Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

В то же время автоматизм процесса ВДП накладывает принци­ пиальные ограничения на возможности рафинирования металла. При вакуумной дуговой плавке невозможно регулировать распреде­ ление тепла между электродом и ванной, нельзя существенно пере­ греть металл, управлять временем пребывания его в жидком состоя­ нии, условия горения дуги ограничивают предельный вакуум и пре­ делы возможных напряжений на дуге, а условия кристаллизации — подводимую мощность и производительность печи.

КОНСТРУКЦИЯ ДУГОВЫХ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ

Основными узлами и механизмами вакуумных дуговых печей являются: вакуумная камера, кристаллизатор с поддоном, вакуум­ ная система, механизм подвески и перемещения электрода, механизм подъема поддона, источник питания, токоподвод, приборы управле­ ния и контроля.

Корпус вакуумной камеры изготавливают в виде сварного водо­ охлаждаемого цилиндра. В верхней крышке цилиндра имеются скользящее вакуумное уплотнение штока, на котором подвеши­ вается электрод, и две гляделки для визуального наблюдения за процессом плавки. На гляделки устанавливают перископы, пере­ дающие изображение на пульт управления печыо.

На боковой поверхности корпуса вварен с одной стороны патру­ бок вакуумной системы, с другой — люк для доступа обслужива­ ющего персонала в камеру.

На нижней крышке цилиндра имеется фланец с уплотнением из вакуумной резины, к которому крепится на болтах или поджи­ мается механизмом подъема поддона кристаллизатор.

Кристаллизатор представляет собой круглую медную водоохла­ ждаемую трубу, внутренний диаметр которой соответствует диа­ метру слитка. Внутреннюю поверхность кристаллизаторов выпол­ няют с конусностью и с расширением книзу или кверху в зависимости от схемы извлечения слитка. Если слиток опускается вместе с кри­ сталлизатором, а затем выталкивается из него вверх, то кристалли­ затор расширяется кверху. На печах некоторых типов кристаллиза­ тор крепится к вакуумной камере, а слиток опускается на поддоне. В этом случае кристаллизатор расширяется книзу.

Снаружи медная труба кристаллизатора окружена стальным кожухом водяного охлаждения. Вода подается под давлением в не­ сколько сот килопаскалей (несколько атмосфер) тангенциально, благодаря чему обеспечивается лучшее омывание и охлаждение медной трубы.

Кристаллизаторы малого диаметра изготавливают из цельнотя­ нутых медных труб, а большого диаметра сваривают из листовой меди. Попытки заменить дефицитную медь для изготовления внутрен­ ней трубы кристаллизатора сталью пока были безуспешными из-за сильного коробления трубы вследствие недостаточной теплопровод­ ности стали.

В последнее время на многих отечественных заводах поверх кожуха водяного охлаждения кристаллизатора устанавливают соле­

555

поле, компенсирующее влияние магнитного поля земли и наведенных в металлоконструкциях полей, в результате чего удается подавить движение металла в ванне кристаллизатора и предотвратить появле­ ние пятнистой ликвации.

Снизу кристаллизатор закрывается поддоном, представляющим собой толстую медную пластину с мощным водяным охлаждением, вводимую внутрь кристаллизатора таким образом, что обеспечи­ вается его герметичность. Имеются также печи с коротким кристал­ лизатором, из которого слиток по мере наплавления вытягивается механизмом как при разливке на установках непрерывной и полу­ непрерывной разливки.

Подъем и опускание поддона или поддона с кристаллизатором осуществляются специальным механизмом с электромеханическим или гидравлическим приводом. Для правильного перемещения под­ дона в нижней части металлоконструкций, поддерживающих камеру печи, предусмотрены направляющие.

В собранном виде поддон, кристаллизатор и вакуумная камера должны вмещать электрод необходимой длины с элементами его крепления к штоку.

Шток служит для подвода тока к электроду и воспринимает вес электрода, поэтому он должен обладать необходимой прочностью и обеспечивать минимальные электрические потерн. В связи с этим шток изготовляют из двух труб — медной и стальной. Медная труба располагается внутри стальной трубы и является основным токо­ ведущим элементом. Наружная стальная труба воспринимает нагрузку от электрода. Во внутреннюю трубу подают под давлением охлаждающую воду, которая опускается книзу, охлаждая сильно нагревающийся к концу плавки нижний конец штока, и между тру­ бами поднимается вверх. Для лучшего уплотнения места ввода штока в вакуумную камеру наружную поверхность его поли­ руют.

Для крепления электрода к штоку пользуются различными схе­ мами. Например, к электроду предварительно приваривают ога­ рок с коническим хвостовиком, которым он вставляется в разрезную часть стальной трубы штока, внутренняя поверхность которой выполнена с обратной конусностью. Разрезной участок трубы сжи­ мается хомутом с винтовым зажимом. Дополнительно хвостовик огарка фиксируется в трубе штока штифтами. Применяют также цанговый зажим, захватывающий электрод за фасонную выточку на верхнем торце электрода, и другие схемы крепления.

Шток при помощи гибкой или жесткой подвески связан с меха­ низмом перемещения электрода. Жесткой подвеской пользуются преимущественно на печах, предназначенных для переплава неболь­ ших электродов, вес которых, особенно в конце плавки, недостато­ чен для преодоления сил трения в уплотнении. В этом случае необ­ ходима принудительная подача электрода вниз. На крупных печах пользуются гибкой подвеской электродов при помощи цепей или

396

тросов. На печах с гибкой подвеской опускание электрода происхо­ дит под действием собственного веса электрода при сматывании троса или цепи. В этом случае упрощается конструкция печи и уменьшается

опасность повреждения деталей печи при опускании электрода до упора.

Привод механизма перемещения электрода может быть электро­ механическим или гидравлическим. К приводу механизма перемеще­ ния электрода в установках ВДП предъявляют очень жесткие требо­ вания, так как перемещением электрода осуществляется основное регулирование процесса плавки. Гидравлический привод очень чувствителен, однако в зависимости от температуры и нагрузки ме­ няются свойства масла и, следовательно, чувствительность привода. Гидравлические приводы применяют в основном на крупных печах, наплавляющих слитки массой в десятки тонн. На печах, выплав­ ляющих металлургические слитки массой до 7— 12 т, широко исполь­ зуют электромеханические приводы.

В качестве регулирующего импульса в схемах регулирования, получивших широкое распространение в последнее время, исполь­ зуется частота и длительность перекрывания разрядного промежутка между электродом и ванной кристаллизатора падающими каплями металла. В момент перетекания капли сопротивление разрядного промежутка уменьшается, соответственно уменьшается падение на­ пряжения и увеличивается сила тока. Импульсные провалы напряже­ ния становятся более частыми по мере уменьшения длины дуги и увеличения скорости плавления, при этом в цепи дуги увеличивается переменная составляющая силы тока. Эту переменную составляющую силы тока отфильтровывают, усиливают и используют в качестве регулирующего импульса, сравнивая ее при помощи соответству­ ющих схем с ее величиной при нормальном режиме плавки. Откло­ нение числа импульсов и их величины от нормального служит сигна­ лом для опускания или подъема электрода до тех пор, пока режим не будет соответствовать заданному. При нормальном ходе процесса длина дуги поддерживается постоянной и, несмотря на сильно отли­ чающуюся мощность разных печей, составляет 25—30 мм.

Вакуумные дуговые печи, работающие на переплаве стали, питают током' постоянного напряжения, что связано со сравнительно низкой температурой плавления стали. Низкая температура плавления не позволяет прогреть на переменном токе электрод до температур, обеспечивающих стабильную и достаточную для горения дуги эмис­ сию электронов. При работе на постоянном токе отсутствуют паузы в горении дуги, вызываемые сменой полярности, присущей перемен­ ному току, температура в зоне катодных пятен поддерживается на постоянном уровне и дуга горит устойчивее.

Источниками питания дуговых вакуумных печей служат машин­ ные генераторы постоянного тока, вырабатывающие ток силой в де­ сятки тысяч ампер и напряжением до 60—80 В, или выпрямители переменного тока. Преимущество следует отдавать использованию полупроводниковых выпрямителей, поскольку у них выше к. п. д. и они проще и надежнее в эксплуатации.

397

Источники питания устанавливают в обособленном помещении рядом с печным пролетом. Ток от источника питания до печи под­

стоящее время широкое распространение получает бнфиляриокоаксиальная схема токоподвода, отличающаяся чередованием шин разной полярности и симметричным подводом тока с четырех сторон к штоку, поддону и кристаллизатору. Симметричное расположение проводников позволяет получать вокруг печи равномерное магнит­ ное поле и ослабить движение металла в ванне кристаллизатора.

Вакуумная система дуговых печей благодаря малому объему вакуумных камер и более или менее постоянному газовыделению при последовательном оплавлении электрода малыми порциями отли­ чается сравнительной простотой. Как правило, она состоит из одного бустерного паромасляного насоса, двух форвакуумных механи­ ческих насосов, затворов, вакуум-проводов, ловушки и приборов измерения давления. Система обеспечивает поддержание давления в вакуумной камере в пределах 133,3—666,5 мПа [(1—5) • 10“ 3 мм рт. ст. ]. Давление в разрядном промежутке на один-два порядка выше вследствие интенсивного испарения в дуге примесей, металла и газовыделения из оплавляющегося электрода.

ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕПЛАВА

В вакуумных дуговых печах переплавляют литые, кованые или катаные электроды, изготавливаемые из металла открытой выплавки или полученного в вакуумных индукционных печах.

К расходуемым электродам для ВДП предъявляют очень высокие требования по химическому составу, состоянию поверхности и гео­ метрии. При ВДП отсутствуют возможности дополнительного леги­ рования, поэтому состав металла электрода должен обеспечивать с учетом угара при переплаве попадание в заданный химический анализ. Наличие на поверхности электрода окалины, ржавчины или загрязнений недопустимо, так как разложение ржавчины и загряз­ нений увеличивает в атмосфере печи парциальное давление вредных газов и может отразиться на качестве металла после переплава. Падение кусочков окалины и загрязнений в ванну кристаллизатора может привести к образованию грубых дефектов.

Высокие требования, предъявляемые к форме электрода, объяс­ няются особенностями дугового разряда в вакуумных дуговых печах, где электрод, являющийся катодом, окружен анодом (кристал­ лизатором) со всех сторон. Нарушение центровки электрода отно­ сительно кристаллизатора вследствие его кривизны может привести к появлению боковых дуг, нарушению установившегося баланса тепла в слитке и появлению дефектов кристаллизации. В случае образования устойчивого бокового разряда дуга может прожечь

кристаллизатор и в печь попадет вода, что может окончиться взры­ вом печи.

В рассматриваемых печных установках используют электроды круглого или квадратного сечения. При переплаве электродов пря­

398

моугольного сечения дуга прогревает ванну неравномерно и в уда­ ленных от электрода зонах ванны металл находится в тестообразном состоянии.

Перед употреблением поверхность электродов полностью обта­ чивают на токарных станках или полностью зачищают наждачными кругами. Глубокие дефекты (трещины, раковины) вырубают после зачистки поверхности. Наличие на поверхности электродов трещин, раковин и других местных дефектов не допускается, так как при оплавлении электрода от него могут отвалиться нерасплавившиеся куски, которые тонут в ванне жидкого металла и нарушают струк­ туру слитка. На темплетах они обнаруживаются в виде пятен. Такой дефект, получивший название «белое пятно», в слитке вакуумного дугового переплава совершенно недопустим.

Непосредственно перед загрузкой в печь поверхность электрода протирают мягкой ветошыо, смоченной в бензине или ацетоне. На большинстве печей электрод загружают снизу. При этом вначале собирают поддон с кристаллизатором, на поддон устанавливают электрод, центруют его относительно кристаллизатора и механизмом подъема поддона весь узел поднимают вверх, вводя верхний конец электрода в вакуумную камеру. Через люк вакуумной камеры обслу­ живающий персонал закрепляет электрод в штоке и механизмом перемещения электрода шток с электродом поднимают в верхнее положение.

Печь герметизируют, откачивают до достижения технологиче­ ского вакуума и проверяют натекание. При нормальном вакууме и допустимой величине натекания начинают процесс переплава.

Весь процесс переплава можно разделить на три стадии: развш дение ванны, переплав и выведение усадочной раковины.

Процесс переплава начинают на максимальной мощности с тем, чтобы как можно быстрее получить в кристаллизаторе ванну жидкого металла. Для уменьшения тепловой нагрузки от дуги на поддон на него укладывают так называемую затравочную шайбу, пред­ ставляющую собой диск несколько меньшего диаметра, чем диаметр кристаллизатора, и толщиной 20—30 мм, изготовленный из того же металла, что и электрод. Благодаря этому дуга возбуждается не между поддоном и электродом, а между электродом и затравочной шайбой. Чтобы исключить приваривание шайбы к электроду в мо­ мент короткого замыкания и появление при подъеме электрода дуги между шайбой и поддоном, на шайбу укладывают несколько витков стружки, наличие которой исключает при коротком замыкании непо­ средственный контакт между шайбой и электродом.

После возбуждения дуги из металла электрода и затравочной шайбы формируется жидкая ванна. Когда жидкий металл полностью закроет поддон, процесс переводят на рабочий режим, понижая мощность до оптимальной для данных условий.

Процесс переплава занимает основное время плавки и продол­ жается на печах разной мощности от 3 до 20 ч. Основным в процессе переплава является поддержание как можно более стабильного режима, не допуская переброса дуги на стенки кристаллизатора,

399