Исследование и разработка технологии электрошлаковой наплавки в водоохлождаемом медном кокиле для восстановления и повышения износостойкости бил молотковых мельниц

Одним из важнейших приоритетных направлений, стоящих перед машиностроением, является проблема повышения качества, надежности, экономичности и производительности машин. Значительная роль в решении данной проблемы отводится к комплексу технических и технологических мероприятий, направленных на снижение износа, так как наиболее распространенной причиной выхода деталей и рабочих органов машин из строя, является не поломка, а различные виды износа и повреждения рабочих поверхностей. Особенно низкий срок службы имеют детали, работающие в открытой абразивной среде. Часто низкая долговечность деталей связана с неправильным выбором материала, который по своим свойствам не отвечает условиям эксплуатации.

Молотковые мельницы предназначены для размола различных пород природных ископаемых и широко применяются на тепло-электро-централях (ТЭЦ) для размола угля, на горно-обогатительных комбинатах для размола породы и многих других предприятиях, занимающихся добычей и переработкой природного минерального сырья. Основной рабочей деталью молотковой мельницы является било, которое работает по принципу свободного удара по разрушающей породе и в результате этого подвергается интенсивному абразивному изнашиванию. За время работы в мельнице масса билы, в результате изнашивания, уменьшается на 25−35%, после чего она направляется в металлолом, что является экономически нецелесообразным. Потребность в билах молотковых мельниц (БММ) измеряется сотнями тысяч штук, поэтому проблема восстановления изношенных БММ является весьма актуальной.

В настоящее время одной из наиболее высокоэффективных и распространенных технологий повышения качества выплавляемой стали и переплава отработавших ресурс деталей является электрошлаковый переплав (ЭШП), позволяющий вторично использовать дорогостоящий легированный материал без потери качества и служебных свойств переплавляемого металла.

Использование электрошлаковой наплавки (ЭШН) позволяет не только восстанавливать изношенные детали, но и получать качественно новые биметаллические материалы на основе ресурсосберегающих технологий, применение которых для восстановления БММ обеспечит повышение их ресурса при снижении расхода дефицитных легирующих элементов.

Актуальность темы

диссертационной работы также подтверждена выполнением научноисследовательских работ в рамках:

— программы «СТАРТ-2005» (2005;2007), государственный контракт № 3649р/5964 «Исследование и разработка технологии, оборудования и оснастки по восстановлению бил молотковых мельниц энергетического оборудования».

— грант по проекту № 2.07 ТОГУ «Разработка лабораторного стенда и технологии восстановления деталей электрошлаковой наплавкой».

Цель работы заключалась в увеличении срока службы БММ путем повышения износостойкости наплавляемого слоя при их восстановлении методом ЭШН за счет использования новых износостойких экономлегированных сплавов и усовершенствования технологии электрошлаковой наплавки, обеспечивающих повышение производительности и снижение себестоимости восстановления по сравнению с новыми отливками.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработать методику проведения экспериментальных исследований процесса ЭШН, триботехнических и физико-механических свойств наплавленного металла при ЭШН.

2. Создать лабораторное оборудование и измерительный комплекс для исследования процессов ЭШН.

3. Создать физическую модель и установку для моделирования абразивного изнашивания БММ.

4. Установить закономерности формирования структуры наплавленного слоя и зоны сплавления в зависимости от технологических параметров ЭШН и влияние этой структуры на ее механические свойства и износостойкость.

5. Оптимизировать технологические параметры ЭШН, обеспечивающие необходимое качество наплавляемого слоя и зоны сплавления.

6. Исследовать способы легирования и режимы ЭШН, обеспечивающие максимальное усвоение легирующих элементов в наплавленном слое.

7. Исследовать влияние номенклатуры и содержания легирующих элементов в наплавляемом сплаве на его износостойкость и физико-механические свойства.

8. Разработать технологию и создать оборудование для восстановления БММ ЭШН в производственных условиях.

9. Произвести производственные испытания восстановленных БММ и оценить технико-экономическую эффективность созданной технологии ЭШН.

На защиту выносятся следующие положения:

— Результаты установления закономерностей формирования структуры наплавленного слоя и зоны сплавления, механических свойств и износостойкости в зависимости от технологических факторов ЭШН;

— Прогнозирование технологических параметров ЭШН для обеспечения качества наплавки, зоны сплавления и прочности сцепления при помощи полученной математической модели;

— Результаты исследования влияния номенклатуры и количества легирующих элементов в наплавленном слое на его физико-механические свойства и износостойкость на основе полученной математической модели.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Установлена закономерность формирования структуры наплавленного слоя и зоны сплавления, его механических свойств и износостойкости от технологических параметров ЭШН:

— выполнен регрессионный анализ линейной математической модели процесса стартовой операцииустановлено, что для повышения качества зоны сплавления (ударную вязкость) необходимо снижать сечение электрода и величину тока наплавки, а напряжение повышать;

— разработана математическая модель влияния режимов ЭШН на качество наплавки и прочность зоны сплавления.

2. Предложены и научно обоснованы рациональные способы легирования и режимы ЭШН для повышения эффекта легирования наплавленного слоя:

— разработана новая технология изготовления легированной пластинысимплекс — планированием определены оптимальные параметры изготовления легирующей пластины, обеспечивающие максимальную ее прочность: давление прессования в пресс-форме Р=2,8 МПатемпература сушки в печи Т=320 °Спродолжительность сушки — 21 минжидкое стекло в количестве 25% сверх массы легирующих компонентов;

— разработан новый способ легирования посредством легирующей пластины при ЭШН, обеспечивающий наибольшее усвоение легирующих элементов на рабочей грани билапри этом усвоение марганца в среднем увеличивается на 13%, кремния на 16%, хрома на 35%, углерода на 21% в сравнении с введением их посредством дозатора через расплавленный флюс;

— установлено влияние технологических параметров ЭШН на степень усвоения легирующих элементов в наплавленном слоеодновременное увеличение тока и снижение напряжения наплавки ведет к увеличению усвоения углерода на 17%, хрома на 19%, кремния на 14%, при этом усвоение марганца снижается на 6%;

3. Разработана математическая модель влияния номенклатуры и содержания легирующих элементов в наплавленном слое на его физико-механические свойства и износостойкость:

— на основании проведенных исследований сплавов различных систем легирования определена система сплавов C-Cr-Mn-W-Mo, обладающая наибольшей износостойкостьюоптимизированы интервалы варьирования легирующих элементов, обеспечивающие высокую износостойкость- - методом математического планирования эксперимента определен новый сплав 100Х6ГЗСФМ, который более чем в три раза превосходит по износостойкости сталь 45.

Практическая ценность работы.

1. Разработана методика контроля абразивной износостойкости крупногабаритных деталей без их разрушения (положительное решение о выдачи патента на изобретение от 18.02.09 г. Заявка 2 008 112 366/28 (13 377) «Способ контроля абразивной износостойкости деталей»).

2. Разработан способ восстановления деталей ЭШН, повышающий качество зоны сплавления и устойчивость процесса стартовой операции при использовании электродов большого сечения (патент РФ № 2 350 449 от 27.03.09 г. «Способ восстановления деталей электрошлаковой наплавкой»).

3. Разработана технология легирования посредством легирующей пластины, обеспечивающая высокое усвоение легирующих элементов по рабочей грани поверхности слитка (патент РФ № 2 348 497 от 10.03.09 г. «Способ восстановления деталей электрошлаковой наплавкой».).

4. Разработана промышленная установка для ЭШН, а также комплекс оборудования для подготовительно-заключительных операций для изготовления электродов большого сечения, приготовления легирующих пластин, подготовки изношенных бил к восстановлению. Разработаны устройства для восстановления ЭШН, повышающие производительность подготовительно-заключительных операций (патент РФ № 2 329 128 от 20.07.08 г. «Устройство для восстановления деталей электрошлаковой наплавкой" — заявка на изобретение от 21.04.2008 г. 2 008 115 697/02 (17 630) «Устройство для восстановления деталей электрошлаковой наплавкой»).

5. Разработана технология восстановления бил молотковых мельниц методом ЭШН новым экономлегированым износостойким сплавом разработанного состава 100Х6ГЗСФМ. Восстановленные билы прошли производственные испытания на ТЭЦ № 3 г. Хабаровска при размоле угля. Достигнуто повышение износостойкости в 2,58 раза по сравнению с промышленными билами. Ожидаемый совокупный годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований на ТЭЦ № 3 г. Хабаровска может составить более 19 млн руб. в ценах 2008 г.

Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на 6 международных, всероссийских, региональных научно-технических конференциях: научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации, качества и надежности транспортных и технологических машин», (г. Хабаровск, 2005 г.) — Всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы», (г. Красноярск, 2006 г.) — научно-практической конференции «Идеи, гипотезы, поиск» (г. Магадан, 2006 г.) — IX Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития, литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производства» (г. Барнаул, 2008 г.) — II научных чтениях СВГУ (г. Магадан, 2008 г.) — XI Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нанодо макроуровня» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 научных статьи, получено 3 патента РФ на изобретение и 1 решение на выдачу патента. Материалы диссертации приведены в отчетах по НИР и Грантам, выполненным при участии автора.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературных источников из 104 наименований и 5 приложений. Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, иллюстрирована 51 рисунком.

Общие выводы:

1. Общим условием работы БММ является соударение их с топливом и истирание, в результате чего рабочие органы подвергаются интенсивному абразивному изнашиванию. Для восстановления БММ имеющих значительный износ наиболее целесообразно использовать ЭШН.

2. Выполненный регрессионный анализ разработанной линейной математической модели процесса стартовой операции показал адекватность последней. Произведенный на основании уравнения регрессии анализ показал, что для повышения качества зоны сплавления (ударную вязкость) необходимо снижать плотность тока и повышать напряжение. Наибольшее влияние на повышение качества зоны сплавления оказывает снижение тока наплавки.

3. Разработана технология изготовления легирующей вставки. На основе проведенного многофакторного эксперимента, с использованием симплекспланирования определены оптимальные параметры изготовления легирующей вставки, обеспечивающие максимальную ее прочность: давление прессования в пресс-форме Р = 2,8 МПа, температура в печи при сушке Т = 320 °C, время сушки 21 мин.

4. Разработан и научно обоснован наиболее рациональный способ легирования при ЭШН. Легирование посредством пластины обеспечивает более высокое усвоение легирующих элементов по рабочей поверхности слитка. Так усвоение марганца в среднем на 13%, кремния на 16%, хрома на 35%, углерода на 21% выше, чем при введении их через расплавленный флюс через дозатор.

5. В результате исследования влияния технологических параметров ЭШН на усвоение легирующих элементов было установлено, что одновременное увеличение тока и снижения напряжения наплавки ведет к увеличению усвоения углерода на 17%, хрома на 19%, кремния на 14%, при этом усвоение марганца снижается на 6%.

6. Методом планирования эксперимента определен оптимальный состав наплавленного металла (С-0,98%, Cr-3,5%, Mn-3,3%, Si -1,5%, W-0,86%, Мо-0,48%) превосходящий по износостойкости в 3 раза сталь 45 и более чем в два раза сталь 110Г13.

7. Получено уравнение регрессии, показывающее влияние основных компонентов сплава на износостойкость.

8. На основании количественного рентгеноструктурного анализа показано, что изменение износостойкости исследуемых сплавов связано со степенью искажения решетки мартенсита и наклепа аустенита в результате легирования. Установлено, что наивысшей износостойкостью обладает сплав, имеющий максимальную степень искажения кристаллической решетки мартенсита и минимальное количество а-фазы (10%) и максимальное количество у — фазы (наклепанного аустенита 90%).

9. На основании количественного рентгеноструктурного анализа показано, что изменение износостойкости исследуемых сплавов связано со степенью искажения их решетки в результате легирования. Установлено, что наивысшей износостойкостью обладает сплавы, имеющий максимальную степень искажения кристаллической решетки по всем направлениям, при сохранении ее тетрагональное&tradeи имеющие в своей минимальное количество а-фазы и максимальное количество у — фазы.

10. Разработана промышленная технология и оборудование для восстановления БММ методом ЭШН. Производственные испытания БММ, восстановленных разработанным сплавом методом ЭШН, показали увеличение их ресурса в 2,58 раза в сравнении с серийными образцами.

9. Годовой экономический эффект при внедрении разработанной технологии восстановления БММ ЭШН на ТЭЦ № 3 г. Хабаровска может составить более 19 млн .руб.