Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

'В установках такого типа плавильный объем рабочей камеры отделен от рафинировочного перегородкой. Капли жидкого металла переплавляемой заготовки стекают не в кристаллизатор, а в проме­ жуточную емкость (холодный под), по которой перетекают в рафи­

нировочную часть рабочей

камеры. Здесь металл дополнительно

•перегревается электронными

пушками,

рафинируется и стекает

в кристаллизатор. Управление процессом кристаллизации осуще­

ствляется специальной электронной

пушкой, поддерживающей

в кристаллизаторе оптимальную глубину жидкой ванны.

При такой схеме рафинирования процессы плавления заготовки, рафинирования и кристаллизации осуществляются в отдельных зонах, что позволяет поддерживать оптимальные условия для ка­ ждого процесса. Если установку снабдить шлюзовыми устройствами для подачи заготовок и уборки слитков, то в ней становится легко осуществимым непрерывный процесс, причем плавление заготовки можно проводить необязательно электронным лучом. В принципе такие установки могут работать на жидком полупродукте, получа­ емом более экономичным способом.

Установка электроннолучевого подового рафинирования рабо­ таете 1970 г. в Беркли (США). Плавление и черновое рафинирование металла осуществляются в вакуумной индукционной печи. Полу­ продукт переливается в индукционную печь проходного типа, из которой непрерывно поступает на холодный под, подогревается электронным пушками, рафинируется и поступает в установку непрерывной разливки. Система оборудована двадцатью двумя элек­ тронными пушками мощностью 200 кВт каждая при напряжении 30 кВ, из них постоянно работают не более девятнадцати, а осталь­

409

ные являются резервными. Чтобы предотвратить попадание на эмит­ тер пушки паров и брызг, электронный луч отклоняется на угол 270°.

На установке рафинируют ферритные нержавеющие стали, со­ держащие 26% Сг и 1% Мо. После рафинирования сталь содержит менее 0,002% С и менее 0,008% N; содержание других вредных при­ месей может быть понижено до уровней ниже порога чувствитель­ ности аналитических способов их обнаружения. При этом на каждую тонну рафинируемого металла испаряется примерно 20 кг расплава.

Раздел VI

НЕВАКУУМНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Глава 31

ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ПЛАВКА

ПОЛУЧЕНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ДУГИ

Одним из экономичных и перспективных методов получения металла высокого качества является плазменно-дуговая плавка (ПДП), при применении которой нагрев и плавление металла про­ исходят за счет тепла, генерируемого в так называемой плазменной дуге.

Плазма, по определению Лэнгмюра и Тонкса, предложенному ими в 1923 г., представляет собой газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизирована. В полностью ионизирован­ ное состояние переходит вещество, нагретое до температуры в мил­ лионы градусов, когда вследствие большой кинетической энергии частиц нарушаются связи между электронами и атомными ядрами. Естественно, получить и использовать такую температуру в про­ мышленных установках, в том числе и в плазменных печах, не пред­ ставляется возможным, да, по-видимому, и не нужно.

Источником тепла в плазменно-дуговых установках является сжатая в поперечном направлении электрическая дуга. Сжатие дуги газовым потоком или магнитным полем приводит к значитель­ ному увеличению плотности тока, вследствие чего заметно возрастает степень ионизации частиц и, следовательно, среднемассовая темпе­ ратура дуги, которая достигает 10000—30000° С. В отличие от обыч­ ного дугового разряда, когда температура столба дуги не превы­ шает 6000—8000° С, такую дугу называют интенсивной или плаз­ менной, хотя по физической сущности ее лучше бы называть сжатой или отшнурованной.

Сжатую высокотемпературную дугу получают при помощи спе­ циальных устройств — плазмотронов. В металлургии применяют

410

в основном плазмотроны, в которых сжатие дуги осуществляется потоком газа.

Металлургический плазмотрон (рис. 155) состоит из корпуса, кожуха и электрододержателя, расположенных коаксиально. Основ­ ным узлом, на котором крепятся электрододержатель, сопло и дру­ гие детали, является корпус. Снаружи корпус окружен водоохла­ ждаемым кожухом. Наружная поверхность кожуха обработана по ходовой посадке, позволяющей вводить плазмотрон в печной объем через специальное уплотнение. Внутри корпуса на электроизоля­ ционных втулках закреплен электрододержатель, выполненный в виде водоохлаждаемого штока, в нижнюю часть которого ввин­ чивается съемный вольфрамовый катод. На верхней части штока имеется наконечник для крепления контактных токоподводящих щек. Внизу к корпусу через уплотнительные кольца крепится медное съемное водоохлаждаемое сопло. Плазмотрон изготавливают из коррозионностойких материалов, и сочленяющиеся части его соеди­ няются герметично.

В начальный момент при помощи осциллятора возбуждается де­ журная дуга между катодом и соплом плазмотрона, к которому на время возбуждения дуги подводится положительный потенциал. В момент появления дежурной дуги в кольцевой зазор между электрододержателем и корпусом подают под давлением через сопло ра­ бочий газ. Газ, истекающий из плазмотрона тангенциально через сопло, отрывает дугу от сопла, являющегося анодом, и замыкает цепь между электродом плазмотрона и поверхностью нагреваемого металла, к которому также подводится положительный потенциал. После появления дуги между электродом плазмотрона и нагревае­ мым металлом сопло плазмотрона отключают от электрической цепи и, поднимая плазмотрон, растягивают сжатую газовым потоком дугу до необходимой длины, достигающей в зависимости от типа установки 1—2 м.

Омываемая относительно холодным газовым потоком отшнурованная дуга обладает сравнительно малой излучательной способ­ ностью. Поэтому, несмотря на высокую температуру в столбе дуги и его большую длину, доля тепла, излучаемого через боковую по­ верхность дуги, невелика.

По сравнению с обычным электродуговым нагревом плазменнодуговой нагрев имеет ряд преимуществ:

1. Высокая концентрация тепла в отшнурованной дуге и экрани­ рование ее струей относительно холодного газа позволяют прово­ дить нагрев и плавление металла со значительно более высокими скоростями.

2. Более высокая степень ионизации газа в столбе дуги обусло­ вливает более низкий градиент напряжения в дуге, в связи с чем при одинаковом общем падении на дуге сжатая дуга в несколько раз длиннее обычной. При большой длине дуги ни обвалы твердой шихты,

ни

всплески жидкого металла не оказывают заметного влияния

на

стабильность горения сжатой дуги, поэтому для стабилизации

и регулирования отшнурованной дуги нет необходимости постоянно

411

Ф 200

DOOir

N-N

Рнс. 155. Схематическое изображение метал­ лургического плазмотрона:

1 — электрододержатель; 2 — корпус; 3 — ко­ жух; 4 — электрод; 5 — сопло

412

Перемещать плазмотрон, отпадает надобность в сложном оборудо­ вании перемещения электродов и защиты электрооборудования от коротких замыканий.

3.При использовании для образования плазмы определяемого газа (аргона, азота, водорода и др.) над жидким металлом может быть создана любая атмосфера — нейтральная, восстановительная, окислительная и благоприятные условия для протекания в металле тех или иных реакций.

4.Плавка в плазменных печах с нейтральной атмосферой и низ­ ким парциальным давлением вредных газов по возможностям дега­ зации металла сопоставима с вакуумной индукционной плавкой. Это позволяет осуществлять эффективную дегазацию металла без использования дорогостоящего вакуумного оборудования, а при повышенном давлении в объеме плазменной печи эффективная дега­

зация не сопровождается повышенным угаром летучих примесей.

5.Отшнурованная дуга в принципе может поддерживаться при изменении в рабочей камере давления в широких пределах — от пониженного, близкого к давлениям в вакуумных агрегатах, до избыточных. Это делает ПДП более гибкой и универсальной по сравнению с обычной электродуговой.

6.Отсутствие электродов из углеродистых материалов при ПДП исключает науглероживание металла, что имеет особое значение для производства низкоуглеродистых сталей и сплавов. Применение плазмотронов особой конструкции, в которых используется элек­ тромагнитное вращение дуги, приводящее к быстрому перемещению катодных и анодных пятен дуги, позволяет уменьшить износ катода

ипрактически вообще исключить загрязнение металла материалом электрода.

Таким образом, сжатая дуга является очень удобным способом получения качественного металла, основанным на превращении электрической энергии в тепловую и позволяющим с большой ско­ ростью нагревать и плавить металл, не загрязняя его материалом электрода, а также обрабатывать расплав плазмообразующим газом.

В настоящее время сжатую дугу используют в качестве источника нагрева в печах двух типов — в плазменно-дуговых печах с керами­ ческим тиглем и в установках ПДП заготовок в водоохлаждаемый

кристаллизатор.

ПЛАВКА В ПЛАЗМЕННО-ДУГОВЫХ ПЕЧАХ С КЕРАМИЧЕСКИМ ТИГЛЕМ

Печи этого типа в отношении их конструкции являются модифи­ кацией обычных дуговых сталеплавильных печей, отличаясь от них лишь тем, что вместо электродов устанавливают один или несколько плазмотронов, а для подачи потенциала на нагреваемый металл в подину закладывают подовый электрод (см. рис. 6). Для уменьше­ ния подсоса воздуха в пространство печи кожух печи выполняют более герметичным и уплотняют все места сочленений.

На одном из отечественных заводов работает плазменно-дуговая печь с керамическим тиглем емкостью 5 т, созданная на базе стан­

ем

дартной дуговой сталеплавильной печи ДСВ-5 с выкатным корпусом. При реконструкции печи вместо графитированных электродов были установлены 3 плазмотрона и подовый водоохлаждаемый электрод, печной трансформатор был заменен силовым понижающим транс­ форматором и блоком полупроводниковых выпрямителей, была улуч­ шена герметичность кожуха и уплотнений. Мощность источника питания была увеличена более чем в 3 раза и составляет теперь почти 10 000 кВА при вторичном напряжении 380В и силе выпрямленного тока 25 000 А. Несмотря на значительное увеличение мощности и концентрации тепла в сжатой дуге тепловая нагрузка на футеровку стен благодаря экранированию дуги газом не увеличилась, что позволяет значительно интенсифицировать нагрев п повысить про­ изводительность агрегата.

Ввиду того, что преимущества ПДП наиболее полно реализуются при безшлаковом процессе, шихту подбирают чистой по фосфору

исере, хотя в принципе ПДП позволяет вести процесс со шлаком

иудалять эти вредные примеси. Желательно также, чтобы шихта не была сильно окисленной. При выплавке стали некоторых марок шихту целесообразно осветлять как для ВИП. В остальном требова­ ния к шихте для ПДП не отличаются от требований, предъявляемых

кшихте для обычной дуговой плавки.

При загрузке печи на подину загружают малогабаритную шихту, предохраняющую подину от разрушения и обеспечивающую хороший электрический контакт с подовым электродом. Для связывания кислорода воздуха, оставшегося в объеме печи после «промывки» его рабочим газом, в состав завалки целесообразно вводить неболь­ шое количество материалов, связывающих кислород (силикокальций, ферросилиций, магний и др.).

Перед включением печи из плавильного объема необходимо вы­ теснить воздух рабочим газом. Для этого через один из плазмотро­ нов подают аргон или другой плазмообразующий газ, подняв при этом второй плазмотрон до предела и давая тем самым выход воздуху. Спустя 7—8 мин плазмотрон опускают и начинают плавку.

В начале плавления энергия дуги хорошо поглощается холодной

шихтой в анодном пятне и теплопроводностью передается остальной

шихте. Под плазмотронами

очень быстро прожигаются колодцы.

В дальнейшем тепло дуги поглощается в основном скапливающимся

на подине печи жидким металлом, сильно перегревающимся и рас­

творяющим твердую шихту. Таким образом, в отличие от обычных

дуговых печей расплавление шихты в плазменных печах идет снизу

и футеровка значительное время оказывается экранированной от

излучения с поверхности жидкого металла твердой шихтой. Это

позволяет значительно увеличивать нагрузку и уменьшать продол­

жительность расплавления

по сравнению с плавлением обычной

дугой.

После расплавления и нагрева металла расплав выдерживают для его рафинирования и при необходимости присаживают раскис-

лители и легирующие.

Из-за высокой температуры контактирующих

с дугой слоев газа и

высокой степени диссоциации двухатомных

414

Источник: https://tut-files.ru/previewfile/155569