Специальной электрометаллургии

Специальная электрометаллургия (СЭМ) — подотрасль металлургического произ­водства, призванная обеспечивать нужды народного хозяйства в металле наиболее высокого качества и наивыс­шей надежности. СЭМ возникла вско­ре после окончания Второй мировой войны в тот период, когда для разви­тия авиакосмической техники, атомной промышленности, энергетики, различ­ных отраслей так называемой новой техники потребовался во все возраста­ющих объемах металл с заданными служебными свойствами, с заданным ресурсом. Известно, что на Западе в те годы был взят курс на вакуумно-дуговой переплав (ВДП). Уже к на­чалу 60-х гг. США обладали крупнейшим в мире потенциалом в этой обла­сти — установленная мощность печей ВДП измерялась сотнями тысяч тонн слитков в год.

В условиях послевоенного восста­новления и развития народного хозяй­ства страны (напомним, что оккупанты особо крупный урон нанесли нашей металлургии и энергетике) мы не име­ли возможности заниматься ВДП. В те годы не хватало вакуумного оборудо­вания, мощных источников постоянно­го тока и для других, быть может, не менее важных в то время отраслей производства. Таким образом, в стране сложились объективные предпосылки для ускоренного развития ЭШП в ка­честве альтернативы ВДП.

Напомним некоторые важнейшие этапы развития ЭШП в нашей стране и за рубежом. Уже к 1960—1962 гг. у нас были построены и давали про­дукцию высокого качества специали­зированные цеха ЭШП практически на всех заводах черной металлургии, производивших легированные стали. Это были в основном передельные слитки шарикоподшипниковых, ин­струментальных, нержавеющих и жа­ропрочных сталей и сплавов круглого и квадратного сечения, подвергаемые переделу на сортовой прокат и труб­ную заготовку. Появились первые пе­чи ЭШП и на заводах цветной метал­лургии (хромистая бронза, монель-металл, магнитомягкие сплавы и др.). К концу 60-х гг. у нас появились первые в мире печи ЭШП, на которых стали получать крупнотоннажные слит­ки прямоугольного сечения, прокаты­ваемые на толстый лист. С этого вре­мени ЭШП начали подвергать не толь­ко средне- и высоколегированные, но и низколегированные конструкционные стали. В наши дни сортамент пере­дельных листовых слитков ЭШП в чер­ной металлургии достиг 20—40 т. По­явились печи ЭШП второго и третье­го поколений — бифилярные, много­электродные, снабженные автоматизи­рованными системами управления тех­нологическим процессом (АСУ ТП ЭШП). Освоено производство полых слитков самого широкого сортамента. Переплаву теперь подвергают стали и сплавы практически всех структурных классов, назначений, систем легирования. Общий выпуск электрошлакового металла только в черной металлургии измеряется многими сотнями тысяч тонн слитков в год. Созданы уникальные цеха ЭШП в машиностроении. Масса электрошлакового кузнечного слитка достигла 200 т. По объему производства электрошлакового металла по уровню техники в этой области металлургического производства наша страна неизменно занимает передовые позиции. Приоритет отечественной науки и техники в области ЭШП подтвержден почти 800 патентами во всех развитых в экономическом отношении капиталистических странах.

4.1. ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ ПЛАВКА

Основное назначение печей электрошлакового пе­реплава — производство слитков из высококачественных сталей: шарикоподшипниковых, конструкционных, не­ржавеющих, жаропрочных, теплостойких, валковых и др.

Слиток, полученный методом электрошлакового переплава (ЭШП), отличается от обычного слитка, отлитого в изложницу, отсутствием усадочной ракови­ны, осевой пористости, осевой и внецентренной ликва­ции, чистотой по неметаллическим включениям и сни­женной анизотропией механических свойств, лучшей деформируемостью. Возможно также применение ЭШП для улучшения качества цветных металлов — меди, титана и сплавов на их основе, а также ферросплавов и тугоплавких металлов, например мо­либдена.

Большое распространение получил ЭШП в произ­водстве стальных слитков круглого и квадратного се­чения массой до 5 т, являющихся заготовками для сортового проката. Этим методом получают также слитки прямоугольного сечения для листопрокатного производства. Метод ЭШП в последнее время нахо­дит применение для производства полых слитков, раз­личного вида фасонных заготовок: коленчатых валов, корпусов арматуры, баллонов высокого давления и других изделий. Крупнотоннажные слитки круг­лого сечения (свыше 5 т) используют для кузнечного передела при производстве ответственных поковок (валы турбогенераторов, валки прокатных станов и т. п.).

Сущность ЭШП, впервые предложенного Инсти­тутом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР в 1952—1957 гг., заключается в следующем (рис. 4.1). Расходуемый электрод из переплавляемого металла погружается в слой электропроводящего флюса (шла­ка), размещенного в водоохлаждаемом металлическом кристаллизаторе, к которому примыкает водоохлаждаемый поддон. Электрический ток, пропускаемый че­рез электрод и шлак, поддерживает последний в рас­плавленном состоянии при температуре 1600—2000°С [20].

Часть тепла, выделяемого в шлаковой ванне, передается контакти­рующему с ней электроду, торец которого оплавляет­ся. Для компенсации сплавления элек­трода он непрерывно подается вниз. Капли металла, стекающие с торца электрода, про­ходят через слой шлака, очищаются в результате фи­зико-химического взаимодействия с ним и формиру­ются в водоохлаждаемом кристаллизаторе в виде слитка. В процессе переплава в верхней части слит­ка на границе со шлаковой ванной образуется ванна жидкого металла, а на боковой поверхности слитка — тонкая корочка затвердевшего шлака (гарнисаж).

	Металл с электрода в жидкую металлическую ванну слитка пере­носится каплями. Процесс образова­ния и отрыва капель происходит прерывисто. Под действием тепла, передаваемого от шлаковой ванны, металл электрода начинает рас­плавляться по всей поверхности погруженного в шлак конца элект­рода. Электрод приобретает форму параболоида вращения, при неболь­ших значениях заглубления – вог­нутого, при значительных – выпуклого. При заглублении, примерно равном половине диаметра электро­да, конец электрода имеет вид, близкий к конусу со скругленным концом (рис. 4.2). На расплавленный металл в пленке на конце электрода дей­ствует несколько сил. Гравитацион­ные и электродинамические силы пытаются оторвать металл от элек­трода, а силы поверхностного на­тяжения и молекулярного сцепле­ния противодействуют этому.
Рис. 4.1. Схема электрошлакового переплава:   1 — расходуемый электрод; 2 — шлаковая ванна; 3 — кристалли­затор; 4 — поддон; 5 — слиток; 6 — металлическая ванна; 7 — шлаковый гарнисаж
Рис. 4.2. Изменение формы конца электро­да по мере его заглубления в ванну
Рис. 4.3. Осциллограмма тока при электрошлаковом переплаве

Капли метала, нарастая на поверхности конца электрода, уменьшают меж­электродный промежуток, что при­водит к возникновению на огибаю­щих кривых мгновенных значений тока и напряжения характерных пиков и впадин, соответствующих изменению электрического режима при нарастании и отрыве капель (рис. 4.3).

На печах емкостью до 2—4 т наблюдается однокапельный перенос металла, когда капля ухо­дит с центральной части конца электрода. При больших размерах слитков возможно появление не­скольких центров каплеобразования, а на печах большой емкости (с диаметрами электродов более 1 м) капли образуются равномерно по всей поверхности конца электро­да.

Электрошлаковый переплав по своему принципу является бездуго­вым процессом. Это связано с тем, что при горении в шлаке дуги про­исходит ухудшение качества метал­ла за счет его насыщения газами — продуктами разложения составляю­щих шлака. В связи с этим дуговой режим при ЭШП считается аварий­ным. Дуга может возникнуть при выходе режима ЭШП за пределы так называемых «границ устойчи­вости» электрошлакового процесса, определяемых положением конца электрода в шлаке и тепловым со­стоянием шлаковой ванны. При не­достаточном заглублении электрода в шлак на конце электрода образу­ется кольцевая площадка (см. рис. 4.2), которая только касается по­верхности шлака. При неизбежных во время плавки колебаниях элект­рода и поверхности шлаковой ван­ны в этой зоне появляются микро­дуги. Электрический разряд возни­кает и при чрезмерном заглублении электрода, когда межэлектродное расстояние мало и наблюдаются капельные короткие замыкания. При разрыве шейки капли под дей­ствием электродинамических сил загорается дуга.

Дуга может возникнуть в шла­ковой ванне при любом межэлект­родном промежутке, когда вводи­мая в шлак мощность превышает критическую, которая вызывает закипание шлака. На промышленных печах критический тепловой режим возникает редко ввиду ограничения мощности требованием получения слитка с заданной структурой ме­талла.

Электрошлаковые печи обычно пи­таются от источников синусоидаль­ного тока промышленной частоты. Сверхкрупные печи могут питаться переменным током пониженной ча­стоты (2–10 Гц).

К основным факторам, обусловливающим улучше­ние качества металла при ЭШП, относятся:

1. Обработка жидкого металла химически актив­ными шлаками на оплавляемой поверхности электро­да в процессе прохождения капель через слой шлака и на поверхности раздела шлаковая ванна — слиток.

2. Последовательная направленная кристаллиза­ция слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе.

3. Формирование слитка в шлаковом гарнисаже, способствующем получению ровной гладкой поверхно­сти слитка, не требующей дополнительной механиче­ской обработки.

4.2. РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС В ПЕЧАХ ЭШП.

ФЛЮСЫ И ЭЛЕКТРОДЫ

Печи ЭШП относятся к печам периодического действия. Полный цикл складывается из собственно плавки (основной период) и вспомогательных операций (вспомогательный период). Процесс плавки в свою очередь состоит из этапов наведения шлако­вой ванны, наплавления слитка и выведения усадоч­ной раковины.

а б

  Рис. 4.4. Схема стартов процесса ЭШП: а — твердого, б — жидкого;   1 — электрод; 2 — твердый шлак; 3 — запальная смесь; 4 — стружка; 5 — затравка; 6 — сифонная приставка

Технология наведения шлаковой ванны может осуществляться с применением твердого или расплав­ленного флюса (твердый или жидкий старт) (рис. 4.4). Последний заливается в кристаллиза­тор из флюсоплавильной печи. Расход флюса в обоих случаях составляет обычно 3–5 % массы слитка.

Химический состав и свойства некоторых флюсов приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Дата добавления: 2015-08-20