Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

Поэтому к нему предъявляют жесткие требования по химическому составу, физическим и физико-химическим свойствам. В основном эти требования сводятся к следующим:

1.Состав шлака должен обеспечивать протекание определенных физико-химических процессов, обеспечивающих рафинирование ме­ талла от нежелательных растворенных примесей и неметаллических включений, защиту активных легирующих элементов (алюминий, титан и др.) от окисления, стабильность химического состава по высоте наплавляемого слитка.

2.При рабочих температурах (1500—1900° С) электропровод­ ность шлака должна составлять порядка 1— 6 См/см. Слишком высо­ кая проводимость шлака может не обеспечить необходимую концен­ трацию тепла, а слишком малая может привести к появлению дуго­ вых разрядов.

3.Шлак должен быть легкоплавким, иметь высокую температуру кипения и мало изменять вязкость в широком интервале температур, т. е. быть «длинным». Такой шлак образует ровную тонкую корочку гарниссажа и позволяет получать слиток с поверхностью высокого качества. Использование тугоплавкого «короткого» шлака приводит

кпоявлению ряда поверхностных дефектов.

4.Шлак должен отличаться высоким межфазным натяжением на границе с металлом и обладать высокой адгезией к неметалли­ ческим включениям. Это способствует хорошему отделению шлака от металла, предотвращает его запутывание в металлической ванне

иобеспечивает хорошее отслоение корочки шлака от поверхности слитка, а также способствует извлечению шлаком неметаллических включений.

Кроме того, шлаки для ЭШП не должны содержать дефицитные компоненты, должны легко дробиться, не быть слишком гигроскопич­ ными или очень дорогими.

Чаще всего ЭШП применяют для глубокой десульфурации ме­ талла, рафинирования от неметаллических включений и получения плотной однородной структуры. В связи с этим наиболее широко используют десульфурирующие шлаки.

Высокой десульфурирующей способностью обладает СаО, но катионы Са2+ образуют с анионами О2прочные связи, обусловли­ вающие высокую температуру плавления шлаков на их основе и значительное изменение вязкости при изменении температуры. Поэтому чаще используют шлаки на основе более дефицитного пла­ викового шпата, к которому для увеличения обессеривающей спо­ собности добавляют СаО.

Но CaF, и СаО обладают высокой проводимостью. Для увели­ чения электрического сопротивления к ним целесообразно доба­ влять глинозем, что вызывает образование в расплаве крупных

анионов AI3 O7 " , А10з~, АЬСГ" и уменьшение проводимости расплава. Шлак, содержащий 25—30% А12 0 3 и 60—70% CaF2, плавится при температуре примерно 1300° С, а при ЭШП находится в сильно пере­ гретом состоянии, благодаря чему становится очень активным.

420

Нежелательными примесями в шлаках при ЭШП являются лег­ ковосстановимые окислы (железа, марганца, хрома, кремния и др.), так как при переплаве металла, содержащего высокоактивные леги­

по высоте слитка. При наличии над ванной свободного кислорода окислы переменной валентности (окислы железа, марганца, титана и др.) служат, кроме того, переносчиками кислорода из атмосферы в металлическую ванну. На поверхности раздела шлак—атмосфера низшие окислы окисляются до высших, которые затем попадают на границу раздела шлак—металл. Там они вновь восстанавливаются до низших окислов, отдавая кислород металлу. «Перекачиванию»

Качество переплавленного металла во многом зависит от тепло­ вого состояния металлической ванны, тесно связанного с тепловым состоянием шлаковой ванны. К числу факторов, особенно сильно влияющих на тепловое поле, относятся диаметр электрода, химиче­ ский состав шлака, сила тока и напряжение.

Ванна становится более плоской с увеличением диаметра расходу­ емого электрода и напряжения на шлаковой ванне и с уменьшением силы тока и сопротивления шлака. При малом отношении диаметра электрода к диаметру кристаллизатора увеличивается неравномер­ ность выделения тепла в шлаковой ванне, основное количество кото­ рого выделяется под электродом, и возрастает глубина ванны в осе­ вой части слитка. То же происходит и при уменьшении напряжения, т. е. при уменьшении межэлектродного промежутка. Влияние длины межэлектродного промежутка носит экстремальный характер, так как при чрезмерном удалении конца электрода от поверхности металлической ванны снижается температура металла и качество его ухудшается. Следовательно, имеются оптимальные значения длины межэлектродного промежутка, величина которого мало зави­ сит от состава металла и шлака, а определяется главным образом диаметром электрода. При диаметрах электродов более 150 мм опти­ мальная длина промежутка равна примерно половине диаметра электрода.

Увеличение силы тока и сопротивления шлака при неизменных прочих условиях сопровождается увеличением скорости плавления и приводит к увеличению глубины ванны и более сильно выражен­ ной радиальной кристаллизации.

КОНСТРУКЦИЯ УСТАНОВОК ЭШП

ЭШП осуществляют, как правило, на воздухе, поэтому по сравнению с установками ВДП, ЭЛП и ПДП установки ЭШП более

просты.

Типовая однофазная установка ЭШП (рис. 156) состоит из стойки колонны, по которой при помощи специальных механизмов пере­ мещаются каретки электрододержателя и кристаллизатора, электрододержателя с механизмом зажима электрода, кристаллизатора, ПОД­

42/

дона, источника питания и токоподвода, системы охлаждения под­ дона и кристаллизатора, приборов контроля и управления.

Стойку выполняют обычно в виде пустотелой колонны, в верхней части которой перемещается контргруз, связанный с электрододержателем тросом, перекинутым через блок; контргруз служит для

перемещения кристаллизатора; 11 — токоподвод; 1-2 — трансформатор

уравновешивания части веса электрода с электрододержателем, нижняя же часть его используется как канал вентиляционной си­ стемы, предназначенной для отсоса выделяющихся из кристалли­ затора газов и пыли.

Конструкция кристаллизаторов установок ЭШП в общем анало­ гична конструкции кристаллизаторов вакуумных дуговых печей.

422

Более равномерное выделение тепла в шлаковой ванне по сравнению с тепловыделением от дуги и тепловая инерция шлаковой ванны создают более благоприятные условия для прогрева металла при ЭШП, что позволяет переплавлять металл не только в круглые, ио и в квадратные и прямоугольные кристаллизаторы. Имеются также установки с укороченным кристаллизатором; в них в процессе переплава либо затвердевающий слиток вытягивается из неподвиж­ ного кристаллизатора, либо слиток остается неподвижным, а по мере его направления кристаллизатор перемещается вверх. Уста­ новки с укороченным кристаллизатором предназначены, как пра­ вило, для получения крупных слитков массой в десятки и сотни тонн.

Передельные слитки наплавляют преимущественно в глуходон­ ные кристаллизаторы, снизу закрываемые поддонами, аналогичными по устройству поддонам дуговых вакуумных печен. Сверху на кри­ сталлизатор устанавливается коробка (на рисунке не показана), связанная через прорезь в колонне с вентиляционной системой и предназначенная для улавливания выделяющихся из кристаллиза­ тора газов и уменьшения подсоса в кристаллизатор атмосферного воздуха.

Поддон располагается на тележке, перемещающей после окон­ чания плавки и подъема кристаллизатора поддон со слитком в зону действия мостового крана.

Многие новые установки оборудованы устройствами для сифон­ ной заливки шлака в кристаллизатор, устраняющими необходимость в начале переплава расплавлять шлак в кристаллизаторе. В этом случае увеличивается производительность установки и улучшается строение нижней части наплавляемого слитка.

Установки ЭШП могут работать и на переменном, и на постоян­ ном токе. Применение постоянного тока было вызвано главным обра­ зом желанием использовать электролиз расплавленной ванны и та­ ким образом добиться очистки металла от некоторых примесей (серы, кислорода, водорода и др.), а также использовать одно и то же оборудование для ЭШП или ВДП. Отечественные установки ЭШП работают на более дешевом переменном токе. Практика показала, что переплав на переменном токе способствует и более глубокому рафинированию металла, в частности от серы, что связано с явле­ нием электрокапиллярной вибрации— изменением Величины меж­ фазного натяжения на границе металл — шлак при смене поляр­ ности. Это изменение вызывает вибрирование поверхности раздела и облегчает переход серы в шлак.

Установки ЭШП на отечественных заводах питаются от силовых трансформаторов. Процесс можно осуществлять по однофазной или трехфазной схеме с расплавлением трех электродов в одном или трех разных кристаллизаторах. Большинство установок работает

по однофазной схеме.

Недостаток обычных однофазных установок заключается в нерав­ номерности загрузки фаз силовой цепи и невозможности выполнить скомпенсированный (бифилярный) токоподвод на участке электрод—

'423

кристаллизатор, в результате чего эти установки характеризуются большим индуктивным сопротивлением. Индуктивность трехфазных печей с одним кристаллизатором и расположением электродов по вершинам равностороннето треугольника меньше, ио в них нельзя получать слитки прямоугольного и квадратного сечении. Располо­ жение трех электродов в ряд для получения квадратного или пря­ моугольного слитка, а также переплав электродов в разные кри­ сталлизаторы нарушает компенсацию токоподвода, приводит к пере­ носу мощности между фазами и неравномерному плавлению электро­ дов. Установку приходится отключать после расплавления одного электрода, когда значительная часть двух других еще не перепла­ влена.

Рис. 157. Схема прохождения тока в электрошлаковых установках с обычным (а и б) и бнфнлярным (в) токоподводом:

В последние годы разработаны установки ЭШП по так называ­ емой бифилярной однофазной схеме. По этой схеме в одном кристал­ лизаторе переплавляют два электрода одинакового сечения, вклю­ ченных последовательно и подаваемых, в шлаковую ванну с одинако­ вой скоростью одним электрододержателем с двумя изолированными токоподводами, а к поддону подключают нулевую точку трансфор­ матора. Тем самым обеспечивается бифилярность токоподвода на всех участках, включая и расходуемые электроды, и достигается значительное снижение индуктивности короткой сети. В этом случае значительно увеличивается производительность установки и на 25—30% снижается расход электроэнергии. Это достигается не только в результате улучшения параметров короткой сети, но и вследствие более благоприятного распределения температуры в шла­ ковой ванне. При ЭШП, проводимом по обычной схеме, значительная доля тока проходит на кристаллизатор (рис. 157, а и б), а выделя­ ющееся при этом тепло уносится охлаждающей водой. При работе по бифилярной схеме основное количество тепла выделяется между электродами и полнее используется на плавление и перегрев металла (рис. 157, б), а по цепи электрод— тело слитка — поддон проходит

424