литих електричних контактів у подових секціях залишається дуже актуальним, а його рішення буде сприяти зниженню витрат електроенергії і підвищенню надійності та експлуатаційної довговічності алюмінієвих електролізерів.

Другий розділ присвячений опису методики досліджень.

Дослідні плавки проводили в ливарній лабораторії ЗДТУ в індукційних печах місткістю 9 і 60 кг з основною та кислою футерівками. У виробничих умовах ЗАлК чавун отримували у вагранці продуктивністю 1 тонну на годину та індукційній печі промислової частоти місткістю 2,5 тонни. Шихта складалася з чушкових чавунів, сталевого брухту, відходів власного виробництва, стандартних феросплавів. При виплавці синтетичного чавуну шихта містила більш 50% відходів виробництва (анодних і катодних стрижнів зі ст.2, ст.3, ГОСТ380-71), подрібнений карбюризатора до фракції 10 мм (з відходів вуглеграфітових блоків), чушкові чавуни, стандартні феросплави.

Для дослідження параметрів чавуну на перехідний електроопір контакту чавун – вуглеграфіт застосовували спеціальні методики. Перехідний електроопір контакту чавун – вуглеграфіт визначали при звичайній температурі (200С) і температурі експлуатації (850-9000С) на спеціальних технологічних зразках, що моделювали по товщині перетину чавуну і величині струму катодну секцію алюмінієвого електролізера. Технологічні зразки складались з ливарної вуглеграфітової форми та сталевого стрижня у середині, які з'єднувалися між собою чавунним виливком. Матеріали сталевого стрижня і вуглеграфітової форми були ідентичні матеріалам, що використовуються у промислових електролізерах.

Контроль хімічного складу і мікроструктури чавунів проводили стандартними методами. Рідкотекучість вимірювали за спіраллю Кері. Для визначення лінійної усадки використовували прилад І.Ф. Большакова. Адгезійну взаємодію розплаву чавуну з поверхнею вуглеграфітового матеріалу вивчали методом лежачої краплі на установці, розробленої в ЗДТУ. Характеристики термічного розширення (коефіцієнти лінійного термічного розширення, лінійні ефекти фазових перетворень), а також інші перетворення, що відбуваються в процесі нагрівання, охолодження та ізотермічних витримок чавунів (графітизацію, зріст) досліджували дилатометричним методом з використанням диференціального дилатометра Шевенара. Окалиностійкість та зростостійкість чавунів визначали відповідно до ГОСТ 6130-71 та ГОСТ 7769-82.

Математичну обробку експериментальних даних здійснювали з використанням методів кореляційного та регресивного аналізу за допомогою сучасних засобів обчислювальної техніки застосовуючи стандартні та спеціально розроблені прикладні програми.

Третій розділ присвячений аналізу виробництва литих чавунних контактів на ЗАлК, дослідженню структуроутворення чавуну і наступних структурних змін, що відбуваються в невибивному чавунному виливку в процесі довготривалої високотемпературної експлуатації, а також їх впливу на електричні та експлуатаційні характеристики алюмінієвих електролізерів.

Встановлено, що висока нестабільність хімічного складу чавуну, а також неоднорідність структури чавунного виливка по перетину, що обумовлена різницею у швидкості кристалізації та охолодження в центрі та з краю, при контакті з масивним сталевим блюмсом і вуглеграфітовим блоком, є джерелами утворення внутрішніх напружень, що приводять під впливом високої температури експлуатації (850-9000С) та агресивного середовища до порушення суцільності електричного контакту. Через різницю коефіцієнтів термічного розширення структурних складових у різнорідній структурі чавуну можливе розтріскування в чавунному виливку. Неоднорідність коефіцієнтів термічного розширення призводить до можливості порушення суцільності литого контакту на межі чавун – блюмс та чавун – вуглеграфіт. Утворення тріщин у вуглеграфітовому блоку приводить до проникнення рідкого алюмінію і розплаву електроліту до чавунного виливка та утворенню сплавів алюмінію з залізом та карбідів алюмінію, що є джерелом зниження якості алюмінію та підвищення перехідного електроопору контакту чавун – вуглеграфіт. Це сприяє загальному катодному падінню напруги, особливо в перші місяці експлуатації (рис. 1), і приводить до зниження економічних показників виробництва алюмінію.

Рис.1. Зміна експлуатаційних показників електролізу алюмінію

зі збільшенням терміну експлуатації ванн:

1 – катодне падіння напруги;2 – падіння напруги в контакті

сталевий блюмс – чавунний виливок - вуглеграфітовий блок.

Підтверджено, що основною причиною зниження експлуатаційних показників (зниження якості алюмінію, підвищення катодного падіння напруги) і виходу електролізерів з ладу є утворення тріщин у подині. Однією з головних причин є різниця коефіцієнтів термічного розширення чавуну і вуглеграфітового матеріалу подового блоку, а також зріст чавуну при довготривалому впливі високої температури та агресивного середовища.

Встановлено, що в структурі чавуну в процесі довготривалої експлуатації при високій температурі в основних струмопровідних зонах відбуваються істотні перерозподіли струмів. Невибивний чавунний виливок нагрівається тепловим полем електролізера до високих температур (9000С). При нагріванні відбувається аустенітне перетворення, розчинення в аустеніті цементиту, цементиту перліту, графіту та розчинних домішок. Гомогенізація аустеніту по кремнію і вуглецю при тривалій високотемпературній витримці приводить до утворення великої кількості дифузійних пір (надлишок вакансій), у які дифундують вуглець, а також рухливі атоми натрію, кальцію, алюмінію, кисню та інших газів, що виділяться в процесі електролізу алюмінію. Під впливом високої температури та агресивного середовища графіт окисляється і у цих порах залишається шар окислів та карбонатів. За рахунок сполучування графітових включень і тріщиноутворення чавун піддається інтенсивному окислюванню агресивними газами, що сприяє утворенню пір, підвищеному зовнішньому та внутрішньому окислюванню, зросту чавуну. Це приводить до погіршення надійності електричного контакту, збільшенню витрат електроенергії та зменшенню терміну служби електролізного устатковання.

У четвертому розділі приводяться результати досліджень по впливу основних структурних складових (структури металевої основи, форми та розмірів включень графіту), хімічного складу та модифікування чавуну на рівень перехідного електроопору контакту чавун – вуглеграфіт та розробці на цій основі оптимального хімічного складу та варіантів модифікування чавуну, що обумовлюють низький перехідний електроопір контакту чавун – вуглеграфіт та підвищену тріщиностійкість подових блоків за рахунок раціонального сполучення ливарних і фізико-хімічних властивостей.

Встановлено, що забезпечення у феритному чавуні дрібного рівномірно розподіленого пластинчатого графіту дозволяє одержати ідентичний рівень перехідного електроопору чавун - вуглеграфіт при звичайній температурі, як при використанні чавуну з кулястим графітом. Однак виробництво високоміцного чавуна пов'язано з істотним подорожчанням процесу монтажу секцій. Тому найбільш прийнятним матеріалом для заливки катодних стрижнів у пазах подових блоків слід визнати сірий чавун. Білі чавуни також забезпечують відносно низький перехідний електроопір контакту чавун –вуглеграфіт при звичайній температурі. Однак вони мають цілий ряд недоліків, з яких найбільш істотними слід визнати високу усадку, велику схильність до неконтрольованого збільшення розмірів при довготривалій високотемпературній експлуатації, які здатні привести до утворення тріщин у сполученому вуглеграфітовому блоці.

Оптимізацію хімічного складу чавунних виливків по основних елементах здійснювали за допомогою математичного планування експериментів шляхом реалізації її матриць планування дрібного факторного експерименту типу 24-1. Змінними факторами були вибрані вміст вуглецю, кремнію, марганцю та хрому в чавуні з наступними інтервалами варіювання елементів (мас. частка, %): 2,4-3,6 С; 2,0-3,6 Si; 0,3-0,9 Mn; 0,1-0,3 Cr.

Функціями відгуку були величини перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт при звичайній температурі (R, мкОм) і при температурі експлуатації електролізерів (R, мкОм), а також найбільш важливі властивості чавуна: питомий електроопір (, мкОмсм), інтервал кристалізації (Т, С), лінійна усадка (, %) чавуна та об’єм розсіяних пір у чавуні (, %).

Обробка експериментальних даних методами регресійного аналізу дозволила одержати рівняння регресії, що характеризують вплив хімічного складу на перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт і деякі властивості чавуна, що характеризують експлуатаційні показники електролізерів:

R=182+37[C]+71[Si]-266[Mn]-29[C][Si]+88[C][Mn] 18,5; (1)

R=65+14[C]-6[Si]-117[Mn]+330[Cr]-2[C][Si]+

+28[C][Mn]-83[C][Cr] 7,5; (2)

=19[C]+9[Si]-10[Mn]-25[Cr]-3 4,8; (3)

T=619-147[C]-31[Si]-550[Cr]+183[C][Cr] 12,6; (4)

=4,373-0,747[C]-0,266[Si]-6,095[Cr]+2,032[C][Cr] 0,23; (5)

Vр.п.=2,627-0,452[C]-0,131[Si] 0,15. (6)

Адекватність моделей перевіряли за критерієм Фішера, значимість – за критерієм Ст’юдента, відтворюваність – за критерієм Кохрена.

Регресійні моделі (1, 2) свідчать про надзвичайну складність та багатофакторність впливу хімічного складу чавуну на перехідний електроопір контакту чавун – вуглеграфіт. Це пов'язано з опосередкованим впливом хімічного складу на перехідний електроопір литого контакту чавун - вуглеграфіт через його вплив на структуру та ряд елементарних властивостей чавуну (змочування, усадочні характеристики, термічне розширення). Зі збільшенням вуглецевого еквіваленту (Сэ=[C]+1/3[Si], %) дослідних сплавів з 3,2 до 4,3 спостерігали тенденції підвищення питомого електроопору, зменшення інтервалу кристалізації, лінійної усадки та обсягу усадочних пір (3 – 6).

Спеціально проведені дослідження показали, що в системі факторів, які визначають якість контакту чавун – вуглеграфіт, показники змочування рідким чавуном вуглеграфітового матеріалу унаслідок своїх невисоких значень і малої залежності від факторів складу і структури чавуну відіграють підлеглу роль. Істотно більший вплив на показники перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт та питомий електроопір чавуну має структурний фактор – металева основа, а також кількість і форма включень графіту, що характеризуються індексом графіту. Крім структурного фактору найважливішим параметром, що визначає величини перехідного електроопору, є сила тиску невибивного чавунного виливка на вуглеграфітову форму. При звичайних температурах вона визначається післяперлітною усадкою чавунів (ппу), унаслідок неповної реалізації лінійної усадки чавунів в малопіддатливій вуглеграфітовій формі. Кореляційні залежності відповідно для феритних (7), перлітних (8) та білих (9) чавунів мають вигляд:

Rпер=994-864 ппу; R=0,83; (7)

Rпер=807-579 ппу; R=0,97; (8)

Rпер=538-308 ппу; R=0,90. (9)

При високих температурах експлуатації (9000С) чавун знаходиться в аустенітному стані, тому вплив вихідної матриці (перлітної чи феритної) і графітної фази реалізується через вплив на коефіцієнти лінійного термічного розширення, лінійні ефекти перетворення, що забезпечують силу тиску чавунного виливка на графітову форму, тим самим визначаючи як величину перехідного електроопору, так і імовірність утворення тріщин у вуглеграфітових подових секціях.

Проведеними високотемпературними вимірами перехідного електроопору і відповідними дилатометричними дослідженнями чавунів, що розрізнялися хімічним складом і структурою встановлено, що для усіх варіантів сірих чавунів їх лінійна усадка при нагріванні до 9000С практично цілком компенсується термічним розширенням. Це приводить до збільшення площі контакту чавун – вуглеграфіт і зниженню його електроопору. На рис. 2 приведені типові дилатометричні криві нагрівання – охолодження дослідних чавунів. Графіки записані для двох циклів нагрівання, які умовно відповідали первинному випалу електролізера та початку його промислової експлуатації.

а в

б г

Рис. 2. Дилатограми зразків з чавуну при дворазовому нагріванні-охолодженні по режиму 209000С ( - перший цикл; ------ - другий цикл):

а – білий; б – половинчатий; в – перлітний сірий; г – феритний сірий.

Найбільш інтенсивно перехідний електроопір контакту чавун – вуглеграфіт знижується при нагріванні до початку аустенітного перетворення (20 – 7000С), коли чавун знаходиться в пружному стані. Після завершення аустенітного перетворення (8500С) чавуни переходять у пластичний стан, термічні напруги слабшають і подальше розширення чавунів в аустенітному стані приводить до незначного зниження перехідного електроопору контакту чавун – вуглеграфіт.

У білих і половинчатих чавунів при температурі близько 6800С починається інтенсивна графітизація і коефіцієнти лінійного термічного розширення різко зростають, що підвищує імовірність утворення тріщин у вуглеграфітовій футерівці. Про це свідчить найбільше розсіяння значень перехідного електроопору контакту чавун – вуглеграфіт при високих температурах для цих чавунів. В 50% вуглеграфітових форм залитими такими чавунами візуально спостерігалися тріщини.

За результатами досліджень встановлений оптимальний хімічний склад чавунів (2,9 - 3,2%C; 2,8 - 3,0%Si; 0,3 - 0,6%Mn; 0,04 - 0,10%Cr), що забезпечує низький рівень перехідного електроопору контакту чавун -вуглеграфіт при високій температурі за рахунок:

-

-

Вплив домішкових елементів хімічного складу чавуну на перехідний електроопір контакту чавун – вуглеграфіт вивчали при оптимальному хімічному складі по основним елементам. Вміст фосфору, сірки та міді варіювався у наступних межах (мас. частка, %): 0,04 – 1,45 Р; 0,03 – 0,18 S; 0,5 – 3,0 Cu.

У результаті математичної обробки експериментальних даних були встановлені кореляційні залежності перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт при звичайній температурі (R , мкОм) та при температурі експлуатації електролізерів (R , мкОм) від вмісту фосфору. Ідентична залежність була виведена і для лінійної усадки чавуну від вмісту фосфору:

R=233,2+22,2[P]6,2 (R=0,95); (10)

R=76,3+13,3[P]3,7 (R=0,97); (11)

=1,3040,162[Р]0,02 (R=0,99). (12)

Дилатометричними дослідженнями встановлено, що для заливки подових секцій електролізерів доцільніше використовувати чавуни зі зниженим вмістом фосфору (до 0,5%). Довготривала високотемпературна експлуатація чавунного виливка в промислових електролізерах сприяє графітизації фосфідної евтектики і, як наслідок, приводить до збільшення його лінійних розмірів, що може викликати значне збільшення напруг на границі чавун – вуглеграфіт та появу тріщин у блоці.

Підвищений вміст сірки (0,12 – 0,18% ) також негативно впливає на експлуатаційні властивості електролізерів, тому, що він обумовлює появу відбілу у чавунах.

Для запобігання відбілювання в тонкостінному чавунному виливку необхідно застосовувати модифікування або легування. Встановлено, що при наявності в складі чавуну міді у кількості до 0,5% знижується імовірність відбілювання чавунів, звужується інтервал аустенітного перетворення, завдяки чому вже при 8200С досягається цілком аустенітна структура. Перевищення вмісту міді вище 0,5% приводить до підвищення лінійної усадки, виділення міді у вільному стані, а згодом, при довготривалій експлуатації, до підвищеного окислювання контакту чавун – вуглеграфіт при високій температурі і, відповідно, підвищення перехідного електроопору контакту. Ці висновки підтверджуються наступними кореляційними залежностями перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт від вмісту міді при звичайній температурі (R, мкОм) та температурі експлуатації електролізерів (R, мкОм):

R=255,928,5[Cu]6,4 (R=0,98); (13)

R=62,1+22,5[Cu]6,2 (R=0,99). (14)

Аналіз результатів досліджень впливу основних та домішкових елементів складу на окалиностійкість чавуну при температурі 9000С в середовищу, що імітує агресивне середовище алюмінієвого електролізера показав, що найбільш негативно впливає на окалиностійкість (по методу збільшення маси, V , г/м2г) чавуну мідь та вуглець. Фосфор і сірка діють на окалиностійкість у меншій мірі:

V=-1,44+1,05[C]+0,75[Si]-0,8[Cr]-0,25[C][Si]0,1; (15)

V=1,44+0,73[P]0,2 (R=0,94); (16)

V=1,59+4,82[S]0,2 (R=0,95); (17)

V=3,17+1,23[Cu]0,2 (R=0,99). (18)

З наведених даних можна зробити висновок, що вміст домішкових елементів - фосфору, сірки та міді в чавуні повинно суворо контролюватись. Фосфор і мідь при вмісті до 0,5% сприяють зниженню лінійної усадки, усуненню відбілювання, поліпшенню структури чавуну, а також зниженню перехідного електроопору контакту чавун -вуглеграфіт за рахунок оптимального сполучення рівнів лінійної усадки, коефіцієнтів лінійного термічного розширення та жаростійкості чавунів у процесі довготривалої високотемпературної експлуатації.

Для роздрібнення графітових включень, поліпшення їх розподілу, усунення відбілу в чавунному виливку обов'язковим заходом є модифікування.

Показано, що з чотирьох випробуваних модифікаторів (феросиліцію ФС75, силікокальцію СК20, силікобарію ФС65Ба4, лігатури з ітрієм Сиитмиш-1) модифікування чавуну присадками РЗМ з ітрієм (0,10 - 0,15% Сиитмиш-1) найбільш сприяє зниженню перехідного електроопору литого контакту чавун - вуглеграфіт за рахунок збільшення окалиностійкости, зростостійкості, стабілізації коефіцієнтів лінійного термічного розширення чавунів при високих температурах унаслідок поліпшення форми і розподілу графіту, зменшення розмірів його виділень у вихідній однорідній металевій матриці.

П'ятий розділ присвячений дослідженню впливу технології виробництва чавуну для литих контактів у подових секціях на перехідний електроопір контакту чавун – вуглеграфіт та комплекс властивостей чавуну, що визначають експлуатаційні показники електролізерів, а також розробці на цій основі вдосконаленої технології виробництва литих чавунних контактів та впровадження її в цеху капітального ремонту електролізерів на ЗАлК.

На першому етапі проводили оптимізацію виробництва литих чавунних контактів для алюмінієвих електролізерів при виплавці чавуну в коксовій вагранці. Зокрема, для усунення небажаного впливу підвищеного вмісту фосфору (0,9-1,6%) у ваграночному чавуні на експлуатаційні властивості електролізерів у промислових умовах ЗАлК проводили дослідні плавки з обмеженим вмістом фосфору (0,4-0,6%). Для підвищення температури випуску чавуну з вагранки, і відповідно збільшення рідкотекучості, до складу шихти додавали карбід кальцію (2-3% від маси металевої колоші).

Дослідним чавуном був залитий комплект подових секцій. Хімічний склад чавуну, електроопір контакту блюмс – подовий блок відповідали вимогам технологічної інструкції ТИ – 48-0103 – Э-04-94. Експлуатація електролізних ванн із подовими секціями, залитими дослідним чавуном, не виявила яких-небудь відхилень при випалі, пуску та електролізі алюмінію.

Основні рекомендації з оптимізації технології виробництва литих чавунних контактів у подових секціях алюмінієвих електролізерів включені в технологічну інструкцію ЗАлК по заливці подових секцій.

Подальші перспективи поліпшення якості ремонту електролізерів пов'язані з модернізацією устаткування і технології плавки.

На алюмінієвих підприємствах можливо і доцільно використовувати відходи основного виробництва - відпрацьовані сталеві блюмси та вуглеграфітові блоки як шихтові матеріали для виробництва синтетичного чавуну для литих електричних контактів у подових секціях. Це дозволить скоротити матеріальні витрати, пов'язані з покупкою та транспортуванням звичайних шихтових матеріалів, і повніше використовувати відходи виробництва.

Виплавлений в індукційній печі синтетичний чавун відрізнявся високими службовими властивостями: високою щільністю, окалиностійкістю, низьким питомим електроопором, що забезпечує менше значення перехідного електроопору контакту чавун - вуглеграфіт. Наявність підвищених показників усадки та відбілу усувається раціональним модифікуванням.

Використання результатів роботи у виробництві на ЗАлК дозволило істотно покращити техніко-економічні показники виробництва за рахунок зниження браку лиття контактів через утворення тріщин у 1,5 рази, зниження падіння напруги у катоді електролізеру на 10-15 мВ та збільшити у цілому експлуатаційну стійкість електролізерів, що забезпечило збільшення випуску алюмінію та зниження витрат на капітальні ремонти електролізерів. Економічний ефект від впровадження розроблених рекомендацій з вдосконалення технологічних параметрів виробництва литих чавунних контактів для алюмінієвих електролізерів складає більш 100 тис. грн. на рік.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-технічної задачі підвищення якості литих чавунних електроконтактів в алюмінієвих електролізерах, зокрема, за рахунок отримання нових науково-обгрунтованих результатів про закономірності впливу хімічного складу, модифікування та технології виробництва чавуну на перехідний електроопір контакту чавун - вуглеграфіт, що дозволило вдосконалити процес виробництва литих контактів, забезпечити найкраще комплексне сполучення ливарних, фізико-хімічних властивостей та підвищити експлуатаційну стійкість електролізного устатковання. По матеріалах, одержаних у роботі, сформульовані наступні висновки.

1.

2.

3.

-

-

-

-

-

4.

5.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ:

1.

2.

3.

4.

5.

ДОДАТКОВО НАУКОВІ РЕЗУЛЬТАТИ ВІДОБРАЖЕНІ У РОБОТАХ:

1.

2.

3.

4.

5.

АНОТАЦІЇ

Іванов В.Г. Литі чавунні контакти з низьким перехідним електроопором для алюмінієвих електролізерів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 – Ливарне виробництво. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертація присвячена питанням підвищення якості литих чавунних контактів, зменшення їх перехідного електроопору та покращення експлуатаційних показників алюмінієвих електролізерів за рахунок вдосконалення технологічних параметрів чавунного лиття у комбіновані вуглеграфітові форми.

В роботі встановлені закономірності впливу хімічного складу, модифікування та технології виробництва чавуну на перехідний електроопір контакту чавун – вуглеграфіт та комплекс його ливарних і фізико-хімічних властивостей. Вдосконалено хімічний склад та технологію виробництва модифікованого чавуну, що забезпечують підвищення надійності та експлуатаційної стійкості алюмінієвих електролізерів.

Основні результати роботи запропоновані до практичного застосування при виготовленні чавунних виливок, що забезпечують надійний електричний контакт у подових вуглеграфітових секціях алюмінієвих електролізерів.

Ключові слова: чавунні виливки, вуглеграфітові секції, електролізери, перехідний електроопір, хімічний склад, модифікування.

Ivanov V.G. Cast-iron casting contacts with low transitive resistance for aluminium electrolyzers. – Manuscript.

Dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical science by speciality 05.16.04 – Foundry manufacture. – National metallurgical academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2001.

The thesis is devoted to questions of improvement of quality of cast-iron founding electric contacts, lowering their contact resistance and improvement exploitation index aluminium electrolyzers at the expense of perfection of technology peculiarities cast-iron casting into the combined carbon graphite maulds.

Regularities influence of chemical composition, modification and technology of cast-iron production on transitive electric resistance of contact cast iron – carbon graphite and complex his foundry and physico – chemical properties are ascertained in the work. Chemical composition and technology of modificated cast iron manufacture, which provide improvement of reliability and exploitation stability of the aluminium electrolyzers are perfected.

Main results of the work are proposed to practical use for cast iron casting making, which provide exact electric contact in hearth carbon graphite section of the aluminium electrolyzers.

Key words: cast-iron casting, carbon graphite section, electrolyzers, contact resistance, chemical composition, modification.

Иванов В.Г. Литые чугунные контакты с низким переходным электросопротивлением для алюминиевых электролизеров. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 – Литейное производство. – Национальная