Спецэлектрометаллургия сталей и сплавов

 

Установки ЭШП по схеме  питания их электрическим током  реализуются по многим вариантам; используемый ток может быть постоянным или переменным. Большинство установок ЭШП работает на переменном токе промышленной частоты (50 Гц), что позволяет значительно упростить конструкцию установки и получить металл более высокого качества за счет более высокой степени рафинирования по сере, кислороду и неметаллическим включениям.

Установки ЭШП могут  быть однофазными с одним расплавляемым  электродом (рис.14 а), и многофазными, в которых плавятся три или более электрода (рис.14 б, в). При этом переплав можно проводить как в одном (рис.14 б), так и в нескольких кристаллизаторах (рис.14 в). Однофазные установки делятся по принципу их подключения к трансформатору на монофилярные (см.рис.14 а), где ток проходит по электроду и поддону и бифилярные (рис.15), в которых ток идет последовательно по электродам.

 

Рис.14. Схемы установок ЭШП на переменном токе:

а - однофазная, с одним сплавляемым электродом;

б - трехфазная, с тремя электродами, сплавляемыми в одном кристаллизаторе;

 в  -  трехфазная, с тремя электродами, сплавляемыми  в трех кристаллизаторах.

 

 

Однофазные установки ЭШП переменного тока с одним электродом, включенные по монофилярной схеме электрод-поддон, получили наибольшее распространение из-за  простоты и  надежности, высокого качества и хорошей поверхности слитков. Вместе с тем, такие установки имеют и существенный недостаток, т.к. по мере увеличения тока плавки при росте массы наплавляемого слитка возрастают индуктивные потери, падает коэффициент мощности. Принимаемые в этом случае меры по снижению индуктивности (максимальное приближение трансформатора к электроду, установка батареи статических конденсаторов и др.)  недостаточно эффективны.

Кардинальное решение проблемы повышения коэффициента мощности крупных установок ЭШП, работающих на переменном токе, было найдено в переходе от монофилярной к бифилярной схеме питания электрод-электрод (рис.15). Бифилярная схема питания предусматривает параллельное расположение проводников тока на всем пути от трансформатора к шлаковой ванне, что дает возможность добиться максимальной компенсации электромагнитных полей и, следовательно, максимально снизить индуктивные потери и повысить коэффициент мощности, поэтому на крупных установках ЭШП преимущественно используется бифилярная схема подвода тока.

 

 

 

Рис.15. Схема установки ЭШП с бифилярным подводом тока: I -транс-форматор; 2 - шинопроводы; 3 - гибкие кабели; 4 - изоляция; 5 – электродо-держатель; 6 - электроды; 7 – кристалли-затор; 8 -шлаковая ванна; 9 – метали-ческая ванна; 10 -поддон.

 

 

 

 

4. ФЛЮСЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА

Флюс (шлак) является неотъемлемой составляющей любого процесса ЭШП. Результативность и эффективность процесса ЭШП во многом зависит от свойств применяемых флюсов, которые прежде всего определяются их составом.

В процессе ЭШП шлак выполняет несколько функцией.

I. Энергопреобразующая функция определяется тем, что шлак является участком электрической цепи с высоким омическим сопротивлением. Именно на этом участке происходит преобразование электрической энергии в тепловую.

2.Теплопередающая функция. Эффективность процесса ЭШП тем выше, чем полнее и интенсивнее шлак передает тепло электроду и металлической ванне.

3. Рафинирующая функция. Расплавленный шлак должен обеспечить удаление из переплавляемого металла вредных примесей (сера, кислород), и неметаллических включений.
4. Защитная функция. Шлак должен обеспечит защиту переплавляемого металла от взаимодействия с окружающей атмосферой.
5. Обеспечение хорошей поверхности слитка. Затвердевание наплавляемого слитка происходит в шлаковой оболочке (гарнисаж), которая образуется на водоохлаждаемых стенках кристаллизатора. Именно свойства гарнисажа во многом определяют качество поверхности получаемого слитка,  особенно, когда реализуется схема ЭШП с подвижным кристаллизатором.

Для выполнения указанных  функций шлак должен отвечать ряду требований:

-  иметь температуру  плавления ниже, чем переплавляемый металл,

• обеспечивать легкое начало ЭШП и высокую стабильность процесса,
• давать возможность поддержания умеренных скоростей наплавления слитка, чтобы обеспечить направленную кристаллизацию слитка и небольшую глубину ванны жидкого металла,
• минимизировать расход электроэнергии,

- сохранять неизменность состава при хранении и в процессе ЭШП. 
Для обеспечения эффективной очистки металла от примесей шлак должен:

• иметь минимальную окислительную способность,
• иметь высокую десульфурирующюю способность,
• хорошо очищать металл от неметаллических включений,

- надёжно предохранять жидкий металл от окружающей атмосферы.

Кроме того, компоненты шлака должны быть дешевыми и недефицитными.

Разнообразные требования, предъявляемые к шлакам ЭШП, в ряде случаев оказываются противоречивыми, и при выборе состава шлака часто приходится принимать компромиссные решения.

В наибольшей степени отвечают указанным выше требованиям шлаки на основе фтористого кальция , Фторидные шлаки свободны от кислорода, имеют сравнительно низкую температуру плавления. Вследствие относительно низкого электрического сопротивления процесс идет при умеренных температурах. Существенными недостатками следует считать его экологическую (биологическую) токсичность при достаточно высокой стоимости.

В настоящее время разработан большой сортамент флюсов для ЭШП на основе фторидно-оксидных систем.

Химический состав различных флюсов, применяемых при ЭШП, приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Флюсы для ЭШП

Химический состав, %

 

Флюсы
АНФ-5	80	-	-	-	-	-	-	20
АНФ-6	70	30	-	-	-	-	-	-
АНФ-7	80	-	20	-	-	-	-	-
АНФ-8	60	20	20	-	-	-	-	-
АНФ-9	80	-	-	20	-	-	-	-
АНФ-19	80	-	-	-	-	-	20	-
АНФ-20	80	-	-	-	20	-	-	-
АНФ-21	50	25	-	-	-	25	-	-
АН- 29	-	55	45	-	-	-	-	-
АН- 291	18	40	25	17	-	-	-	-
АН-292	-	60	35	5	-	-	-	-

Для всех шлаков, применяемых при ЭШП содержание и  не должно превышать 0,3 %, содержание серы 0,05 %, а углерода в шлаке АНФ-21 для переплава низкоуглеродистых сталей и сплавов - не более  0,02 %.

Как следует из табл.2,по химическому составу флюсы для ЭШП можно разделить на три группы:

1. Только из фторидных соединений (АНФ-5)

2. Из фторидов и оксидов (АНФ-6, АНФ-7, АНФ-8 и др.)

3. Только из оксидов (АН-29, АН-292).

Наибольшее практическое применение получили шлаки на основе фторидов и оксидов.

Рассмотрим некоторые    важные характеристики и систем на основе фторидов и оксидов. Чистый плавится при температуре 1418 °С. Природным соединением является плавиковый шпат (флюорит). Промышленный плавиковый шпат, содержащий менее 0,5 % примесей, плавится при 1380 °С. Чистый обладает высокой электропроводностью ( 5,5         при 1650 °С), что затрудняет нагрев шлаковой ванны до высокой температуры и снижает производительность установок .

Добавка к  оксидов, таких как и , существенно изменяет физические свойства расплавленного .

На рис.16 показаны диаграммы   плавкости двухкомпонентных систем - и - , на основе которых созданы шлаки АНФ-6 и АНФ-7.

Добавка до получения эвтектического состава снижает температуру плавления шлака, однако дальнейшее увеличение содержания    приводит к существенному росту температуры плавления.

Добавка к  до 20 % несколько понижает температуру плавления шлака; более значительные добавки увеличивают температуру его плавления.

Тройная система  - - имеет довольно широкую область составов шлаков с температурой плавления ниже 1450 °С.

Удельная электропроводность расплавленных шлаков   ЭШП  зависит от их состава и температуры. С ростом температуры удельная электропроводность расплавленных шлаков увеличивается, т.к. при повышении температуры увеличивается степень диссоциации молекул на простые ионы, т.е. растет число переносчиков электрического тока. Для большинства расплавленных шлаков зависимость  от температуры выражается формулой: 

 

                                              

где - удельная электропроводность расплавленного шлака,

     - энергия активации электропроводности, Дж/моль.

Рис.16. Диаграммы состояния: а - система - ; б - система -  

 

Коэффициент А и энергия  активации     зависят от состава шлака. На рис.17 показана зависимость электропроводности некоторых флюсов ЭШП от температуры. Как следует из рис.17, электропроводность определяется составом шлака. При выборе химического состава шлака для ЭШП руководствуются различными соображениями,  связанными с металлургическими, энергетическими и другими особенностями процесса. Количество основных компонентов в шлаках для ЭШП изменяется от 1 (чистый )  до 4 - 5 (табл.2).

В действительности в  составе шлаков ЭШП присутствуют также оксиды или другие соединения, которые попадают с шихтовыми материалами  из переплавляемого металла или образуются в результате химических реакций.

Электропроводность шлаков ЭШП при температурах от 1600 до 1900 °С изменяется от 0,1 до 10 . Она увеличивается при добавке фторидов, а также оксидов щелочных металлов, но уменьшается при вводе оксидов, образующих сложные, малоподвижные анионы ( , и др.)

Рис.17.  Зависимость электропроводности флюсов ЭШП от температуры.

Флюсы:1 –АНФ-6 ; 2-АН-29- ; 3 - АН-292.

 

Вязкость жидкого шлака в процессе ЭШП оказывает влияние на циркуляцию шлака, теплопередачу от разогретых объемов шлака к плавящемуся электроду и наплавляемому слитку, определяет скорость движения капель металла, стекающих с торца плавящегося электрода и время пребывания этих капель в жидком шлаке.

Низкая вязкость шлака  способствует сильному перемешиванию,  создаваемому, главным образом, электромагнитными силами, возникающими при прохождении тока большой силы через электропроводящий шлак.

Вязкость шлака зависит  от температуры,  величины перегрева  шлака над температурой ликвидуса и от химического состава шлака. Характер изменения вязкости жидкого шлака от температуры определяется зависимостью:

 

где        - коэффициент динамической вязкости, Па. с.;

       - коэффициент,  зависящий от состава шлака;

 - энергия активации вязкого течения для шлака данного состава, Дж/моль;

      - газовая постоянная, Дж/(град. моль);

По характеру изменения  вязкости с температурой различают "длинные" и "короткие" шлаки.

 

«Длинные шлаки» характеризуются небольшим ее изменением при значительном увеличении температуры; «короткие» - значительным изменением вязкости при незначительном изменении температуры.

Шлаки ЭШП можно условно разделить на 3 группы: