Технология восстановительного ремонта слябовых кристаллизаторов МНЛЗ способом наплавки трением с перемешиванием
Приведены результаты разработки технологии ремонта медных плит кристаллизаторов МНЛЗ с применением для этой цели способа наплавки трением с перемешиванием (НТП), позволяющего наносить на изношенные места кристаллизаторов слой меди того же химического состава и теплопроводности, что и у материала пли...
Збережено в:
| Дата: | 2013 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2013
|
| Назва видання: | Современная электрометаллургия |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96704 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Технология восстановительного ремонта слябовых кристаллизаторов МНЛЗ способом наплавки трением с перемешиванием / Ю.Н. Никитюк, Г.М. Григоренко, В.И. Зеленин, Е.В. Зеленин, М.А. Полещук // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 3 (112). — С. 51-55. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-96704 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-967042016-03-20T03:02:21Z Технология восстановительного ремонта слябовых кристаллизаторов МНЛЗ способом наплавки трением с перемешиванием Никитюк, Ю.Н. Григоренко, Г.М. Зеленин, В.И. Зеленин, Е.В. Полещук, М.А. Энергоресурсосбережение Приведены результаты разработки технологии ремонта медных плит кристаллизаторов МНЛЗ с применением для этой цели способа наплавки трением с перемешиванием (НТП), позволяющего наносить на изношенные места кристаллизаторов слой меди того же химического состава и теплопроводности, что и у материала плиты. Presented are the results of development of technology of repair of copper plates of moulds of machines for continuous casting of billets (MCCB) using the method of friction stir surfacing (FSS), allowing deposition of copper coatings on the worn-out places of moulds with a copper layer of the same chemical composition and heat conductivity as the plate material. 2013 Article Технология восстановительного ремонта слябовых кристаллизаторов МНЛЗ способом наплавки трением с перемешиванием / Ю.Н. Никитюк, Г.М. Григоренко, В.И. Зеленин, Е.В. Зеленин, М.А. Полещук // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 3 (112). — С. 51-55. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0233-7681 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96704 669.187.004.18 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Энергоресурсосбережение Энергоресурсосбережение |
| spellingShingle |
Энергоресурсосбережение Энергоресурсосбережение Никитюк, Ю.Н. Григоренко, Г.М. Зеленин, В.И. Зеленин, Е.В. Полещук, М.А. Технология восстановительного ремонта слябовых кристаллизаторов МНЛЗ способом наплавки трением с перемешиванием Современная электрометаллургия |
| description |
Приведены результаты разработки технологии ремонта медных плит кристаллизаторов МНЛЗ с применением для этой цели способа наплавки трением с перемешиванием (НТП), позволяющего наносить на изношенные места кристаллизаторов слой меди того же химического состава и теплопроводности, что и у материала плиты. |
| format |
Article |
| author |
Никитюк, Ю.Н. Григоренко, Г.М. Зеленин, В.И. Зеленин, Е.В. Полещук, М.А. |
| author_facet |
Никитюк, Ю.Н. Григоренко, Г.М. Зеленин, В.И. Зеленин, Е.В. Полещук, М.А. |
| author_sort |
Никитюк, Ю.Н. |
| title |
Технология восстановительного ремонта слябовых кристаллизаторов МНЛЗ способом наплавки трением с перемешиванием |
| title_short |
Технология восстановительного ремонта слябовых кристаллизаторов МНЛЗ способом наплавки трением с перемешиванием |
| title_full |
Технология восстановительного ремонта слябовых кристаллизаторов МНЛЗ способом наплавки трением с перемешиванием |
| title_fullStr |
Технология восстановительного ремонта слябовых кристаллизаторов МНЛЗ способом наплавки трением с перемешиванием |
| title_full_unstemmed |
Технология восстановительного ремонта слябовых кристаллизаторов МНЛЗ способом наплавки трением с перемешиванием |
| title_sort |
технология восстановительного ремонта слябовых кристаллизаторов мнлз способом наплавки трением с перемешиванием |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2013 |
| topic_facet |
Энергоресурсосбережение |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96704 |
| citation_txt |
Технология восстановительного ремонта слябовых кристаллизаторов МНЛЗ способом наплавки трением с перемешиванием / Ю.Н. Никитюк, Г.М. Григоренко, В.И. Зеленин, Е.В. Зеленин, М.А. Полещук // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 3 (112). — С. 51-55. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| series |
Современная электрометаллургия |
| work_keys_str_mv |
AT nikitûkûn tehnologiâvosstanovitelʹnogoremontaslâbovyhkristallizatorovmnlzsposobomnaplavkitreniemsperemešivaniem AT grigorenkogm tehnologiâvosstanovitelʹnogoremontaslâbovyhkristallizatorovmnlzsposobomnaplavkitreniemsperemešivaniem AT zeleninvi tehnologiâvosstanovitelʹnogoremontaslâbovyhkristallizatorovmnlzsposobomnaplavkitreniemsperemešivaniem AT zeleninev tehnologiâvosstanovitelʹnogoremontaslâbovyhkristallizatorovmnlzsposobomnaplavkitreniemsperemešivaniem AT poleŝukma tehnologiâvosstanovitelʹnogoremontaslâbovyhkristallizatorovmnlzsposobomnaplavkitreniemsperemešivaniem |
| first_indexed |
2025-07-07T03:57:25Z |
| last_indexed |
2025-07-07T03:57:25Z |
| _version_ |
1836959028221050880 |
| fulltext |
УДК 669.187.004.18
ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО
РЕМОНТА СЛЯБОВЫХ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ МНЛЗ
СПОСОБОМ НАПЛАВКИ
ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ*
Ю.Н. Никитюк1, Г.М. Григоренко2, В.И. Зеленин2,
Е.В. Зеленин2, М.А. Полещук2
1ООО «Научно-производственная фирма «ВИСП».
04655. Киев, Московский пр-т, 23. E-mail: visp9@ukr.net
2Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины.
03680, г. Киев, ул. Боженко 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Приведены результаты разработки технологии ремонта медных плит кристаллизаторов МНЛЗ с применением для
этой цели способа наплавки трением с перемешиванием (НТП), позволяющего наносить на изношенные места
кристаллизаторов слой меди того же химического состава и теплопроводности, что и у материала плиты. Из-за
незначительного клинообразного износа на краях плит (до 3 мм) медные плиты кристаллизаторов МНЛЗ несколько
раз подвергаются перешлифовке по всей площади, при которой теряется значительное количество меди, плита
утоньшается, приходит в негодность. Кроме того, при таком ремонте дополнительно расходуются большие материаль-
ные и человеческие ресурсы. Новая технология ремонта способом НТП открывает новые перспективы. Способ НТП,
изобретенный в Британском институте сварки 20 лет назад, в настоящее время приобретает все большее распрост-
ранение. Наплавку выполняют торцом вращающегося инструмента с выступающим штырем (пином), который,
проникая сквозь наплавляемый (присадочный) металл, при перемещении смешивает наплавляемый металл с ме-
таллом плиты. При НТП вращающийся цилиндрический инструмент, вдавливаясь и нагреваясь при трении, проходит
вдоль наплавляемой пластины, вставленной в место износа, внедряется в плиту кристаллизатора и, частично их
смешивая, образует на границе прочное соединение. Материал инструмента для наплавки должен быть жаростойким
и жаропрочным, что позволяет работать при температуре до 900 °С, при которой медь переходит в пластичное
состояние. Основным фактором, влияющим на работоспособность медной плиты, является ее теплопроводность,
которая напрямую зависит от химического состава металла, и прежде всего от растворенного в ней кислорода,
который по границам зерен изменяет электрическое сопротивление. Показано, что теплопроводность промышленного
образца кристаллизатора МНЛЗ при ремонте способом НТП не изменяется, что является одним из важнейших
условий для дальнейшей эксплуатации. Результаты микрорентгеноспектрального анализа наплавленного слоя и
основного металла также подтвердили их идентичность, обогащения кислородом не обнаружено. Металло-
графические исследования показали, что наплавленный металл плотный, трещины, непровары и поры отсутствуют.
Наплавленный на плиту МНЛЗ слой меди достаточной толщины имеет сплавление с основой, что позволяет рас-
сматривать отремонтированные плиты как равноценные новым. Согласно новой технологии значительно уменьша-
ется площадь поверхности плиты, нуждающейся в шлифовке при ремонте. Библиогр. 5, ил. 7.
Ключ е вы е с л о в а : наплавка; трение с перемешиванием; ремонт; медная плита; восстановление;
кристаллизатор; инструмент; пин
Критерием эффективности работы кристаллизато-
ров МНЛЗ является срок службы охлаждаемых
медных плит, формирующих прямоугольную по-
лость, в которой происходит затвердевание металла
заготовки.
На металлургических заводах применяются пре-
имущественно медные плиты из меди марки МСр
(содержание серебра 0,08...0,12 %) с просверлен-
ными каналами и петлевой системой охлаждения,
© Ю.Н. НИКИТЮК, Г.М. ГРИГОРЕНКО, В.И. ЗЕЛЕНИН, Е.В. ЗЕЛЕНИН, М.А. ПОЛЕЩУК, 2013
*В исследованиях принимали участие сотрудники отдела «Физико-химические исследования материалов» кандидаты технических
наук Л.И. Адеева, А.Ю. Туник.
51
стойкость которых зачастую не превышает 80...100
плавок [1].
За рубежом в последние годы интенсивно внед-
ряются плиты с покрытием из никеля и других ма-
териалов. Значительных успехов здесь достигла
японская фирма «Mashima Kosan» [2], поставляю-
щая плиты со щелевыми каналами охлаждения с
никелевым и никель-кобальтовым покрытием. Хотя
стоимость таких плит увеличилась в несколько раз,
по сравнению со стоимостью медных плит без пок-
рытий, в то же время резко сократились потери
меди, а также расходы на переналадку кристаллиза-
торов, стойкость которых достигла 1000 плавок.
Определенных результатов добились фирмы,
применяющие керамические покрытия на медных
плитах кристаллизаторов [3]. Например, покрытие
CASTCOAT английской фирмы «Corus Process En-
gineering» значительно увеличило срок их службы.
В СНГ на ОАО «Северсталь» с 2003 г. ведутся
работы по использованию слябовых кристаллиза-
торов, в том числе с никелевым покрытием, со ще-
левыми охлаждающими каналами [1]. Они имеют
ряд преимуществ перед кристаллизаторами с про-
сверленными каналами.
Однако несмотря на значительные успехи в про-
длении срока службы медных плит с покрытием
вопросы их ремонта остаются актуальными и в на-
стоящее время.
Одним из основных направлений в металлургии
является создание технологий, позволяющих про-
изводить ремонт медных кристаллизаторов и при-
меняемых на них покрытий. К одной из них можно
отнести технологию наплавки меди при помощи тре-
ния с перемешиванием (НТП) [4].
Способ НТП практически не отличается от свар-
ки трением с перемешиванием, где вращающийся
цилиндрический инструмент особой конструкции с
заплечниками и штырем в центре погружается до
линии раздела двух свариваемых деталей, при этом
выделяется такое количество тепла, которого доста-
точно для пластификации и перемешивания мате-
риала свариваемых деталей с образованием качест-
венного сварного соединения.
В процессе НТП цилиндрический инструмент
проходит сквозь наплавляемую пластину, внедря-
ется в плиту кристаллизатора, и частично их смеши-
вая, образует на границе прочное соединение.
Настоящая работа состояла в разработке техно-
логических приемов ремонта способом НТП медных
плит с дефектами.
При обследовании плит МНЛЗ ОАО «Север-
стали» в работе [1] выяснено, что часто встреча-
ющимися дефектами, из-за которых кристаллиза-
торы выводятся из эксплуатации, является износ
боковин нижней части охлаждаемых плит глубиной
свыше 2,7 мм. На рис. 1 просматриваются клинооб-
разные зоны износа в нижней части плиты.
На рис. 2 приведена схема распределения износа
на рабочей поверхности узких стенок кристаллиза-
Рис. 1. Медная плита кристаллизатора МНЛЗ после эксплуа-
тации
Рис. 3. Рабочий инструмент для НТП
Рис. 2. Распределение износа на рабочей поверхности узких сте-
нок кристаллизатора: а – опытного, с покрытием никелем; б –
типового, без покрытия
52
торов [1]. Каждая линия здесь показывает увеличе-
ние износа на 0,5 мм. Наличие таких дефектов де-
лает недопустимым дальнейшую эксплуатацию
плит и требует замены. Подобные дефекты харак-
терны и для других МНЛЗ.
Наплавку выполняют торцом вращающегося ин-
струмента (рис. 3), имеющего выступающий
штырь, который, проникая сквозь наплавляемый
(присадочный) металл при перемещении, смешива-
ет наплавляемый металл с металлом плиты [4].
При НТП достигают высокого качества сварки.
В процессе деформации и перемешивания металла
в твердой фазе создается более плотная микрост-
руктура металла зоны соединения, по сравнению с
основным материалом.
Сам инструмент, особенно его рабочий стер-
жень, подвергается высоким термомеханическим
нагрузкам. На разогретый рабочий стержень однов-
ременно действуют вращающий момент и знакопе-
ременные циклические изгибающие силы.
Материал инструмента для наплавки подбирали
жаростойким и жаропрочным, что позволило рабо-
тать при температуре до 900 °С, при которой медь
переходит в пластичное состояние. Важным услови-
ем для инструментального материала при этих тем-
пературах является достаточно высокая прочность
на изгиб.
Особое значение имеет и форма инструмента.
Так, наилучшие результаты получены при исполь-
зовании конусного штыря инструмента. В этом слу-
чае изгибающие нагрузки передаются по касатель-
ной на основное тело инструмента, что очень важно
при использовании инструмента повышенной хруп-
кости [4].
Ремонт дефектов производили следующим обра-
зом. На ремонтируемый участок медной плиты,
предварительно отфрезерованный до определенно-
го уровня, накладывали медную пластину требуе-
мого состава и формы, надежно закрепляли ее с
помощью струбцин. Затем вращающийся цилинд-
рический инструмент с выступающим штырем
(рис. 3) внедряли в пластину для перемешивания
наплавляемого металла с металлом плиты.
Рабочие инструменты для наплавки меди изго-
товляли из сплавов, позволяющих использовать их
до 900 °С.
Подбирали требуемые режимы оборотов шпин-
деля и давление на инструмент, а также скорость
перемещения инструмента для получения качест-
венного соединения.
Для наплавки на медную плиту кристаллизатора
листа меди толщиной от 3 до 5 мм достаточной ока-
залась боковая нагрузка до 2 т при осевой нагрузке
до 5 т и оборотах инструмента до 1200 об/мин. Ско-
рость перемещения инструмента составляла
80 мм/мин, температура наплавки меди не превы-
шала 660 °С.
Основным фактором, влияющим на работоспо-
собность медной плиты, а также требованием к на-
плавленному слою является его теплопроводность,
напрямую зависящая от химического состава метал-
ла и прежде всего от растворенного кислорода, ко-
торый, образуя оксиды меди по границам зерен,
изменяет электрическое сопротивление [5]. В связи
Рис. 4. Структура соединения, полученного при НТП медных пластин: а – общий вид; б – основной металл; в – наплавленный
металл; г – ядро соединения; д – зона термомеханического влияния (ЗТМВ); а – ×3; б—д – ×100; обозначение I—V см. в тексте
53
со сложностью определения теплопроводности на
промышленном образце плиты применяли косвенный
способ – через измерение электропроводности.
Согласно закону Видемана—Франца—Лоренца
для металлов имеет место соотношение κ/δ = LT,
где κ – коэффициент теплопроводности; δ –
удельная электрическая проводимость; L – число
Лоренца; T – температура. Поскольку для наплав-
ки использовали медь той же марки (химического
состава), что и для изготовления основной плиты,
а замеры электрического сопротивления при по-
стоянной температуре наплавленного слоя и основ-
ного металла дали равные показания S ≈ 1,62(0...
...6) Ом⋅см, можно сделать вывод об одинаковой
теплопроводности наплавленного и основного ме-
таллов.
Можно предположить, что теплопроводность
промышленного образца кристаллизатора МНЛЗ
при ремонте способом НТП не изменяется, что явля-
ется одним из важнейших условий для дальнейшей
эксплуатации.
Результаты микрорентгеноспектрального ана-
лиза наплавленного слоя и основного металла также
подтвердили их идентичность, обогащения кисло-
родом не обнаружено. Металлографические иссле-
дования показали, что наплавленный металл плот-
ный, трещины, непровары и поры отсутствуют
(рис. 4).
В соединении обнаружены зоны, представлен-
ные на рис. 4. Основной металл (зона I) показан
на рис. 4, б. Структура наплавленного металла (зо-
на II) представляла собой равноосные зерна разме-
ром 15...120 мкм с редкими двойниками (рис. 4, в).
Замеры микротвердости основного и наплавленного
металла установили ее идентичность. Микротвер-
дость составляла соответственно 900 и 1000 МПа.
Структура центра соединения представляет со-
бой ядро диаметром примерно 9 мм (зона III) с
характерными концентрическими деформационны-
ми кольцами округлой формы (рис. 4, в). В этой
зоне происходит динамическая рекристаллизация
перемешиваемых металлов. Она состоит из равно-
осных зерен размером 5...30 мкм, твердость металла
этой зоны достигает 1000 МПа.
Вокруг ядра расположены зоны термического
IV и термомеханического влияния V. В зоне IV
произошла полная перекристаллизация с образо-
ванием зерна такого же размера, как и в ядре. Пре-
обладающая протяженность этих зон равняется со-
ответственно 300...350 и 400 мкм (рис. 4, д). Мик-
ротвердость металла ЗТВ и ЗТМВ составляет соот-
ветственно 1000 и 900 МПа. Ряд подобных парал-
лельных структур, сливаясь, образуют сплошную
наплавленную поверхность без дефектов.
На рис. 5 представлен образец плиты в собран-
ном виде с закрепленным на изношенной части мед-
ным листом 3 мм.
На рис. 6 приводится процесс наплавки образца
плиты. Ввод инструмента происходит на неизно-
шенной части плиты, а вывод – за ее пределами
на специальный носок, который затем обрезают.
На рис. 7 показан внешний вид наплавленной
шлифованной медной плиты.
Медная плита после шлифовки равноценна но-
вой, следовательно, можно сделать вывод о перс-
пективах дальнейшей разработки и применения
способа НТП при ремонте медных плит кристалли-
заторов.
Рис. 5. Образец плиты в собранном виде перед наплавкой мед-
ным листом 3 мм
Рис. 7. Внешний вид наплавленной шлифованной медной плиты
Рис. 6. Процесс наплавки образца плиты
54
1. Радиальный слябовый кристаллизатор со щелевыми кана-
лами и никелевым покрытием стенок / А.А. Макрушин,
А.В. Куклев, Ю.М. Айзин и др. // Металлург. – М:
Металлургиздат, 2005. – С. 38—41.
2. Масато Т. Кристаллизаторы установок непрерывной раз-
ливки стали от «Mashima Kosan». Электроплакирование и
термическое напыление: Междунар. науч.-практ. семи-
нар. – Екатеринбург, 2009. – С. 1—19.
3. Improvement in continuous casting mold technology the
first fully ceramic – coated molds / K. Goode, D. Pres-
haw, B. Stalker et al. // Iron & Steel Technology. –
7, № 2. – C. 74—76.
4. Упрочнение наплавкой трением с перемешиванием нике-
лем медных стенок кристаллизаторов машин непрерывно-
го литья заготовок / Г.М. Григоренко, В.И. Зеленин,
П.М. Кавуненко, М.А. Полещук и др // Зб. наук. ст. за
результатами, отриманими в 2010—2012 рр. цільової комп-
лексної програми НАН України «Проблеми ресурсу і без-
пеки експлуатації конструкцій, споруд та машин» –
Киев: ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України, 2012. –
С. 369—372.
5. Абрамович В.Р. Сварка плавлением меди и сплавов на
медной основе. – М.: Машиностроение, 1988 с.
Presented are the results of development of technology of repair of copper plates of moulds of machines for continuous
casting of billets (MCCB) using the method of friction stir surfacing (FSS), allowing deposition of copper coatings on
the worn-out places of moulds with a copper layer of the same chemical composition and heat conductivity as the plate
material. Due to a negligible wedge-type wear at the plate edges (up to 3 mm), the copper plates of MCCB moulds are
subjected several times to regrinding over the entire area, where the a large amount of copper is lost, the plate is thinned,
becoming unserviceable. In addition, at this repair the large material and human resources are consumed additionally.
The new technology by the FSS method gives new challenges. Method of FSS, invented at The Welding Institute (UK)
20 years ago, has at present the more and more wide spreading. The surfacing is made by an edge of a rotating tool with
a projected pin, which penetrating into depositing (filler) metal mixes the metal being surfaced with the plate metal.
During FSS the rotary cylindrical tool, penetrating and heated in friction, passes along the plate being surfaced, inserted
into the place of wear, then comes into the mould plate and, by their partial mixing, forms a strong joint at the interface.
The tool material for surfacing should be heat-resistant and high-temperature, that allows operating at temperature up
to 900 °C, at which copper is transformed into plastic state. The main factor, influencing the performance of the copper
plate, is its heat conductivity, which depends directly on the chemical composition of metal, and, first of all, on oxygen,
dissolved in it, which changes the electric resistance along the grain boundaries. It was shown that the heat conductivity
of an industrial model of MCCB mould in repair by FSS method is not changed, that is one of the most important
conditions for their further service. Results of X-ray microanalysis of the deposited layer and base metal confirmed also
their identity, the oxygen enrichment was not observed. Metallographic examinations showed that the deposited metal
is dense, there are no cracks, lacks of penetration and pores. The layer of copper of sufficient thickness, deposited on
the MCCB plate, has an adhesion with a base thus allowing evaluation of repaired plates as similar to the new ones.
According to the new technology the area of plate surface, requiring grinding in repair, is greatly decreased. Ref. 5,
Figs. 5.
K e y w o r d s : surfacing; friction stir; repair; copper plate; restoration; mould; tool; pin
Поступила 19.06.13
55
|