Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

газов при плазменной плавке концентрация газов в металле изме­ няется в соответствии с изменением их парциального давления

впечной атмосфере. Это дает возможность регулировать, например, содержание азота в металле простым изменением его концентрации

ватмосфере печи и получать легированную азотом сталь без исполь­ зования специальных азотированных ферросплавов. Плазменная же плавка в атмосфере нейтрального газа, содержащего менее 0,02% активных газовых примесей, при давлении 1 кПа (1 ат) термодинами­ чески эквивалентна проведению процесса в вакууме порядка 2 Па (1,5-10“ 2 мм рт. ст.) и позволяет осуществлять эффективную дега­ зацию больших масс металла без использования вакуумного обору­ дования.

Слабым звеном ПДП в печах с керамическим тиглем является выпуск и разливка металла, так как в это время рафинированный металл контактирует с воздухом. Разработанные меры по защите металла от воздействия воздуха во время выпуска и разливки пока недостаточно эффективны. Кроме того, при использовании печей такого типа имеется опасность прогорания подового водоохлажда­ емого электрода, что может привести к аварии.

Использование плазменного нагрева значительно упрощает тех­ нологию получения качественного металла в больших количествах, улучшает условия труда. Плазменная печь работает практически бесшумно и значительно меньше выделяет дыма.

Плазменные печи применяют для получения стали и сплавов высо­ колегированных марок высокого качества. В этих печах в результате меньшего угара значительно экономятся легирующие элементы (хром, никель и др.), имеется возможность регулировать содержание азота в металле изменением состава атмосферы. По сравнению с металлом обычной выплавки качество металла ПДП значительно выше, а себе­ стоимость его ниже себестоимости металла вакуумных плавок.

ПДП ЗАГОТОВОК В ВОДООХЛАЖДАЕМЫЙ КРИСТАЛЛИЗАТОР

Особенности плазменно-дугового нагрева позволяют использовать его и в установках рафинирующего переплава твердых заготовок

Институтом электросварки им. О. Е. Патона АН УССР разрабо­ тана конструкция установки плазменно-дугового рафинирующего переплава заготовок жаропрочных, нержавеющих и конструкцион­ ных легированных сталей в водоохлаждаемый медный кристаллиза­ тор. Установка позволяет наплавлять слитки сечением 450Х-450 мм или диаметром до 650 мм, длиной до 2300 мм и массой до 5 т.

Плавильная камера установки представляет собой вакуумплотный резервуар, состоящий из двух усеченных конусов, соединенных болтами. К верхнему конусу — крышке камеры через изоляцион­ ное кольцо крепится камера заготовки с механизмом подачи заго­ товки, шесть патрубков для крепления плазмотронов и патрубок для крепления датчика уровня ванны. Плазмотроны располагают радиально под углом к оси заготовки и кристаллизатора.

415

На нижнем конусе—корпусе камеры имеются фланец для крепле­ ния плиты кристаллизатора и камеры слитка с механизмом вытяги­ вания и разгрузки слитка, три патрубка со смотровыми системами для визуального наблюдения за процессом переплава, патрубок для крепления механизма подачи флюса и патрубок вакуумной системы.

Укороченный кристаллизатор состоит из трех водоохлаждаемых поясов: двух медных и одного (нижнего) стального. Токоведущим штоком слиток из кристаллизатора вытягивается в камеру слитка. Подъем и опускание камеры со слитком осуществляются четырьмя гидроцилиндрами.

газа и патрубок с люком для обслуживания камеры.

Для увеличения возможностей рафинирования металла в процессе переплава предусмотрена подача флюса в ванну кристаллизатора по ход)- переплава. Флюс находится в специальном бункере, нижний патрубок которого входит в патрубок дозатора, перекрываемый клапаном, управляемым электромагнитом. Для уравновешивания давления в бункере он соединен с системой рециркуляции газа плавильной камеры.

Установка снабжена шестью плазмотронами. Особенность ее заключается в том, то она питается переменным трехфазным током промышленной частоты. Плазмотроны объединены в два блока по три штуки в блоке. Каждый блок питается от своего силового транс­ форматора. Цепь между плазмотронами замыкается по ванне металла в кристаллизаторе, как в обычной дуговой печи. Для стабилизации температуры электродных пятен в цепь плазмотрон—ванна от вы­ прямителя дополнительно подается постоянная составляющая силы тока.

Установка оборудована системой рециркуляции плазмообразу­ ющего газа производительностью до 50 м3/ч, вакуумной системой для удаления воздуха из объема плавильной камеры, приборами кон­ троля и управления.

На установке можно переплавлять расходуемые заготовки, полу­ ченные любым способом: отливкой на установках непрерывной и по­ лунепрерывной разливки, ковкой или прокаткой, причем к заго­ товке, предназначенной для ПДП, по качеству поверхности и гео­ метрической форме предъявляются более низкие требования, чем в случаях ВДП и ЭЛП.

Заготовки загружают снизу через камеру слитка. Вместе с каме­ рой слитка заготовка поднимается, верхний конец ее вводится в плавильную камеру и крепится к штоку. Перед началом плавки

416

печь герметизируют и дважды промывают аргоном, заполняя ее аргоном до достижения атмосферного давления и откачивая вакуум­ ным насосом. Расход аргона на промывку камеры составляет 12 м3.

В конце плавки камеру заполняют воздухом и разгерметизируют. После уборки слитка и огарка чистят и осматривают механизмы пла­ вильной камеры, камеры слитка, захват с токоподводом, механизм подачи заготовки. Время цикла плавки составляет 10—12 ч.

Качество металла при применении ПДПзаготовки вводоохлажда­ емый кристаллизатор повышается вследствие дегазации, обработки жидкого металла активными газами (а в некоторых случаях и флю­ сами), а также благодаря принудительно направленной кристаллиза­ ции. Как уже отмечалось, по возможностям дегазации ПДП прибли­ жается к ВИП, но выгодно отличается от нее отсутствием контакта расплава с футеровкой, меньшим угаром легирующих элементов и более низкой стоимостью оборудования.

По возможности рафинирования металла в процессе кристаллиза­ ции процесс ПДП приближается к процессу ЗЛП, поскольку он позволяет регулировать скорость кристаллизации независимо от скорости плавления, поддерживать высокий градиент температуры в ванне кристаллизатора и плоскую форму ванны и создавать тем самым наиболее благоприятные условия для очистки металла при затвердевании. ПДП выгодно отличается от ЭЛП более простой кон­ струкцией установки, отсутствием сложного высоковольтного обо­ рудования и более высокой производительностью, но уступает ему по возможностям рафинирования металла от летучих примесей, в частности от цветных металлов.

Глава 32

ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫЙ ПЕРЕПЛАВ

ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОМ ПЕРЕПЛАВЕ

Электрошлаковый переплав (ЭШП), разработанный институтом им. Е. О. Патона АН УССР, возник в результате усовершенствова­ ния электрошлаковой сварки. При сварке деталей под слоем флюса металл сварного шва часто по свойствам превосходит металл элек­ трода. Это послужило основанием для разработки способов переплава электродов большого сечения под специально подобранными флю­ сами, обеспечивающими наиболее эффективное рафинирование ме­ талла, и обеспечило внедрение этого метода в металлургическое производство для получения металла высокого качества.

Характерной особенностью процесса ЭШП (см. рис. 3) является отсутствие электрической дуги. Электрическая цепь менаду расходу­ емым электродом и наплавляемым слитком, к которым подводится разность потенциалов, замыкается через слой расплавленного шлака. Шлак, как известно, в твердом виде ток вообще не проводит,

а в жидком состоянии становится электропроводным, но обладает высоким сопротивлением. На этом участке электрической цепи выде­ ляется много тепла, шлак нагревается до температуры 1700—2000° С, в результате чего оплавляется погруженный в него конец расходу­ емого электрода. Металл электрода в виде отдельных капель пере­ текает в ванну кристаллизатора и спустя некоторое время кристал­ лизуется там в условиях направленного сверху вниз отвода тепла и высокого градиента температуры, создаваемого подогревом ванны шлаком сверху и охлаждением поддона и кристаллизатора водой.

При нормальном течении процесса ЭШП оплавляющийся торец электрода имеет форму правильного конуса, на вершине которого образуется только одна капля. На каплю электродного металла действует несколько сил: сила тяжести н электродинамические силы (пинч-эффект), отрывающие ее от электрода, и силы межфаз­ ного натяжения, противодействующие отрыву. Отрыв капли проис­ ходит в момент, когда гравитационные и динамические силы пре­ высят силы межфазного натяжения. По сравнению с другими пере­ плавными процессами при ЭШП на каплю действует выталкивающая сила, равная весу вытесненного шлака, поэтому масса отрывающейся капли в случае ЭШП больше, чем при других процессах капельного переплава.

После отрыва капля движется вертикально и практически неза­ висимо от глубины погружения электрода, электротехнических пара­ метров процесса и свойств шлака проходит межэлектродный проме­ жуток за 0,1—0,3 с. Падающая капля под действием кинетических сил погружается в объем жидкой ванны и вызывает волнообразное колебание поверхности ванны. В результате всплесков ванны в шлак попадают мелкие брызги металла.

Расчет приведенной поверхности реагирования, представляющей собой произведение геометрической поверхности реагирования на время контакта металла со шлаком с учетом их температур в данной зоне, показывает, что наиболее вероятным местом большинства реак­ ций является поверхность контакта шлака с пленкой жидкого ме­ талла на конусе. В то же время процессы, требующие высокой температуры, например удаление серы, протекают в основном на поверхности раздела ванна — шлак, где достигается максимальная температура металла. Взаимодействие металла со шлаком на стадии капельного переноса вследствие малой геометрической поверхности контактирования, малого времени жизни и незначительного пере­ грева (примерно на 10° С выше температуры металла в пленке) имеет подчиненное значение. Условия кристаллизации металла при ЭШП в общем аналогичны условиям кристаллизации слитка в водо­ охлаждаемом кристаллизаторе при других .переплавных процессах (ВДП, ЭЛП, ПДП), но наличие над ванной жидкого металла слоя перегретого шлака и образование теплоизолирующей корочки твер­ дого шлака на стенках кристаллизатора способствуют более ярко выраженному осевому отводу тепла.

По характеру затвердевания металла слиток ЭШП можно разде­ лить по высоте на три зоны:

418

1. Зона наведения шлаковой ванны. Первые порции металла кон­ тактируют непосредственно с центральной частью поддона или за­ травки. Фронт кристаллизации в это время расположен горизон­ тально, благодаря чему создаются условия для вертикального роста дендритов. Контактирующий со стенками кристаллизатора недоста­ точно нагретый и потому вязкий шлак образует на стенках грубую корку затвердевшего шлака.

2. Зона устойчивого переплава. При увеличении объема жидкого металла уровень металла и шлака поднимается, а глубина металли­ ческой ванны в центре увеличивается. Так как со стейками кристал­ лизатора в первую очередь контактирует жидкий и уже хорошо нагретый шлак, то он намерзает на кристаллизаторе в виде сплош­ ной тонкой корочки, обладающей низкой теплопроводностью и исклю­ чающей непосредственный контакт между металлом и кристаллиза­ тором. Поэтому основной поток тепла из ванны направлен на поддон, и сохраняются условия для протекания выраженной осевой кристал­ лизации.

По мере наплавления слитка его тепловое сопротивление увели­ чивается, в результате чего появляется цилиндрическая часть ванны и возрастает доля тепла, отводимого к стенкам кристаллиза­ тора. При чрезмерно глубокой ванне роль радиального отвода тепла возрастает и в верхней части слитка ЭШП могут появиться те же дефекты радиальной кристаллизации, что и в слитках ВДП.

3. Зона выведения усадочной раковины. Постепенным уменьше­ нием скорости плавления и подогревом шлака после прекращения плавления электрода можно полностью исключить образование усадочных дефектов и получить практически горизонтальную по­ верхность верхней части слитка.

Таким образом, повышение качества металла при ЭШП обеспе­ чивается рафинированием его сильно перегретым активным шлаком и осевой последовательной кристаллизацией. Степень рафинирова­ ния металла и структура наплавляемого слитка определяются фи­ зико-химическими свойствами шлака и металла и тепловым состоя­ нием жидкой ванны, которое в свою очередь определяется электро­ техническими параметрами процесса, геометрией электрода и кри­ сталлизатора и рядом других факторов.

Важнейшее влияние на металлургические процессы и электро­ технические параметры переплава оказывают состав и свойства шлаков (флюсов). В настоящее время наибольшее распространение получили десульфурирующие фтористые флюсы на основе CaF„ с добавками прочных окислов, а также шлаки системы СаО—А12 0 3 (см. табл. 7). Для глубокого окисления в процессе переплава угле­ рода, фосфора и других примесей используют шлаки с высоким содержанием закиси железа или марганца. В некоторых случаях применяют также шлаки на основе хлоридов или кислые шлаки.

Шлак при ЭШП не только рафинирует металл от нежелательных примесей, но и является генератором тепла, формирует поверхность слитка, защищает металл от взаимодействия с газами, участвует в замыкании электрической цепи и выполняет ряд других функций.