Печи электрошлакового переплава

Технологический процесс переплава.

Развитие за последние 25–30 лет авиации, ракетной, космической и других областей техники потребовало новых, более прочных материалов, дающих возможность создания легких и долговечных конструкций. Основными материалами остались стали, но качество их существенно повысилось. Оказалось, что можно значительно улучшить прочностные свойства сталей, их вязкость, пластичность, сопротивляемость переменным нагрузкам и истиранию, если очистить их от мелких загрязнений, примесей, неметаллических включений и растворенных в них газов (азота, водорода, кислорода). При этом оказалось возможным существенно улучшить такие сорта стали, как шарикоподшипниковые, пружинные, жароупорные (лопатки турбин реактивных двигателей). Например, в результате очистки от примесей и растворенных газов шарикоподшипниковой стали удалось увеличить ресурс (срок службы) шарикоподшипников в полтора-два раза.

Лучшие сорта стали получают в ДСП, в которых путем специального рафинирования удается удалить из металла в шлак вредные растворенные в металлической ванне примеси, такие, как сера, фосфор, окислы железа, углерод. Однако ряд неметаллических примесей и растворенных в металле газов удалить полностью в процессе рафинирования стали в ДСП не удается. Для того чтобы добиться особой чистоты стали, нужно еще раз (а иногда и два раза) ее переплавить и провести рафинирование в новых условиях, в корне отличных от условий, в которых проводится рафинирование стали в ДСП. Несмотря на то, что это дорого, такой процесс вторичного переплава стали себя оправдывает.

Для того чтобы таким образом очистить сталь, нужно, во-первых, найти такой шлакообразующий материал, который интенсивно отбирал бы из металла как неметаллические включения, так и газы; во-вторых, обеспечить более интенсивное и более тесное взаимодействие между жидкой сталью и шлаком; в-третьих, защищать расплавленный металл от соприкосновения с воздухом и футеровкой печи – источниками насыщения металла газами и неметаллическими включениями.

Процесс, который позволил осуществить все указанные требования, назван электрошлаковым переплавом (ЭШП).

Осуществляется он следующим образом (рис. 2.85.). Из полученной в ДСП стали отливают, прокатывают или проковывают круглые расходуемые электроды примерно половинного сечения по сравнению с желаемыми размерами слитка и длиной 6–8 м. Конец такого электрода 1 опускают в металлическую (обычно медную) охлаждаемую водой трубу – кристаллизатор 2. Последний нижним концом устанавливают на поддон 7, также медный и водоохлаждаемый. На поддон, находящийся на тележке, предварительно укладывают затравку (темплет) 6, выполненную из той же стали, которую хотят получить. Конец электрода устанавливают на

затравку, а пространство между ним и стенкой кристаллизатора заливают жидким (расплавленным) фтористым шлаком 3 марок АН-6 или АН-7, состоящим из 65–80 % фтористого кальция и 35–20 % глинозема Al2O3. Затем слегка приподнимают электрод, к нему и поддону прикладывают напряжение 45–60 В промышленной частоты. Ток растекается от конца электрода по шлаку (жидкий шлак электропроводен) к стенкам кристаллизатора и к поддону. Шлак разогревается до 1700 °С под действием протекающего через него тока; конец электрода разогревается от шлака и начинает

расплавляться, каплями через шлак, стекая на

Рис. 2.85. Принцип действия установки электрошлакового переплава

поддон. В результате конец электрода принимает форму конуса, а на дне кристаллизатора образуется жидкометаллическая ванна. Но так как поддон и кристаллизатор медные и охлаждаются

водой, то, соприкасаясь с ними, жидкая сталь сразу же застывает, образуя слиток 5, на верхней части которого за счет постоянно притекающего сверху от электрода перегретого металла и образуется жидкометаллическая ванна 4, имеющая сфероконичесную форму. Постепенно расходуемый электрод плавится все больше, а слиток растет в кристаллизаторе, и верхняя поверхность его поднимается вместе с жидкометаллической ванной. В конце плавки, когда расходуемый электрод расплавится (кроме огарка, зажатого в электрододержателе), слиток заполняет кристаллизатор. Печь отключают, кристаллизатор откатывают на тележке в сторону и разгружают: кристаллизатор снимают со слитка вверх (для облегчения съема он выполняется слегка конусным). Из электрододержателя извлекают огарок и вставляют новый расходуемый электрод. Затем под электрод подкатывают второй кристаллизатор, и начинается новая плавка. Таким образом, процесс ЭШП является периодическим, а установка ЭШП – печью периодического действия.

Падающий с конца электрода каплями перегретый металл проходит до попадания в ванну через слой шлака. Поверхность капель намного больше поверхности ванны, поэтому рафинирующее действие шлака более интенсивно, чем в ДСП. Шлак защищает жидкий металл от соприкосновения с воздухом, а соприкосновение его с холодными стенками кристаллизатора также не способствует его загрязнению. Поэтому металл, полученный ЭШП, намного чище по сравнению с металлом, полученным в ДСП.

Устройство установок ЭШП (рис. 2.86).

Установка ЭШП состоит из неподвижной стойки 5, по которой вверх и вниз может перемещаться на роликах каретка 4, несущая электрододержатель с зажатым в нем электродом 3. Кристаллизатор 2 с поддоном 1 установлен на тележке на рельсах и может выкатываться из-под электрода.

Питание установки осуществляется от понижающего трансформатора 7 с большим числом мелких ступеней напряжения для регулирования скорости расплавления и компенсации изменения сопротивления контура, вызванного изменением

Рис. 2.86. Схема установки ЭШП

длины, а следовательно, и сопротивления электрода по мере его

расплавления. Токоподвод 6 от трансформатора к электроду имеет гибкую часть; его обратный провод имеет ножевой контакт 8 у поддона. Как видно, прямой и обратный провода образуют большую петлю, поэтому индуктивность токоподвода велика.

Печи ЭШП выполняются на слитки в 1–5 т и более (до 100 т; проектируются печи на слиток на 150 и до 250 т). Мощность печей достигает (для слитка массой 40 т) 3000 кВ⋅А, а так как напряжение невелико и печь однофазная, токи достигают 75 000 А и более. Поэтому из-за большой индуктивности токоподвода коэффициент мощности установки составляет всего 0,8–0,7, снижаясь до 0,6 у печи на слиток 40 т.

Так как тепловые потери в кристаллизаторе велики, КПД установок низок, а удельный расход энергии достигает −0 0 010021тВкч/т.

Для улучшения параметров и эксплуатационных характеристик печей ЭПШ делались попытки их перевода на питание постоянным током, однако они не дали положительных результатов, так как качество слитков при этом снизилось.

Попытки разработки трехфазной печи с тремя расположенными в линию кристаллизаторами также не имели успеха из-за большого переноса мощности и очень значительного расхождения в скорости плавления в «мертвой» и «дикой» фазах. Лучше работает трехфазная печь с одним кристаллизатором и тремя расположенными по треугольнику электродами.

В настоящее время используют два метода снижения индуктивности контура печи. Первый состоит в применении бифилярного токоподвода у печей с двумя электродами и прямоугольным кристаллизатором для выплавки плоских слитков; в этом случае прямой и обратный провода могут располагаться рядом и индуктивность токоподвода резко уменьшается; коэффициент мощности растет до 0,9–0,95. Второй способ – питание печей ЭШП током низкой частоты (2–10 Гц) от преобразователя частоты.

Электрический режим печей ЭШП сравнительно спокойный: дуга отсутствует, колебания тока невелики. Качество слитка получается хорошим, если скорость плавления постоянна. Для этой цели на печах устанавливается система автоматического регулирования, стабилизирующая ток ванны, в то время как напряжение на ней меняется по программе за счет переключения ступеней напряжения питающего трансформатора. Благодаря этому в начале плавки мощность печи поднимается постепенно (прогрев электрода), а в конце плавки также постепенно снижается. Последнее необходимо для вывода лунки и уменьшения усадочной раковины в верхней части слитка. Во время плавки перемещение электродов происходит с постоянной скоростью для обеспечения постоянства скорости наплавления слитка.

Несмотря на дороговизну (низкий КПД, высокий удельный расход энергии), ЭШП себя оправдывает в ряде случаев из-за высокого качества металла и возможности получения очень плотных крупных слитков.

Дата добавления: 2014-10-22