Спецэлектрометаллургия сталей и сплавов

За счет меньшей растворимости водорода в твердом металле по сравнению с жидким, в процессе направленной кристаллизации слитка ЭШП происходит частичное удаление водорода, однако составляющееся, при благоприятных обстоятельствах, 20-30 %. Для уменьшения содержания водорода в слитке ЭШП выполяется следующие мероприятия:

- тщательная подготовка флюса; его нужно хорошо прокаливать, еще лучше - плавить с продувкой кислородом или аргоном (т.е.желательно вести процесс на жидком старте с минимальным содержанием водорода в шлаке);

- защита поверхности шлака в кристаллизаторе от контакта с воздухом;

- для получения особо низкого содержания водорода в слитке ЭШП необходимо применять электроды из вакуумированного металла;

- применение вместо свежего флюса отработанного шлака, в котором содержание водорода ниже.

 

5.5. Поведение неметаллических включений при ЭШП

 

Неметаллические включения (НВ) в переплавляемом металле представлены в основном оксидами,  сульфидами, частично оксисульфидными НВ. При прокатке, в зависимости от степени пластичности НВ, они или сохраняют форму,  являясь концентраторами напряжений (кристаллические) или вытягиваются вдоль направления прокатки. Наличие таких НВ значительно ухудшают механические свойства металла, особенно его пластические характеристики.

Оценку загрязненности металла НВ обычно производят в баллах, наименьшая загрязненность соответствует баллу 1, наибольшая - 5.

В слитке ЭШП содержание  НВ в 2-3 раза меньше, чем в переплавляемом электроде, причем удаляются практически все крупные НВ от второго до пятого балла, а остающиеся в незначительном количестве представлены мелкими и равномерно распределенными включениями средним баллам меньше единицы. Указанные закономерность характерна как для оксидных, так и для сульфидных НВ.

Таким образом, важнейшая характеристика электрошлакового металла состоит в низком содержании НВ, их мелкодисперсности и равномерном распределении.

По вопросу о механизме удаления оксидных НВ при ЭШП существуют различные точки зрения.

Согласно одной из них, в процессе оплавления торца электрода НВ частично переходят в шлак, а оставшиеся, перенесенные с каплями в жидкую ванну металла, могут всплывать в ней и присоединяться к шлаку. В соответствии с законом Стокса, скорость всплывания НВ определяется в основном их радиусом:

 

 

где       - вязкость жидкого металла;

  - плотность металла;

     - плотность НВ;

                - радиус НВ.

При прочих равных условиях, чем крупнее НВ, тем быстрее оно всплывает и ассимилируется  шлаком, причем зависимость скорости всплывания НВ от его радиуса - параболическая. Успевают всплыть и присоединиться к шлаку те НВ, скорость всплывания которых превышает скорость наплавления слитка.

Согласно современным воззрениям, в процессе ЭШП все НВ, которые были в электроде, разлагаются и растворяются в жидком металле. Например, оксиды кремния, алюминия и марганца могут диссоциировать в жидком металле по реакциям:

В результате изменяется содержание и активность кислорода в пленке жидкого металла на торце электрода. В каплях металла, стекающих с торца электрода и проходящих через слой шлака, содержание кислорода и количества НВ меняется уже незначительно, т.к. время контакта капель металла со шлаком в 10-20 раз меньше, чем время контакта со шлаком жидкой пленки металла на торце электрода. Затвердевание металлической ванны сопровождается значительным снижением температуры, образованием двухфазной зоны, ликвацией примесей и сдвигом равновесия реакций в сторону образования НВ. За счет взаимодействия растворенных элементов с кислородом в этих условиях происходит образование силикатов, корунда и др. оксидных НВ. Из-за быстрой кристаллизации и пониженного содержания кислорода количество НВ в затвердевшем металле меньше, они более мелкие и равномерно распределены в металле. В этом случае следует считать, что НВ в слитке ЭШП образуются при затвердевании металла в кристаллизаторе.

Изменения в составе НВ определяются:

• составом переплавляемой стали;
• способом ее раскисления при изготовлении электродов;
• типом применяемого шлака.

На этом принципе основан вариант технологии двойного переплава, когда при первом переплаве применяют флюс с высокой обессеривающей способностью, а при втором - флюс, хорошо удаляющий НВ (АНФ-6). Метод двойного ЭШП применяется для получения металла, из которого изготавливают детали особо ответственого назначения машин и механизмов, предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях.

 

 

 

6. ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА

Электрошлаковый переплав расходуемых электродов осуществляется с использованием специальной установки ЭШП,  схема которой приведена на рис.20, и состоящей из колонны,  по которой перемещаются две тележки - нижняя и верхняя, электрододержателя, кристаллизатора, поддона и тележки поддона. Нижняя тележка обеспечивает подъем и опускание кристаллизатора, а верхняя  предназначена для перемещения электрода.

Источником питания  электрошлаковых печей является, главным образом, переменный электрический ток промышленной частоты. На рис.21 приведены электрические схемы однофазной одноэлектродной (рис.21 а) и однофазной бифилярной (рис.20 б) электрошлаковых установок. Расположение электродов при бифилярной схеме ЭШП может быть различным.

Расплавленные металлургические шлаки (флюсы) являются проводниками электрического тока. При прохождении электрического тока через расплавленный шлак выделяется тепло, величина которого определяется законом Джоуля-Ленца:

где К - коэффициент, зависящий от выбора единиц; - величина тока, А ;                           - сопротивление шлака, Ом; -время прохождения тока.

При достаточном количестве и скорости выделения тепла жидкий шлак нагревается до температуры, превышающей температуру плавления материала электрода, и торец электрода, опущенный в шлак, оплавляется. Высокая температура шлака и развитая поверхность контакта между шлаком и расплавленным металлом, оказывают благоприятное влияние на реакции, которые идут на границе раздела шлак-металл.

 

 

Рис. 20. Схема установки ЭШП : I- механизм перемещения электрода, 2- привод механизма перемещения электрода, 3- электрододержатель, 4- колонна, 5- механизм перемещения кристаллизатора, б- привод механизма перемещения кристаллизатора, 7- расходуемый электрод, 8- кристаллизатор, 9- поддон, 10- тележка поддона.

 

 

 

 

 

 

Рис. 21. Принципиальные схемы установок процесса ЭШП а- однофазная одноэлектродная, б- однофазная бифилярная. I-расходуемый электрод, 2- водоохлаждаемый поддон и кристаллизатор, 3- затвердевшая часть слитка, 4- жидкая металлическая ванна, 5- расплавленный шлак.

 

При переплаве по однофазной одноэлектродной схеме электрический  ток от трансформатора подается по гибким тоководам на зажимы электрододержателя, а далее по электроду через шлаковую и металлургическую ванну на слиток и поддон. Во втором полупериоде направление тока меняется на обратное.

Однако, имеется и другой путь движения электрического тока (рис.22): с электрода через жидкий шлак и гарнисаж на стенку кристаллизатора и далее на поддон. Таким образом, в шлаковой ванне происходит разветвление тока. В сумме эти токи равны величине тока, идущего через электрод.

Соотношение между этими  токами определяется величинами сопротивлений по первому и второму пути. Обычно доля тока, идущего через шлак на металлическую ванну, составляет около 75% от общего тока. Проходя через слой гарнисажа, на границе твердый шлак-кристаллизатор, ток частично выпрямляется. В результате этого явления появляется составляющая постоянного тока, которая равна 8-15 % от общего тока.

В случае бифилярной схемы  подвода тока в печи ЭШП, схема  распределения тока в шлаковой ванне  имеет вид, показанный на рис.23. Основная часть тока проходит через шлак между электродами (путь I), другая замыкается через металлическую ванну (путь 2), т.е. идет через шлак на металлическую ванну, потом через металл и снова через шлак на другой электрод. Соотношение между токами, проходящими различным путём, зависит от расстояния.

 

 

Рис.22 Схема распределения тока в   шлаковой ванне одноэлектродной  печи ЭШП

 

 

 

 

 

 

Рис.23. Схема распределения тока в шлаковой ванне бифилярной печи ЭШП 

 

 

между электродами ( S   и    ), размеров электродов (  B   ), глубины шлаковой ванны ( H_ш), глубины погружения электродов Н_Э, глубины погружения в шлак неоплавленной части электродов ( h ), размеров слитка (А).

Изменение сопротивления  отдельных участков шлаковой ванны  в зависимости от различных факторов, а также интенсивный теплоотвод через ограничивающие шлаковую ванну поверхности, приводят к неравномерному тепловыделению по объему ванны. Наиболее нагретой (до 1900-2100 °С) оказывается область шлака под электродами (рис.24). Электрический режим плавки существенно влияет на положение зоны максимальных температур в шлаковой ванне и, соответственно, на скорость оплавления электрода и глубину металлической ванны. Так, при уменьшении расстояния между электродом и металлической ванной (так называемого "межэлектродного промежутка"), увеличивается ток переплава за счет уменьшения сопротивления слоя шлака между электродом и металлической ванной. Это вызывает увеличение плотности тока ниже торца электрода и увеличение в этом районе интенсивности тепловыделения.  Соответственно, растет скорость плавления электрода, глубина и объем жидкой металлической ванны.

Увеличение напряжения питающего тока требует для поддержания той же силы тока увеличения межэлектродного промежутка. При этом зона высоких температур перемещается к поверхности шлаковой ванны, увеличиваются тепловые потери излучением с поверхности шлаковой ванны и через стенки кристаллизатора.

Большое влияние на характер плавления электрода имеет скорость его подачи в шлаковую ванну (рис.25). При очень малой скорости подачи (рис.25 а)  торец электрода поддерживается почти плоским, капли оплавляющегося металла "блуждают" по торцу. В момент отрыва капель возникает дуговой разряд между электродом и шлаком.

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.24 Расположение зоны максимальных температур в шлаковой ванне одноэлектродной (а) и бифилярной (б) печи ЭШП

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 25. Влияние скорости подачи электрода на характер его  оплавление в шлаковой ванне.

 

Такой режим подачи электрода недопустим. При увеличении скорости подачи электрода (рис.25 б), на его торце формируется небольшой конус, который по мере увеличения скорости подачи электрода растет. При некоторой скорости подачи электрода ( на рис.25 б) диаметр основания конуса становится равным диаметру электрода, а угол у вершины конуса приближается к 90⁰    .

Такая скорость подачи электрода ( ) считается оптимальной. Чрезмерно высокой скорость подачи (рис.25 в) приводит к тому, что оплавляемая часть электрода приобретает форму вытянутого конуса, у которого высота больше диаметра, что приводит к уменьшению расстояние между электродом и ванной. При слишком большой скорости подачи электрод может соприкасается с ванной, вызывая короткое замыкание и вмораживание электрода в металлическую ванну.

Таким образом, область  рациональной скорости подачи электрода определена  некоторвми граничными значениями.

Характер оплавления электрода зависит также от соотношения  диаметра электрода и слитка, (рис.26) Эти связано с распределением тока в шлаковой ванне и определяется соотношением сопротивлений прохождению тока на участках: расходуемый электрод - металлическая ванна и расходуемый электрод - стенка кристаллизатора ( рис.22). Все факторы, способствующие увеличению отношения повышают величины тока, идущего на стенку кристаллизатора.

Это происходит в результате:

-увеличения напряжения при неизменном токе (увеличивается межэлектродный промежуток);

-увеличения диаметра электрода при данном диаметре кристаллизатора (уменьшается зазор между электродом и кристаллизатором);   

 

 

 

 

 

 

 

                                                        а

 

 

 

 

 

 

 

б

 

Рис.26. Влияние глубины шлаковой ванны на погружение в неё электрода при малых (а) и больших (б) отношение .

 

-увеличения глубины шлаковой ванны (увеличивается поверхность контакта шлака со стенкой кристаллизатора);

-увеличения электропроводности шлака при температуре его затвердевания (увеличивается проводимость шлакового гарнисажа у стенок кристаллизатора).

При малых значениях отношения (рис.26 а) рост глубины шлаковой ванны практически не влияет на величину межэлектродного промежутка. При больших значениях отношения (рис.26 б), когда значительно увеличивается ток на кристаллизатор ( ), повышение глубины шлаковой ванны ведет к увеличению межэлектродного промежутка. Форма торца электрода при этом мало изменяется, но перемещение электрода в верхнюю часть шлаковой ванны приводит к тому, что зона интенсивного тепловыделения смещается в верхние горизонты шлака.