yandex.metrica
Переплавные процессы

Электрошлаковый переплав

Принципиальная схема ЭШП представлена на рисунке 1, б. Электрическая цепь между расходуемым электродом и наплавляемым слитком замыкается через слой расплавленного шлака (электрическая дуга отсутствует). Жидкий шлак электропроводен, но обладает высоким сопротивлением, поэтому он нагревается до температуры 1700—2000 ºС и погруженный в него конец расходуемого электрода оплавляется. В результате металл в виде капель проходит через слой шлака и застывает в ванне кристаллизатора в виде плотного слитка.

Составы шлаков при ЭШП различны; чаще всего используют шлак, состоящий из CaF2 с добавками СаО, Аl2О3, SiO2. Проходя через такой шлак, капли металла очищаются от серы; в них снижается содержание неметаллических включений, а в кристаллизаторе образуется плотный качественный слиток. Оборудование ЭШП проще и дешевле, чем при ВДП

Процесс электрошлакового переплава (ЭШП) разработан Институтом электросварки им. Е.О. Патона. Особенность ЭШП состоит в том, что плавление металлического расходуемого электрода определенного химического состава в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе происходит не за счет тепла дуги, а под воздействием тепла жидкого электропроводного шлака, нагретого до температуры 1700-2000°С, на погруженный электрод. При этом стекающие капли металла проходят через шлаковую ванну и затвердевают в кристаллизаторе, образуя слиток высокого качества. Повышенная чистота и однородность металла при ЭШП достигаются совместным действием таких факторов, как:

  • рафинирование высокоосновным шлаком, обеспечивающее десульфурацию и интенсивное удаление из металла неметаллических включений;
  • перегрев металла, способствующий удалению из металла (испарением) вредных примесей;
  • принудительное затвердевание в водоохлаждаемых кристаллизаторах, позволяющее получать желаемую макроструктуру слитков с повышенными плотностью и однородностью, а также отсутствием зональной ликвации и газовых пузырей.

Существует два типа установок ЭШП: с расходуемым электродом и с нерасходуемым электродом. Суть процесса при этом остается неизменной: капли металла проходят через слой жидкого шлака (через шлаковую ванну). Не расходуемые электроды, используемые для поддержания требуемой температуры в шлаковой ванне, бывают графитовые или металлические водоохлаждаемые. Проходя через слой жидкого шлака, капли металла попадают или в кристаллизатор, или в огнеупорный тигель. В последнем случае плавка ведется в так называемых установках с керамическим тиглем. Для производства стальных слитков обычно используют процесс с расходуемым электродом и охлаждаемым кристаллизатором.

Расходуемые электроды получают, выплавляя предварительно металл нужного состава в обычном сталеплавильном агрегате (чаще в дуговой сталеплавильной печи) и разливая его на слитки или непрерывно-литую заготовку. Для получения расходуемых электродов необходимых размеров (по сечению) слитки могут подвергаться прокатке или ковке. Получаемые ЭШП слитки имеют обычно развес до 5—6т. В отдельных случаях (например, при получении заготовок для последующего изготовления роторов турбин электростанций) отливаются ЭШП слитки массой 60т и более. В СССР была разработана специальная электрошлаковая технология, позволяющая отливать слитки массой до 300т. Большие слитки массой 200— 300 т (для роторов турбин, валов судовых двигателей и т. п.) выплавляют редко, и заводам нерационально иметь у себя крупные агрегаты для того, чтобы использовать их только несколько раз в году. Поэтому для производства сверхкрупных слитков Институтом им. Е. О. Патона совместно с рядом заводов создан способ, получивший название порционной электрошлаковой отливки (ПЭШО).

В отличие от обычного ЭШП, основанного на переплаве расходуемых электродов, способ ПЭШО предусматривает получение слитков непосредственно из жидкого металла. В водоохлаждаемой изложнице с помощью нерасходуемых электродов расплавляется смесь шла-кообразующих компонентов. При этом в изложнице образуется слой жидкого шлака (шлаковая ванна), обладающий высокой рафинирующей способностью (рисунок 1, а). Через слой шлака заливают первую порцию стали, полученной в печи, емкость которой равна части емкости изложницы.

В период заливки металла погруженные в шлак электроды автоматически поднимаются (рисунок 1, б).

После заливки первой порции металла ведут электрошлаковый обогрев зеркала металла. За счет подводимой мощности зеркало должно оставаться жидким по всему сечению изложницы. При этом залитый металл постепенно затвердевает в направлении снизу вверх, и к моменту заливки следующей порции металла под слоем жидкого шлака остается небольшой объем жидкого металла (рисунок 1, в). Металл следующей порции аналогичным образом заливают в изложницу, и он смешивается с остатком жидкого металла первой порции (рисунок 1, г).

Этот процесс повторяют несколько раз до заполнения всей изложницы. После заливки последней порции металла постепенно снижают электрическую мощность, подводимую к шлаковой ванне, с тем чтобы предотвратить образование усадочной раковины в головной части слитка (рисунок 1, д). Интенсивная обработка металла рафинирующим шлаком обеспечивает высокую чистоту металла слитка по сере и неметаллическим включениям. Направленная снизу вверх последовательная кристаллизация металла в изложнице при постоянном наличии сравнительно небольшого объема жидкого металла и высокого градиента температур в металлической ванне ограничивает развитие в слитке зональной ликвации и исключает образование в нем дефектов усадочного и ликвационного происхождения.

 Схема порционной электрошлаковой отливки

Рисунок 1 – Схема порционной электрошлаковой отливки

Преимуществом способа ПЭШО является также возможность получения слитков практически неограниченной массы при наличии сталеплавильного агрегата сравнительно малой емкости.

Например, слиток массой 200т можно отлить способом последовательной заливки в изложницу четырех—шести плавок, полученных в ДСП (или ином агрегате) емкостью всего 35—50 т.

Другим технологическим приемом, позволяющим получать высококачественные крупные слитки, является технология, названная ЭШП с расходуемым электродом, согласно которой у отлитого по обычной технологии крупного слитка удаляется осевая зона (здесь металл обычно поражен дефектами вследствие ликвации вредных примесей, неметаллических включений, скопления газов и т. п.). Образовавшуюся таким образом полость в слитке с помощью ЭШП заполняют доброкачественным металлом.

Разновидностью ЭШП является электрошлаковая отливка (ЭШО), для получения которой жидкий металл заливается в водоохлаждаемые кристаллизаторы через слой жидкого шлака. Кристаллизация в этом случае протекает при электрошлаковом обогреве головной части слитков.

Существует разновидность ЭШП, называемая электрошлаковое литье (ЭШЛ), в процессе которого происходит электрошлаковое плавление расходуемого электрода, а переплавленный металл приобретает форму внутренней поверхности кристаллизатора или формы. Сечение формы может бытьпеременным. При ЭШЛ широко используется прием закладки деталей с последующим их приплавлением к основной части отливки в процессе переплава расходуемого электрода. Таким образом, техника ЭШЛ включает в себя элементы сварки.

В отличие от ЭШЛ суть метода центробежного электрошлакового литья (ЦЭШЛ) заключается в расплавлении и накоплении металла электрошлаковым способом с последующей заливкой этого металла во вращающуюся форму. Чистота металла, прошедшего рафинирование жидким шлаком, и своеобразные условия кристаллизации этого металла во вращающейся форме обеспечивают высокое качество получаемых заготовок, что позволяет использовать их для изготовления деталей самого ответственного назначения.

Успехи электрошлаковой технологии вызвали к жизни многочисленные предложения об организации электрошлакового переплава кусковых материалов (например, стружки), металлизованного сырья (например, металлизованных окатышей) и т. п. В этом направлении ведутся интенсивные исследования.

Исследования ведутся также с целью разработки электрошлаковой технологии получения ферросплавов (ферротитана, феррованадия). При этом в качестве сырья используются титановая и железная губки, пентаок-сид ванадия и т. п.

Исследуется также возможность организации процесса дугового электрошлакового переплава (ДШП), при котором металл расходуемого электрода плавится за счет тепла электрической дуги, горящей в промежутке электрод — поверхность жидкой шлаковой ванны, а капли металла электрода, проходя через слой шлака, накапливаются в нижней части кристаллизатора и, затвердевая, образуют однородный слиток.

Недостатком ЭШП является невозможность организовать в открытом агрегате удаление водорода. В связи с этим широкое распространение получили дуплекспроцессы ВИП—ЭШП и ЭШП-ВДП.

Схема установки ЭШП показана на рисунке 2.

7

Установка состоит из:

  • металлической колонны;
  • водоохлаждаемого кристаллизатора;
  • каретки для перемещения расходуемого электрода;
  • каретки для поднятия кристаллизатора над слитком;
  • тележки для транспортировки слитка с поддоном;
  • токоподвода электрододержателя;
  • гибких водоохлаждаемых токоведущих кабелей;
  • питающего трансформатора;
  • привода механизма перемещения кареток и расходуемого электрода.

Кристаллизатор изготовляют круглым, квадратным или прямоугольным из меди с внутренней полостью для охлаждения водой под давлением 0,4-0,45 МПа. Расходуемый электрод имеет цилиндрическое или квадратное сечение. Длину его определяют с учетом диаметра по массе слитка. Соотношение диаметров электрода и кристаллизатора составляет 0,4-0,6.

Для крепления в электрододержателя к электроду приваривают хвостовик. Перемещение электродов осуществляют механическими и гидравлическими приводами.

В качестве источников электропитания однофазных установок ЭШП используют тиристорные преобразователи пониженной частоты, которые позволяют иметь повышенный коэффициент мощности, более простую конструкцию короткой сети мощных печей и удобное согласование нагрузки и источника питания благодаря плавному регулированию напряжения и частоты. Применение тиристорных преобразователей исключает использование трансформаторов со сложными переключателями ступеней напряжения и позволяет создать быстродействующие системы автоматического регулирования и защиты установок. Однофазные установки ЭШП обеспечивают выплавку слитков массой до 25 т. Выплавку крупных слитков массой 60 т осуществляют в трехфазных печах путем одновременного переплава в кристаллизаторе трех электродов.

В отличие от однофазных трехфазные печи ЭШП обладают меньшей реактивностью, однако не позволяют получить слитки квадратного и прямоугольного сечения из-за неравномерности температурного поля в шлаковой ванне. Расположение трех электродов в одну линию нарушает компенсацию токоподвода и вызывает неравномерное плавление электродов. Повышения технико-экономической эффективности электрошлаковых печей и снижения электрических потерь достигают применением бифилярных токоподводов, позволяющих переплавлять в одном кристаллизаторе одновременно два расходуемых электрода одинакового сечения, включенных последовательно и подаваемых в шлаковую ванну общим электрододержателем с двумя электрически изолированными один от другого токоподводами.

Количество тепла, выделяемого в шлаке для плавления расходуемого электрода ЭШП, определяют по формуле Q = 0,24·I2·Rш·τ, где I – ток, протекающий в ванне, А; R – сопротивление ванны, Ом; τ – время прохождения тока, ч.

Фактический удельный расход электроэнергии превышает теоретическое значение (400 кВт·ч/т) и составляет 1000—2000 кВт·ч/т. Это обусловлено тем, что тепло, выделяющееся в ванне, расходуется на плавление электрода, на поддержание шлака и металла в кристаллизаторе в жидком состоянии, на излучение и нагрев отходящих газов, воды и слитка.

Плотность тока на электроде при ЭШП обычно составляет 0,1-0,5 А/мм2. Перед проведением плавки в ЭШП готовят электроды для переплава, флюсы для образования шлака, кристаллизатор и проверяют состояние механического и электрического оборудования.

Для ЭШП используют электроды преимущественно литые. К ним предъявляют менее жесткие требования, чем к электродам для ВДП и, в то же время, не допускают к использованию электроды с кривизной более 5 мм на 1 м длины, а также имеющие на поверхности грубые рванины, плены и поперечные трещины, которые могут вызвать разрушение электрода и падение кусков в ванну при переплаве. После приварки к электроду хвостовика (инвентарной головки) его подают краном к установке ЭШП и зажимают в электрододержателе. Кристаллизатор и поддон очищают от остатков шлака, корольков металла, налета и остатков конденсированной влаги.

Начало процесса плавки в установках ЭШП ведут на твердом и жидком шлаке. В первом случае твердый шлак расплавляют следую-щим образом. На затравочную шайбу укладывают несколько витков стружки выплавляемой марки стали,которую засыпают термитной смесью (17% калийной селитры, 16,5% алюмомагниевого порошка и 66,5% рабочего флюса) в количестве до 0,5 кг/т слитка.

Основной составляющей рабочих флюсов для ЭШП является фтористый кальций. Флюс АНФ-6 содержит, %: Al2O3  25-30, CaF57—60 и СаО 4-5 и имеет температуру плавления 1320-1340°С. Для ЭШП сталей и сплавов с бором и титаном применяют флюс АНФ-111, содержащий 95% CaF2 и 2%СаО и имеющий температуру плавления ~1400°С.

Флюсы выплавляют в дуговых шлакоплавильных печах с углеродистой футеровкой. После охлаждения флюс дробят, размалывают и просеивают через сито с отверстием 2×2 мм. Флюсы хранят в сухом помещении и перед употреблением просушивают при температуре около 300°С.

В начале плавки электрод опускают до соприкосновения со стружкой и в зазор между ним и кристаллизатором засыпают рабочий флюс в количестве 3—4% от массы слитка. После подачи на печь мощности между электродом и стружкой возникает дуга, под действием которой воспламеняется термитная смесь и начинает плавиться рабочий флюс.

По мере расплавления шлака конец электрода погружается в электропроводную шлаковую ванну, которая шунтирует дугу. Дуговой разряд прекращается и дальнейшее выделение тепла происходит в шлаковой ванне при прохождении электрического тока, как в обычном сопротивлении. Период наведения шлаковой ванны характеризуется весьма нестабильным электрическим режимом, обрывами дуги и короткими замыканиями. Поэтому систему автоматического регулирования (САР) процесса выполняют быстродействующей, с достаточной скоростью перемещения электрода (1 — 1,5 м/мин).

Плавка с заливкой в кристаллизатор жидкого шлака из специальной печи отличается тем, что в момент касания шлака поверхности расходуемого электрода цепь замыкается и процесс сразу протекает в электрошлаковом режиме переплава, для которого характерны отсутствие «толчков» тока и достаточно спокойный ход процесса.

Завершающим периодом ЭШП является выведение усадочной раковины наплавляемого слитка путем постепенного уменьшения силы тока.

В установках ЭШП получил распространение метод управления процессом по изменению значений силы тока. Это привело к разработке ряда регуляторов, обеспечивающих поддержание заданной силы тока переплава и скорости наплавления слитка. Выбор рационального электрического режима является решающим фактором при получении высококачественного металла, т. е. электрический и тепловой режимы шлаковой и жидкой металлической ванн определяют условия рафинирования металла от серы, газов, неметаллических включений и других вредных примесей, а также режим кристаллизации слитка. Кристаллизация слитка в установке ЭШП характеризуется постепенным, направленным снизу, затвердеванием металла и непрерывным поступлением в зону жидкой ванны новых порций металла.

Направленной кристаллизации способствует образующаяся на поверхности слитка корочка шлака, уменьшающая отвод тепла через боковые стенки кристаллизатора и улучшающая качество поверхности слитка, с исключением необходимости его зачистки или обдирки перед горячей деформацией. В поверхностном слое слитков ЭШП не образуются мелкие равноосные кристаллы. Для их внутреннего строения характерными являются зона нижних вертикальных столбчатых кристаллов (охлаждающее действие поддона) и периферийная зона радиально-осевых столбчатых кристаллов.

В осевой зоне слитков большой массы наблюдают зону равно-осных кристаллов. Слитки ЭШП обладают высокой однородностью и плотностью и не имеют дефектов усадочного и ликвационного происхождения. Усадочная раковина в них практически отсутствует.

Получение весьма чистого металла способом ЭШП достигается за счет:

  • направленной кристаллизации слитка, облегчающей всплывание неметаллических включений и выделение газов;
  • интенсивного взаимодействия металла и шлака с поглощением неметаллических включений шлаком;
  • исключения вторичного окисления металла при отливке слитков и поступления в металл неметаллических включений из футеровки.

Высокоосновный безжелезистый шлак, высокая температура металла и шлака (выше 1600 °С), малая вязкость шлака и большая поверхность взаимодействия металл-шлак создают необходимые условия для удаления серы из металла до весьма низких концентраций (<0,003%).

Применение ЭШП позволило существенно повысить качество подшипниковых, конструкционных, коррозионностойких, жаропрочных и других сталей и сплавов. При этом удорожание металла ЭШП (на 95—115%) компенсируется снижением брака и повышением качества, а также увеличением надежности и долговечности деталей, узлов машин и конструкций в машиностроении и строительстве.

Кроме слитков различных размеров, методом ЭШП изготовляют полые заготовки для труб, ответственные детали машин сложной конфигурации, резервуары, лопасти турбины и другие изделия.

Улучшение технико-экономических показателей работы ЭШП обеспечивают за счет интенсификации технологии переплава (продувка ванны инертным газом, непрерывный процесс), сокращения простоев между плавками, повышения уровня механизации и автоматизации основного процесса и вспомогательных операций, использования жидкого старта (шлака), повторного использования шлака и других мероприятий.

3

Нажмите здесь, чтобы оставить комментарий

  • Здравствуйте! Интере­сует печь для перепла­ва медьсодержащего шл­ака. Подскажите, пожа­луйста, имеется ли у Вас печь, на­иболее подходящая для д­анного процесса и сто­имость такого оборудо­вания. Спасибо!

    • Здравствуйте, к сожалению не сможем вам помочь, так как не продаем печи и прочее оборудование. Этот сайт исключительно информационный.