Установка электрошлакового переплава

Процесс электрошлакового переплава (ЭШП) был разработан в институте им. Е. О. Патона. Схема установки ЭШП показана на рис 107, а. Переплав осуществляется в во­доохлаждаемом кристаллизаторе. К расходуемому электроду и наплавляемому слитку подведен ток. Между слитком и электродом имеется слой шлака, в котором и выделяется тепло при прохождении через него тока. Кристаллизатор, изготовленный из меди, может иметь дно (см. рис. 107, а) или слиток можно непрерывно вы­тягивать из кристаллизатора.

При использовании трехфазного трансформатора возможно одновременное расплавление в одном кристаллизаторе трех электродов (рис. 107, б) или подклю­чение к одному трансформатору трех кристаллизаторов (рис. 107, в)

Однофазная (а) и трехфазиая (б, в) схемы наплавления слитков при ЭШП

Однофазная установка ОКБ-1065, предназначенная для переплава электродов на слитки квадратного сече­ния массой 3500 кг, представлена на рис. 108. Расходу­емый электрод, закрепленный в электрододержателе каретки, перемещается по вертикальной стойке при по­мощи троса от электромеханического привода. Привод перемещения электродов состоит из электродвигателей, дифференциального редуктора и двух пар открытых цилиндрических передач. Удерживается электрод в элект­рододержателе усилием пружин, а освобождается при помощи пневматического цилиндра. Слиток наплавляет­ся в кристаллизаторе, к поддону которого крепится токопровод в виде медных шин. К электроду ток подводится по гибким водоохлажденным кабелям. Кристаллизатор по мере наплавления слитка поднима­ется специальной кареткой с самостоятельным реечным приводом. Кристаллизатор с поддоном устанавливается на самоходную тележку, предназначенную для выкатывания наплавленного слитка.

Установка ЭШП типа ОКБ-1065

Недостатком однофазных установок является высо­кая реактивность токопровода низкой стороны вследст­вие большей длины токопроводящей части расходуемого электрода и наличия петель гибких проводов. Трехфаз­ные установки обладают меньшей реактивностью, однако питание трех кристаллизаторов от трехфазного трансформатора нарушает стабильность режима на каждом электроде. Трехфазные установки с тремя электродами на одном кристаллизаторе целесообразны при выплавке крупных слитков.

Для снижения электрических потерь представляет ин­терес применение бифилярного токоподвода. В этом случае в одном кристаллизаторе одновременно пере­плавляют два электрода, включенных последовательно и подаваемых в кристаллизатор одним электрододержателем с двумя электрически изолированными друг от дру­га токоподводами. При бифилярном токоподводе до­стигается близкое и параллельное расположение токо­подвода на всех участках, включая и расходуемые электроды, что снижает индуктивность короткой цепи.

Масса слитков, переплавляемых на установках ЭШП, достигает несколько десятков тонн. Этот способ переплава является наиболее экономичным из переплав­ных методов, и он находит все более широкое распростра­нение для производства качественных сталей и сплавов.

Технология ЭШП

При ЭШП тепло выделяется бла­годаря прохождению тока через шлак. Плотность тока при этом процессе обычно составляет 0,1—0,5 А/мм2. Чем меньше плотность тока, тем труднее навести шлак в начале процесса, но тем легче поддерживать стабиль­ность процесса, так как при малой плотности тока про­цесс идет достаточно устойчиво в широком диапазоне токов и напряжений. Шлак должен обладать следующи­ми свойствами:

  • большая легкоплавкость, чем метал­ла расходуемого электрода, что обеспечивает лучшее ра­финирование от газов и неметаллических включений;
  • достаточное электросопротивление (при большой электропроводности шлака будет выделяться мало тепла);
  • необходимая жидкотекучесть (иначе ухудшает­ся теплопередача через шлаковую прослойку к кристаллизатору и ухудшается качество слитка).

В начале процесса применяют электропроводный флюс, например, марки С-1, состоящий из 17% калие­вой селитры, 16,5% алюмомагниевого порошка и 66,5% наполнителя. Расход флюса С-1 составляет ~0,5 кг/т металла. Этот шлак предназначен для запуска процес­са и был предложен институтом электросварки им. О. Е. Патона.

После того, как процесс пойдет устойчиво, в кристал­лизатор загружают рабочий флюс. Основой для боль­шинства рабочих флюсов, применяемых при ЭШП, явля­ется фтористый кальций. Наиболее широко применяет­ся рабочий флюс марки АНФ-6, содержащий 25—30% Al2O3, 57—65% CaF2, 4—5% CaO. Температура плавле­ния этого флюса 1320—1340° С, расход составляет 3— 4% от массы слитка. Этот шлак обеспечивает десуль­фурацию металла и применяется для сталей и сплавов, не содержащих бор и титан. Флюс АНФ-111, содержа­щий 95% CaF2 и 5% СаО с температурой плавления ~ 1400° С, может быть использован для переплава ста­лей, содержащих бор и титан.

Флюсы необходимо хранить в сухом помещении; пе­ред использованием для удаления влаги их нужно просушивать при температуре 300° С. Флюсы выплавляют в однофазной дуговой электропечи с углеродистой футе­ровкой или в водоохлаждаемом тигле. Выплавленный флюс дробят, размалывают и просеивают через сито с отверстием 2×2 мм.

При ЭШП жидкий металл расходуемого электрода переносится через шлаковую ванну в кристаллизатор в виде капель. Это увеличивает площадь соприкоснове­ния металла со шлаком и обеспечивает более полное протекание рафинировочных процессов, чем в обычных дуговых электропечах. В связи с этим важным момен­том ЭШП является обеспечение оптимальной частоты отрыва капель от расплавляемого электрода и их опти­мального размера. Частота отрыва капель от конца эле­ктрода, их средний размер, длина пути, который они про­ходят в шлаке, зависят от параметров плавки: силы тока и напряжения, состава переплавляемого металла и др. В каждом конкретном случае подбирают технологию переплава, обеспечивающую при максимальной произво­дительности установки ЭШП получение высококачествен­ного металла.

Перед началом плавки тщательно осматривают кри­сталлизатор и при удовлетворительном его состоянии, прежде всего при отсутствии течи, зачищают дно крис­таллизатора, на которое устанавливают затравку, пред­ставляющую собой пластину из того же металла, что и переплавленный металл. Затравка защищает дно кри­сталлизатора в первые моменты плавки. На затравку засыпают хорошо перемешанный электропроводный флюс. Это необходимо для получения жидкого шлака в начале процесса.

После засыпки рабочего флюса подают воду на ох­лаждение кристаллизатора и поддона, а затем включа­ют ток. Максимальная сила тока, обеспечивающая устойчивое протекание процесса ЭШП, зависит от диа­метра расходуемого электрода:

таблица

Через 10—15 мин после включения печи в кристал­лизаторе образуется жидкая шлаковая ванна высотой 90—140 мм.

Электрический режим плавки оказывает решающее влияние на качество слитка и его поверхность. С увеличением подводимой мощности увеличивается глубина жидкой части металла в кристаллизаторе и продолжи­тельность затвердевания заготовки. Это вызывает за­грязнение металла неметаллическими включениями. Так, например, на заводе «Днепроспецсталь» снижение силы тока, подводимого к установке с диаметром кристал­лизатора 300 мм, с 9 до 6 кА обеспечило снижение за­грязненности стали неметаллическими включениями на 25—35%.

Однако понижение температуры металла при малой подводимой мощности приводит к повышению его вяз­кости и попаданию в металл частиц шлака, появлению корочек шлака. Поверхность заготовок резко ухудша­ется.

При небольшой высоте жидкого шлака и большой подводимой мощности наблюдается клокотание шлако­вой ванны и значительное колебание силы тока. Для устранения отмеченного явления необходимо уменьшить силу тока. Производительность установки ЭШП зависит от диаметра кристаллизатора, выбранного электричес­кого режима, марки стали и т. д. Например, при диамет­ре кристаллизатора 200 мм производительность уста­новки составляет 100—150 кг/ч, а расход электроэнер­гии 1300—1600 кВт • ч на 1 т металла.

Улучшение технико-экономических показателей рабо­ты установок ЭШП достигается уменьшением простоев между плавками и повышением степени механизации вспомогательной операции, увеличением выхода годного.

Увеличение выхода годного на установках ЭШП мо­жет быть достигнуто при использовании жидкого шлака. Заливка жидкого шлака в кристаллизаторы установок ЭШП снизу (сифонным способом) была впервые внед­рена на трехфазной установке завода «Электросталь»,

На этой установке имеются три электрода диаметром 170 мм. Процесс ЭШП с сифонной заливкой жидкого шлака экономически целесообразен.

Совершенствование систем управления мощностью шлаковой ванны и скоростью подачи или массовой ско­ростью плавления электрода также повышает производи­тельность установки.

Улучшение технико-экономических показателей уста­новок ЭШП достигается и повторным использованием шлака в случаях, когда он не окисляется и не обогаща­ется серой.