Спецэлектрометаллургия сталей и сплавов

Очень важным показателем  оптимальности режима ЭШП является глубина и форма металлической  ванны. Объем жидкого металла  в верхней части наплавляемого слитка, а также его конфигурация зависят от интенсивности обогрева верхней части наплавляемого слитка и от условий теплоотвода от фронта кристаллизации, который продвигается снизу вверх вместе с наплавлением слитка.

Для получения качественного  слитка ЭШП желательно иметь неглубокую металлическую ванну.

Для слитков диаметром  до 500-600 мм оптимальная глубина металлической ванны равна примерно половине диаметра кристаллизатора (Н=0,5D). 
Для более крупных слитков металлическая ванна должна быть мельче (H=0.4D).

При более глубокой ванне в крупных слитках ЭШП возникает зональная ликвация.

 На глубину металлической ванны влияет целый ряд факторов:

- электрическая мощность, выделяемая  в шлаке ;

- ток переплава;

- напряжение ;

- электропроводность шлака;

- глубина шлаковой ванны;

- отношение диаметра электрода к диаметру кристаллизатора.

Эти факторы влияют на глубину металлической ванны в такой же степени, как и на величину межэлектродного промежутка. При уменьшении межэлектродного промежутка, т.е. когда зона максимального тепловыделения приближается к наплавляемому слитку, увеличивается тепловой поток на ванну и глубина металлической ванны растет.

В этом отношении характерным  примером является влияние на форму  и глубину металлической ванны  напряжения питающего тока (рис.27). Уменьшение напряжения при заданной величине силы тока требует более глубокого  погружения электродов, что приводит к уменьшению межэлектродного промежутка и вызывает увеличение глубины металлической ванны (рис.27).

Глубина металлической  ванны зависит также от состава  стали, который определяет ее теплопроводность. При переплаве сталей с высокой теплопроводностью можно допускать более высокие скорости наплавления слитка без ущерба .для качества получаемого слитка.

Расход электроэнергии на переплав  1_Т металла при ЭШП составляет от 1000 до 2000 квт-ч/т, в то время как при выплавке стали в дуговых сталеплавильных печах около 400 квт-ч/т. Высокий расход электроэнергии при ЭШП оправдывается высоким качеством получаемого слитка.

Выделяющееся в шлаковой ванне тепло расходуется на нагрев и плавление электродов и поддержание в жидком состоянии верхней части наплавляемого слитка. Это тепло считается полезным и оно составляет около 40 % от общего количества выделившегося в шлаке тепла. Остальное тепло теряется с охлаждающей водой и излучением в окружающую среду.

 

 

 

 

 

Рис. 27. Влияние на форму и глубину металлической ванны напряжения питающего тока: а- 28 В, б- 38 В, в- 44 В (ЭШП электродов из стали Ст.5 диаметром 50мм в кристаллизаторе диаметром 100мм на флюсе АНФ-6 при глубине шлаковой ванны 50мм)

Процесс электрошлакового переплава включает следующие технологические операции:

-подготовка расходуемых электродов к переплаву.

-подготовка печи ЭШП к плавке.

-начало и стабилизация процесса.

-основной период плавки (переплав расходуемого электрода).

-формирование верхней части слитка (выведение усадочной раковины).

-окончательное затвердевание расплавленного шлака в кристаллизаторе.

-выдача наплавленного слитка и удаление оставшейся несплавленной части электрода.

Возможны два способа  начала электрошлакового процесса:

1. Расплавление флюса расходуемым или специальным (графитовым) электродом в кристаллизаторе - так называемый "твердый старт".
2. Расплавление флюса в специальной электрической флюсоплавильной печи и заливка его в кристаллизатор через специальное устройство - "жидкий старт".

При твердом старте первые объемы жидкого шлака образуются за счет применения специального экзотермического флюса, состоящего из 82-84 % основного (рабочего) флюса и 16-18 % алюмомагниевого порошка. Последовательность технологических операций при твердом старте такая. В зажим электрододержателя вводится расходуемый электрод и центрируется с осью кристаллизатора. Затем с помощью нижней тележки поднимают кристаллизатор и на поддоне укрепляют затравочную шайбу. Затравочные шайбы служат для предохранения поддона от его прожигания электрической дугой, которая возникает в момент включения печи.

Для крепления затравки к поддону используют различные  механизмы крепления - винтовое, клиновое, пружинно - винтовое и др.    На затравку кладется перемычка (металлическая стружка) и горкой насыпается экзотермический флюс в количестве 0,5 кг/т слитка (рис 28, а). Электрод опускают и приводят в контакт с перемычкой и экзотермическим флюсом. Затем кристаллизатор опускают на поддон и в зазор между электродом и кристаллизатором засыпают рабочий флюс в количестве 45-60 кг/т слитка (рис.28 б). После этого включают печь. Током короткого замыкания расплавляется перемычка, происходит запал экзотермического флюса, образующего при плавлении небольшой объем жидкого шлака.

Рис. 28. Технологическая схема ЭШП с использованием твердого старта.

Ток от электрода проходит через этот слой жидкого шлака  и начинается электрошлаковый процесс. Тепло,  выделяемое в слое жидкого шлака под электродом, расплавляет рабочий флюс. В период плавления флюса подплавляется центральная часть затравочной шайбы и начинает плавиться расходуемый электрод, образуя ванночку жидкого металла на поверхности поддона (рис.28 в). Плавящийся   металл электрода в виде капель проходит через слой шлака и образует ванну жидкого металла в верхней части наплавляемого слитка (рис.28 г). Благодаря охлаждающему действию поддона и стенок кристаллизатора происходит затвердевание нижних горизонтов жидкой металлической ванны и формирование слитка. Электрод, оплавляясь, перемещается вниз, а фронт затвердевшего металла в кристаллизаторе - вверх, навстречу движению электрода. Скорость плавления электрода регулируется подводимой электрической мощностью таким образом, чтобы зазор между торцом электрода и уровнем жидкой металлической ванны на протяжении всего рабочего периода плавки остался постоянным. Процесс плавления электрода прекращают, когда верхний уровень шлаковой ванны достигает горизонта .сальникового уплотнения в верхней части кристаллизатора (около 150 мм от верха кристаллизатора (рис.28 д).

При жидком старте рабочий флюс плавится в специальной флюсоплавильной однофазной .дуговой печи, имеющей угольную футеровку. Шихтой служит либо готовый твердый флюс, либо его компоненты. После расплавления флюс сливают в ковш и транспортируют к  печи ЭШП. При небольших объемах расплавляемого флюса в качестве транспортного ковш служит тигель флюсоплавильной печи.

Заливку флюса производят обычно через специальное устройство (рис.30), которое имеет приемную воронку, располагагающуюся на поддоне и узкий паз в верхней плите поддона.

 

 Рис. 29. Устройство для сифонной заливки шлака в кристаллизатор установки ЭШП:                   1- кристаллизатор, 2- поддон, 3- сифонная приставка с приемной воронкой, 4- паз в поддоне.

 

При жидком старте электроды после установки и центровки опускаются до предполагаемого после заливки уровня шлака в кристаллизаторе. Затем заливается шлак и включается печь сразу на рабочий режим. Дальнейший процесс переплава проходит аналогично процессу на твердом старте.

Когда большая часть электрода переплавлена и кристаллизатор заполнен, производят подпитку верхней части слитка путем постепенного уменьшения величины тока и напряжения .для получения плоской, свободной от дефектов головной части слитка без усадочной раковины. Уменьшение подводимой мощности осуществляют без изменения положения электрода. По окончании операций выведения усадочной раковины выключают ток и огарок электрода извлекают из шлаковой ванны. Слиток и шлак выдерживают в кристаллизаторе до полного затвердевания (рис.28 е).

 

 

 

7. ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ

 

Принцип переплава металлов в вакууме с использованием в  качестве источника тепла электрической  дуги был использован уже после  успешной плавки стали в дуговых  электрических печах. Вначале этот процесс применяли для получения в литом виде тугоплавких металлов (тантала, молибдена, титана, циркония). Именно соединение дугового разряда, как источника тепла с высокой температурой, с глубоким вакуумом, который обеспечивал отсутствие взаимодействия легкоокисляющихся металлов с атмосферой, обеспечивало получение слитков этих тугоплавких и высокореакционных металлов.

В середине XX в. в связи  с быстрым развитием ракетной техники и реактивной авиации вакуумно-дуговой переплав (ВДП) начали применять для переплава электродов для из жаропрочных сплавов. Предпосылкой для развития технологии ВДП применительно к получению слитков и сплавов на основе железа и кобальта, а также нержавеющих, жаропрочных и других сплавов послужило значительное улучшение служебных свойств специальных сталей и сплавов после переплава в вакууме. Поэтому ВДП нашел широкое применение при получении металлов и сплавов с высокими физико-химическими свойствами, эксплуатируемых в условиях высоких температур, знакопеременных нагрузок, жесткого рентгеновского излучения и др.

В промышленных условиях методом ВДП получают средне и высоколегированные стали, а также сплавы на основе никеля, кобальта и титана.

В настоящее время  работают установки ВДП, позволяющие получать высококачественные слитки массой до 60 т. Из таких слитков получают крупные поковки исключительно высокого качества. Однако большинство установок ВДП, работающих на металлургических заводах, имеют вместимость печей (массу слитка), не превышающую 10-12 т. Наибольшее распространение получили печи ВДП 2-6 т.

 

7.1. Принцип действия и устройство установок вакуумно-дугового переплава

 

Существуют два принципиально  отличных типа вакуумных дуговых печей: с расходуемым и нерасходуемым электродом (рис.30). В печах с расходуемым электродом (рис.30а) дуга горит между переплавляемым электродом и поверхностью ванны жидкого металла, а в печах с нерасходуемым электродом (рис.30б) - между графитовым или металлическим (из тугоплавкого металла) электродом и расплавленным металлом. В обоих случаях переплав ведется в вакуумной камере. При использовании нерасходуемого электрода последний участвует в процессе только как проводник тока. При ведении плавки с нерасходуемым электродом существует опасность загрязнения переплавляемого металла материалом электрода вследствие его электрической эрозии и возможности откалывания частей электрода .

Общим элементом вакуумных  дуговых печей является медный водоохлаждаемый  кристаллизатор, в котором расплавленный  металл затвердевает и постепенно принимает  форму слитка.

Принципы ВДП определяют основные особенности конструкции установок ВДП. Схема установки ВДП для переплава расходуемых электродов показана на (рис.31).

Расходуемый электрод (7) с помощью электрододержателя (5) крепится к штоку (2), к которому подсоединен отрицательный полюс источника постоянного тока. Расходуемый электрод подключают к отрицательному полюсу источника питания (прямая полярность) для повышения энергетической эффективности переплава. Шток электрода через скользящее вакуумное уплотнение (3) вводится в вакуумную камеру (4). Медный кристаллизатор (8) охлаждается водой, которая подается в окружающий его кожух. В рабочей камере поддерживают разрежение 0,1 - 1,5 Па с помощью системы вакуумных насосов.

 

 

 

Рис.30. Вакуумные дуговые печи с расходуемым (а) и нерасходуемым (б) электродами:

I - вакуумная  камера;

2 - расходуемый электрод;

3 - кристаллизатор;

4 - наплавляемый  слиток;

5 - питатель  для подачи шихты;

6 - тугоплавкая  насадка нерасходуемого электрода.

 

 

Электрическая дуга горит  между торцом электрода и поверхностью металлической ванны, соединенной с положительным полюсом источника тока по цепи слиток-кристаллизатор. Место подсоединения токоведущих шин к кристаллизатору имеет большое значение. При неблагоприятной схеме подключения электромагнитное взаимодействие тока дуги и тока, проходящего через жидкий металл, вызывает вращение ванны, нестабильность горения дуги и ее смещение относительно устойчивого положения. Это приводит к ухудшению качества слитка и опасности переброса дуги на стенку кристаллизатора и его прожога. Поэтому обычно организуют коаксиальный токоподвод и равномерное распределение тока по контакту верхнего фланца кристаллизатора с камерой печи.

Рабочая камера (4) представляет собой сварной цилиндр из немагнитной стали. Сверху имеется крышка, в центре которой расположено скользящее вакуумное уплотнение. Здесь же расположены гляделки с перископами, через которые виден кольцевой зазор между электродом и стенкой кристаллизатора. Рабочая вакуумная камера имеет два люка для соединения с вакуумной системой и для обслуживания (очистки внутренней поверхности камеры от налетов конденсата). Рабочая камера соединена с кристаллизатором с помощью водоохлаждаемого фланца и резиновой прокладки.

Медный водоохлаждаемый кристаллизатор (8) обеспечивает не только отвод тепла при затвердевании наплавляемого слитка, но и проводит электрический ток. Чтобы исключить коробление, толщина медных стенок кристаллизатора составляет 10-40 мм; сечение кристаллизатора - круглое, внутренний диаметр до 1800 мм.