Предварительное расплавление флюса для залив­ки его в кристаллизаторы печей ЭШП осуществляет­ся в однофазных и трехфазных печах с графитированными электродами.

Конструктивной особенностью флюсоплавильных печей является съемная ванна, вы­полненная в виде тигля-ковша, переносимого мосто­вым краном. В процессе наплавления слитка основной задачей является достижение оптимальных условий наплавления, кристаллизации и очистки металла от примесей и газов. Для этого требуется изменение электрических параметров плавки по определенному закону (рис. 4.6) с учетом изменения электрического сопротивления контура печи при разогреве

Рис. 4.5. Уст­ройство для си­фонной заливки шлака:   1 — кристаллизатор; 2 — поддон; 3 — си­фонная приставка; 4 — паз в поддоне

и оплавлении электрода и других факторов. После наплавления основной массы слитка производят выведение усадоч­ной раковины путем снижения вводимой в шлаковую ванну мощности.

К вспомогательным операциям, про­водимым на отключенной печи, относятся: 1) удаление остатка электрода из электрододержателя; 2) извлечение слитка и шлаковой «шапки» из кристаллизатора после затвердевания шлака; 3) чистка и подготовка кристаллизатора и поддо­на к плавке; 4) установка затравок, электродов, засыпка (за­ливка) флюса. Длительность подготовитель­ных операций на печах малой и средней емкости колеблется от 1,2 до 4,5 ч. После их окончания при­ступают к периоду наведения шла­ковой ванны в кристаллизаторе.

Рис. 4.6. Характер изменения тока и напряжения печи ЭШП в процессе плавки:   1 — начальный период; 2 —период плавления; 3 — выведение усадочной раковины

Расходуемые электроды для ЭШП представляют собой металлические штанги круглого, квадратного или прямоугольного сечения, полученные методом ковки, прокатки, а также обычного или полунепре­рывного литья. Электроды должны быть очищены с поверхности от окалины и иметь минимальную кри­визну.

4.3. Металлургические особенности

электрошлаковых печей

Электрошлаковый переплав, имеющий общие черты с другими методами спецэлектрометаллургии (наличие рафинирующей среды и водоохлаждаемого кристаллизато­ра), обладает и специфическими особенностями, которые положи­тельно влияют на качество металла слитка:

1. Слиток формируется не в соб­ственно кристаллизаторе, а в шла­ковом гарниссаже, на его стенке, что ведет к резкому улучшению по­верхности слитка.

2. Верхняя часть слитка контак­тирует с большой тепловой ем­костью – шлаковой ванной. Это вы­зывает дополнительный (по сравне­нию с вакуумно-дуговым перепла­вом) обогрев верхней части слитка, резко повышает инерционность теплового режима шлаковой и жид­кой металлической ванны и снижа­ет требования к допустимой вели­чине колебаний режима печи по сравнению с ВДП и ЭЛП.

Эти особенности позволяют по­лучать в электрошлаковых печах стали и сплавы, не только не усту­пающие по качеству металлу, полу­чаемому в ВДП, но и часто его превосходящие.

Жидкая металлическая ванна слитка при ЭШП (рис. 4.7) состоит из двух частей — цилиндрической, в которой жидкий металл непосред­ственно контактирует со шлаковым гарниссажем и стенкой кристалли­затора, и части переменного сече­ния, которую обычно аппроксими­руют обратным конусом и называ­ют конической. Для качества ме­талла первостепенное значение име­ет наклон фронта кристаллизации дна ванны к оси слитка, который определяется соотношением глуби­ны конической части ванны и линейным размером слитка (напри­мер, диаметром D).

Рис. 4.7. Эскиз слитка:   1 — слиток; 2 — жидкая металли­ческая ванна; 3 — шлаковый гарниссаж

Для математи­ческого описания этого соотноше­ния используют коэффициент фрон­та кристаллизации

, (4.1)

где – угол в вершине конуса.

Величина определяет ха­рактер кристаллизации металла.

Так, при преобладает осевая кристаллизация, при – ра­диальная. Для различных сталей и сплавов оптимальное значение различно. Например, для шарико­подшипниковых сталей наилучшие свойства металла достигаются при .

На качество металла слитка значительное влияние оказывает форма ванны. Цилиндрическая часть ванны позволяет обеспечить хорошее качество поверхности слит­ка и избежать возникновения гру­бой полосчатости структуры метал­ла.

Для математического описания формы ванны жидкого металла ис­пользуется коэффициент формы металлической ванны , равный отношению глубины цилиндриче­ской части ванны к ее полной глу­бине:

. (4.2)

Глубина и форма ванны метал­ла зависят от характера поступле­ния и отдачи тепла и от теплофизических свойств металла. Основное количество тепла в ванну вносится тепло- и массопереносом с каплями металла (65–90 %) и зависит от скорости наплавления слитка. Оп­ределенная часть тепла вносится теплопередачей от шлаковой ван­ны.

Формирование слитка во многом определяется характером теплопе­редачи от слитка к водоохлаждаемым поверхностям кристаллизато­ра и поддона. Поддон оказывает влияние на условия кристаллизации слитка только в начальный период плавки. По мере наплавления слит­ка его воздействие ослабевает и практически прекращается при дли­нах слитков больше (1,0—1,5) D (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Изменение теплового потока че­рез поддон , через кристаллизатор и глубины металлической ванны во время плавки

Теплоотдача к кристал­лизатору осуществляется в основ­ном в верхней части слитка, непо­средственно прилегающей к шлако­вой ванне, и резко снижается по мере удаления от нее. Это связано как с уменьшением температуры поверхности слитка, так и с обра­зованием из-за усадки металла между слитком и кристаллизатором воздушного зазора. Длина прилега­ющей к кристаллизатору части слитка примерно равна его диамет­ру. Эти особенности теплопередачи создают условия для квазистацио­нарного охлаждения слитка при длинах слитка больше (1 — 1,5).

Как указывалось, для квазиста­ционарности процесса кристалли­зации слитка необходимо соответ­ствие скоростей поступления и кри­сталлизации металла. Последняя зависит от интенсивности охлажде­ния слитка и поверхности фронта кристаллизации. Поэтому при изме­нении скорости направления метал­ла в квазистационарном режиме поверхность фронта кристаллиза­ции, а следовательно, и глубина ванны будут меняться таким обра­зом, чтобы обеспечить требуемую скорость кристаллизации металла.

Изменение теплофизических свойств металла влечет за собой изменение глубины металлической ванны и скорости наплавления слитка, не­обходимой для обеспечения того же коэффициента фронта кри­сталлизации (рис. 4.9). Если на глубину ванны определяющее вли­яние оказывает скорость наплавле­ния слитка, то форма ванны и раз­меры ее цилиндрической части в значительной степени зависят от характера теплопередачи от шла­ковой ванны к металлической. Поэ­тому форма ванны различна при различных шлаках, коэффициентах заполнения кристаллизатора и по­ложениях электрода в шлаке. Изменение химического состава шлака приводит к изменению тем­пературы шлаковой ванны, которая растет с увеличением содержания окислов в составе шлака. Это вы­зывает увеличение теплового пото­ка из шлаковой ванны в металли­ческую и способствует повышению коэффициента формы ванны (рис. 4.10).
Рис. 4.9. Зависимость относительной глуби­ны ванны металла от скорости наплавления для различных сталей и сплавов
Рис. 4.10. Влияние величины межэлектрод­ного промежутка h на коэффициент формы ванны при ЭШП под шлаками марок: 1 —АН-29, 2 —АНФ-6, 3 —АНФ-1П

Необходимо отметить, что теп­ловой поток по поверхности жидкой металлической ванны распределен неравномерно, и изменение закона этого распределения может оказать довольно значительное влияние на форму ванны.

С этим фактором связано влияние на характер кри­сталлизации металла положения электрода в шлаке и коэффициента заполнения кристаллизатора.

При изменении положения элек­трода в шлаке коэффициент формы ванны имеет экстремум (рис. 4.10). Это связано с тем, что при умень­шении межэлектродного промежут­ка сначала происходит увеличение температуры поверхности ванны металла при достаточно равномер­ном ее распределении. Однако при дальнейшем заглублении электрода все более резко начинает проявлять­ся неравномерность тепловых потоков через 'поверхность ванны в сто­рону увеличения их приосевой и уменьшения периферийной состав­ляющих. В результате этого глуби­на цилиндрической части ванны и коэффициент формы снижаются. Коэффициент формы максимален при оптимальном межэлектродном промежутке, примерно равном по­ловине диаметра электрода.

Увеличение коэффициента за­полнения кристаллизатора k = d/D приводит к выравниванию тепловых потерь из шлаковой ванны в метал­лическую, при этом коэффициент формы растет. Однако при значи­тельных коэффициентах заполнения () температура периферий­ной части жидкой металлической ванны снижается за счет перемеще­ния зоны тепловыделения в верх­нюю часть шлаковой ванны, что вызывает ухудшение формы металли­ческой ванны.

Особенно большое влияние на глубину и форму ванны металла оказывает изменение линейных раз­меров печи. На геометрически по­добных печах (геометрически подобными печами на­зываются печи с одинаковыми относитель­ными линейными параметрами шлаковой ванны и положения электродов в ней) сохраняется харак­тер кристаллизации слитка (кони­ческие части ванны подобны), если выполняется соотношение

, (4.3)

где G — массовая скорость плавки, кг/мин;

— коэффициент, завися­щий от теплофизических свойств металла и не зависящий от химиче­ского состава шлака, кг/(мин×м).

При этом полные глубины ме­таллических ванн не подобны, что вызвано ослаблением влияния теп­лопередачи от шлаковой ванны к металлической при увеличении размера печи и уменьшением при этом коэффициента формы ванны.

Описанные закономерности справедливы не только для одно­электродных, но и для многоэлектродных печей. Однако специфика распределения мощности и тепло­вых потоков в многоэлектродных печах приводит к определенным особенностям структуры слитков таких установок. Рассредоточение потоков металла и больший подо­грев периферийных зон металличе­ской ванны приводят к значитель­ному улучшению формы ванны и возможности существенного повы­шения допустимой скорости наплавления в многоэлектродных печах по сравнению с одноэлектродными с тем же характером структуры слитка.

На интенсивность протекания процессов рафинирования металларешающее влияние оказывает со­отношение химических составов ме­талла и шлака, что вызывает не­обходимость тщательного выбора марки применяемого шлака при пе­реплаве конкретной марки стали.

Влияние геометрических и ре­жимных параметров на степень очи­щения металла ограничено и в ос­новном связано с отклонением от нормальных режимов переплава. В первую очередь это относится к влиянию положения электрода в шлаке. При небольших заглублениях суще­ствует прямой контакт расплавлен­ного металла с атмосферой печи, что вызывает его окисление и заг­рязнение. В связи с этим увеличение заглубления электрода закономерно приводит к повышению чистоты ме­талла. Степень рафинирования ме­талла стабилизируется при заглуб­лениях электрода, больших полови­ны его диаметра, когда на конце электрода, погруженного в шлак, появляется устойчивая неоплавлен­ная часть.

Определенное влияние на чисто­ту металла оказывает скорость на-плавления слитка. Это связано в ос­новном с изменением глубины и формы жидкой металлической ван­ны. Для получения чистого металла вредна как слишком малая ванна, так и слишком глубокая. При мелкой ванне уменьшается ее темпера­тура, повышается вязкость металла и ухудшаются условия разделения шлака и металла и других процес­сов рафинирования. При слишком глубокой ванне резко ухудшаются условия очищения из-за затрудне­ния всплывания неметаллических включений и газов. Оптимальные условия для очищения металла в жидкой ванне близки к таковым по характеру кристаллизации слитка. Так, например для шарикоподшипниковых сталей наилучшая чистота дости­гается при .

4.4. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПЕЧЕЙ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА

По характеру использования электрошлаковые печи могут быть специализированными и универсаль­ными. Специализированные печи предназначены для производства слитков только по одной технологи­ческой схеме и применяются обычно при крупносерийном производстве металла одного и того же сортамен­та. Универсальные печи позволяют легко изменять технологическую схему (число электродов, форму се­чения слитка, способ питания и т. д.). Такие печи значительно сложнее и применяются на машиностроитель­ных заводах с разнообразным мел­косерийным сортаментом слитков.

По конструктивным особенно­стям электрошлаковые печи делятся на печи с неподвижным слитком (поддоном) и печи с вытягиванием слитка (рис. 4.11).

­В печах с неподвижным слитком переплав электро­дов может проводиться в глухой неподвижный либо в перемещаю­щийся кристаллизатор. В первом случае кристаллизатор должен вме­щать весь слиток и шлаковую ван­ну, в связи с чем он имеет большие размеры. Во втором случае кристал­лизатор укороченный и перемеща­ется вверх по мере наплавления слитка. Он может быть неизменно­го сечения или иметь уширенную верхнюю часть, которая позволяет увеличить коэффициент заполнения слитка.

В частном случае при ра­венстве площадей сечения электро­дов и слитка установка может вы­полняться без привода перемещения электродов. Печи с вытягиванием слитка имеют короткий неподвиж­ный кристаллизатор и привод пере­мещения поддона со слитком вниз.

Масса выплавляемого слитка является основным параметром, положенным в основу размерного ряда печей ЭШП (ГОСТ 20552-75), включающего печи ти­пов ЭШП-1,25, ЭШП-2,5, ЭШП-5, ЭШП-10, ЭШП-20, ЭШП-40, ЭШП-60 и ЭШП-80. Число в обозначении типа обозначает массу выплавляемого слитка в тон­нах (не более). Другим важным параметром является форма се­чения слитка.	а б в
Рис. 4.11. Конструктивные схемы получе­ния слитков при ЭШП:   а, б — с неподвижным поддоном; в — с вытяги­ванием слитка

При одинаковой массе слитка печи для производства слитков круглого, квадратного и прямо­угольного сечений, трубных заготовок и фасонных отливок имеют различные параметры и конструктивные решения.

По количеству электродов, одновременно переплав­ляемых в один кристаллизатор, различают одно-, двух- (бифилярный), трех и многоэлектродные печи. Количество пере­плавляемых электродов и их сечение определяются условиями производства и электрической схемой пере­плава (рис. 4.12).

При прочих равных условиях целесообразно стре­миться к увеличению коэффициента заполнения сечения кри­сталлизатора, представляющего собой отношение сече­ния переплавляемых электродов к сечению слитка, что позволяет уменьшить высоту печи.

Коэффициент за­полнения кристаллизатора для большинства промыш­ленных печей составляет 0,2 — 0,64 и растет с увеличе­нием массы слитка (рис. 4.13).

Многоэлектродные печи по своим конструктивным особенностям раз­деляются на печи с раздельными приводами электродов и печи с сов­местным перемещением всех элект­родов с помощью одного привода. В нашей стране применяются печи второго типа. За рубежом применяются пе­чи обоих типов.

Рис. 4.12. Классификация электрошлаковых печей

	По способу электропитания электрошлаковые печи разделяются на одно-, двух-, трех- и многофаз­ные. Однофазные печи выполняют одно- и многоэлектродными. Их осо­бенностью является подключение однофазного трансформатора к па­раллельно включенным электродам и поддону (рис. 4.14, а).
Рис. 4.13. Формы сечения ванн и электродов печей ЭШП

Двухфаз­ные печи (бифилярные) питаются от однофазного трансформатора с выведенной или искусственно соз­данной нулевой точкой (рис. 4.14, б) и имеют число электродов, кратное двум. Трехфазные печи имеют число электродов, кратное трем, и питаются от трехфазных трансформаторов (рис. 4.14, в) В качестве многофазных в настоящее время применяются шестифазные печи (шести- и семиэлектродные), которые питаются от трех однофазных трансформаторов с выведенными нулевыми точ­ками (рис. 4.14, г).

Основные разновидности электрических схем ЭШП приведены на рис. 4.15.

Наибольшее распространение получили однофаз­ные одноэлектродные печи (рис. 4.15, а). Трехфазные печи (рис. 4.15, б) отличаются лучшими энергетически­ми показателями по сравнению с однофазными одно-электродными, но обладают меньшим коэффициентом заполнения кристаллизатора, в результате чего увели­чивается длина электродов и, следовательно, высота печи.

  Рис. 4.14. Схемы питания печей ЭШП: а — однофазная; б — двухфазная; в — трехфазная; г — шестифазная  

Для получения слитков прямоугольного сечения предпочтительна двухэлектродная бифилярная печь (рис. 4.15, в). Преимуществом ее перед обычными однофазными являются более высокий (до 0,9) коэф­фициент мощности и меньший расход электроэнергии.

Схема с последовательным подключением двух пе­чей к одному трансформатору (рис. 4.15, г) позволяет выплавлять одновременно два слитка круглого или квадратного сечения. Она обеспечивает высокие технико-экономические показатели вследствие бифилярности электродов и короткой сети, сокращения протяженности токоведущих элементов и уменьшения потребной производственной площади.

Как указывалось выше, существуют две модификации печей ЭШП. В со­ответствии с одной из них переплав осуществляется в неподвижном глухом кристаллизаторе. При другой схеме в процессе переплава осуществляется переме­щение кристаллизатора относительно наплавляемого слитка или слитка относительно кристаллизатора.

В оте­чественных конструкциях, как правило, применяется принцип перемещения кристаллизатора. Применение схемы ЭШП с коротким перемещающимся кристаллиза­тором облегчает задачу внешнего воздействия на шлако­вую и металлическую ванны и слиток, в частности утепления донной части слитка для предотвращения тре­щин.

а	б
в	г
Рис. 4.15. Электрические схемы печей ЭШП:   а — одноэлектродная однофазная; б — трехэлектродная трех­фазная; в — двухэлектродная однофазная с бифилярным токоподводом; г — то же для получения двух слитков

Конструкция электрошлаковой печи (П.1) представляет собой совокупность вертикальных опор для удержания и перемещения электродов кристаллизатора и наплавляемого слитка, токоподводов и вспомогательных устройств — систем водоснабжения, газоотсоса, дозирована шлака и т. д.

Печи ЭШП бывают одноколонными (обычно с развесом слитка до (15 — 20 т) и многоколонными. На рис. 4.16 показана типичная одноколонная печь ЭШП.

Основным элементом конструкции является несущая полая колонна круглого или коробчатого сечения по которой перемещаются две тележки, оборудованные электроприводами. Верхняя тележка снабжена электрододержателем для крепления в нем расплавляемого электрода, а нижняя – кронштейнами, с помощью которых после окончания плавки поднимается кристаллизатор для извлечения слитка. При плавке в глухой кристаллизатор во время работы печи кристаллизатор свободно стоит на поддоне, установленном на самоходной тележке. Сила тяжести электрода и электродной тележки частично уравновешивается контргрузом, находящимся внутри колонны.

Рис. 4.17. Трехфазная четырехколонная печь типа ОКБ-906:   1 — несущая траверса с электрододержателями; 2 — механизм перемещения траверсы; 3 — колонны печи; 4 — верхняя рама; 5 — кристаллизатор; 6 — механизм перемещения кристаллизатора; 7 — те­лежка поддона; 8 — направляющие колонны; 9 — верхняя рама; 10 — приводной механизм
Рис. 4.16. Однофазная одноколонная печь ОКБ-905:   1 — колонна; 2 — электрододержатель; 3 — кристаллизатор; 4 — под­дон; 5 — механизм перемещения кристаллизатора; 6 — тележка для выкатывания слитка; 7 — механизм перемещения электрода

На рис. 4.17 показана конструкция четырехколонной печи. Токи печи могут быть однофазными большой емкости и трехфазными. В печах такого типа электроды устанавливаются в электрододержателях на траверсе, которая перемещается по четырем направляющим колоннам. Колонны служат одновременно опорами верхней рамы с установленным на ней приводным механизмом. Механизм перемещения кристаллизатора устанавливается на одной из колонн. Тележка для выкатывания слитка с установлен­ным на ней поддоном имеет ана­логичную с тележкой одноколонной печи конструкцию. Она может быть снабжена кареткой – суппортом для центрирования поддона кристалли­затором относительно электрода.

Для осуществления технологи­ческих операций печи ЭШП в прин­ципе могут иметь четыре привода: перемещения электрода, кристалли­затора, поддона и тележки поддона для выгрузки слитка.

В зависимости от назначения печи она комплекту­ется различным количеством приво­дов, а к ним предъявляются различ­ные требования. В нашей стране приме­няют печи с неподвижным слитком, в связи с чем привод поддона (вытягивания слитка) отсутствует.

В настоящее время в со­ответствии с размерным рядом разработана новая серия печей электрошлакового переплава: ЭШП-2,5ВГ; ЭШП-5ВГ; ЭШП-10Г и ЭШП-20ВГ, предназначенных для произ­водства заготовок сортового и листового проката (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Основные параметры печей ЭШП для производства слитков

Параметр	ЭШП-2,5ВГ	ЭШП-5ВГ, ЭШП-10Г	ЭШП-20ВГ
Мощность источника пита­ния печи, кВ×А
Максимальный ток, А
Максимальная высота слит­ка, мм

Эти печи позволяют осу­ществлять переплав электро­дов как по обычной однофаз­ной, так и по бифилярной схе­мам. Переплав производится в глухие неподвижные кристал­лизаторы (индекс Г) или под­вижные, перемещаемые в про­цессе плавки (индекс В).

Для производства круп­ных кузнечных слитков массой до 200 т предназначена многоэлектродная трехфазная печь ЭШП-150 (рис. 4.18) кон­струкции ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР и ПО «Сибэлектротерм». Печь оснащена коротким перемещающим­ся кристаллизатором, расширяющимся в верхней части.

  Рис. 4.18. Трехфазная многоэлектродная печь ЭШП-150:   1 - четырехколонный пор­тал; 2 - неподвижная тра­верса; 3 - съемная травер­са; 4 - электрододержатели; 5 - подвижная траверса в нижнем положении; 6 - кри­сталлизатор; 7 - привод пе­ремещения подвижной тра­версы; 8 - приводные цепи; 9 - контргруз; 10 - звездоч­ки-ленивцы; 11 - поддон; 12 - грузоподъемное устрой­ство на крюке крана для перемещения съемной тра­версы; 13 - расходуемые электроды; 14 - система водоохлаждения; 15 - подвиж­ная траверса (верхнее поло­жение)

Благодаря этому коэффициент заполнения кристалли­затора может быть близок к единице, что исключает необходимость перемещения электродов в процессе плавки. На печи одновременно переплавляется шесть - семь электродов.

Для получения слитков специального профиля (полые и фасонные заготовки) предназначены печи ЭШП-2,5Л, ЭШП-10Л ЭШП-80Л (табл. 4.3). Характерной особенностью этих печей является применение специальных водоохлаждаемых кристаллизаторов, формирующих наружную поверхность и внутренние полости изделий: труб, колец, коленчатых валов, сосудов высокого давления и др.

Таблица 4.3

Дата добавления: 2015-08-20