Переплав високоякісних інструментальних сталей методом ешп

 

де  - питомий електроопір електрода при 1400⁰С,

Сумарний активний електроопір витратного електрода складає:

                        (3.33)

 

3.3.4 Визначення індуктивного опору електрода

Індуктивний опір електрода складається з внутрішнього та зовнішнього:

 

                                              (3.34)

 

Внутрішній індуктивний  опір слабко залежить від типу печі та кількості електродів, а визначається лише геометричними розмірами електродів, фізичними властивостями металу та частотою струму:

 

                            (3.35) 

 

Зовнішній індуктивний опір залежить від числа та розташування n-електродної печі.

Для довгого (L_ел>>d_ел) прямолінійного провідника круглого перерізу може бути визначений по емпіричній формулі:

 

                             (3.36)

Сумарний індуктивний  опір електрода, з урахуванням фазового кута( ; ; ), складе:  

 

          (3.37)    

 

 

3.3.5 Визначення вторинної напруги

Визначаємо робочий ступінь  вторинної напруги U₂ електропічного трансформатора:                                                         

                                                                                                                                                                              (3.38)

 

3.3.6 Вибір трансформатора

Для живлення ЕШП змінним струмом промислової частоти використовуюсь спеціальні трансформатори типу ЭОЦНШ[16], які мають глибину регулювання 2,5-4, велике число ступенів (до 90) вторинної напруги з дискретністю змінення 0,3-2,4 В.

Для даного комплексу можливо  застосувати трансформатор типу ЭОИН-2000/10 де 2000 – потужність, кВА; І-10,7-14 кА; U-93,7-71,4-41,7 В. Це однофазний електропічий трансформатор з можливістю переключення під навантаження.

 

3.4 Складання енергетичного балансу

3.4.1 Розрахунок потужностей

Енергетичний баланс ЕШТП складається у вигляді балансу  потужностей (кВт або %):

 

                                                    (3.39)

 

де Р_с- активна потужність, що береться з електричної мережі;

    - потужність, що компенсує теплові втрати, вона дорівнює

),

- потужність, що компенсує електричні  втрати при перетворенні в  електропічному трансформаторі  та при передачі по вторинному струмопроводу ЕШП (складає 15-20%).

Тепловий к.к.д. печі складає:

 

                                                       (3.40)

 

 

Електричний к.к.д. печі складає:   

 

                                                        (3.41)

 

 

Загальний к.к.д. складе:          

  

                                                  (3.42)

 

 

3.4.2 Питома витрата електроенергії

Для оцінки енергоємності  процесу ЕШП слугує питома витрата  електроенергії, яка складає:

 

                                                     (3.43)

 

 

 

3.5 Хімічний склад початкової сталі та після ЕШП

Процес  електрошлакового переплаву забезпечує практично повну відповідність  хімічного складу початкового металу (таблиця 3.3) і металу після переплаву (таблиця 3.4). Виключення складає сірка, склад котрої в ході електрошлакового переплаву зменшується.

 

Таблиця 3.3 – Хімічний склад початкової сталі 3Х2В8Ф,%:

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	W	V	Cu
0.3 - 0.4	0.15 - 0.4	0.15 - 0.4	до   0.35	до   0.03	до   0.03	2.2 - 2.7	до   0.5	7.5 - 8.5	0.2 - 0.5	до   0.03

 

 

 

Таблиця 3.4 – Хімічний склад сталі 3Х2В8Ф після ЕШП,%:

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	W	V	Cu
0.3 - 0.4	0.15 - 0.38	0.15 - 0.4	до   0.3	до   0.015	до   0.02	2.2 - 2.7	до   0.5	7.5 - 8.5	0.2 - 0.5	до   0.03

 

Оскільки сірка змінила  свій вміст, а вона суттєво впливає  на на механічни властивості сталі, то доцільно їх дослідити.

Таблиця 3.5 – Механічні властивості сталі 3Х2В8Ф після термічної обробки:

Температура випаровування, С				δ,%	KCU, Дж/ м2	Твердість, HRC
Гартування при 1030-1050 С,масло, відпуск 560-580 С
20	1400	1650	9	38	29	53
200	1420	1660	11	47	44	52
300	1440	1670	12	49	41	49
400	1250	1470	13	60	39	48
500	1090	1270	13	60	42	46
600	590	590	20	80	88	42

 

Сталь після ЕШП і термічної  обробки повністю відповідає умовам ГОСТ 5959-2000.

 

 

 

4.ЗАСОБІ АВТОМАТИЗАЦІЇ  ТЕХНІЧНОГО ПРОЦЕСУ

4.1 Опис технологічного  процесу

Установки ЕШП застосовують для переплаву сталей і сплавів  з метою зменшення шкідливих  домішок, особливо сірки, та одержання  однорідної макроструктури зливка. Рафінування  металу відбувається під час переплаву  витратного електрода, який виготовляється з необхідної сталі або сплаву, у шлаковій ванні. При проходженні електричного струму крізь шлак, який має значний опір, в останньому виділяється велика кількість теплоти. Склад флюсів, що застосовуються для одержання шлаків, звичайно є стандартизованим, від нього багато в чому залежить якість металу, що переплавляється. Температура плавлення різних шлаків - 1200... 1450 °С, а їх температура під час переплаву досягає 1600...2000 °С. Занурений у нагріту до такої температури шлакову ванну металевий електрод плавиться, і дрібні краплі металу, що опускаються донизу під дією сили тяжіння, проходять крізь шар хімічно активного шлаку

Технологічний процес ЕШП  характеризується певними параметрами  електричного режиму, глибиною шлакової ванни, співвідношеннями між діаметрами електрода і кристалізатора, що визначають загальну глибину металевої ванни, величину занурення електрода в  шлак та інші характеристики ТП, які  впливають на якість рафінування  металу

Форма і глибина металевої  ванни залежать від потужності, напруги  та сили електричного струму, що споживається, температури та маси шлаку, швидкості плавлення, діаметра електрода, хімічного складу металу та інших параметрів. Якщо глибина занурення електрода в шлак не досить велика, то між останнім і торцем електрода можливе виникнення електричної дуги, що спричиняє збільшення окиснення металу і неметалевих включень у зливку. Якщо глибина занурення електрода в шлак збільшується, то може уникнути дуга між металевою ванною і торцем електрода, що призводить до браку через недосконалу макроструктуру.

Процес ЕШП - циклічний  і складається з періодів простою між плавками, наведення шлакової ванни, переплаву електрода.

Період наведення шлакової ванни має два різновиди – «рідкий» та «твердий» старти. У першому випадку розплавлення шлаку здійснюють у спеціальній флюсоплавильній печі, після чого він заливається в кристалізатор. У період наведення шлаку при “твердому” старті електричний режим дуже нестабільний, що зумовлено нестійким процесом горіння дуги через складні умови іонізації дугового простору (інтенсивне охолодження шлаком, значний відтік тепла через електрод і піддон).

Період переплаву електрода, що є основним, характеризується електричним  режимом, особливість якого полягає  у відсутності дуги при правильно  вибраній масі шлаку і раціональній глибині занурення електрода  у ванну. Період переплаву розподіляється на підперіоди нестаціонарного та квазістаціонарного теплового режиму.

В першому підперіоді значно змінюються умови тепловідводу від шакової ванни, що змушує змінювати режим переплаву. В другому підперіоді тепло-відвід стабілізується. При цьому зміна режиму за програмою потрібна лише при зміні геометричних параметрів зливка, наприклад, при наявності конусность У процесі переплаву довжина витратного електрода та його опір зменшуються, що приводить до зростання температури шлаку. Тому одночасно із зменшенням довжини елентрода необхідно поступово зменшувати потужність електричного струму, що споживається, за рахунок зменшення напруги та сили струму.

Особливе значення надається  вибору режиму переплаву, бо зниження потужності може призвести до виникнення неприпустимого дугового режиму. Заглиблення електрода в шлак повинно бути не менше ніж 0,4...0,5 його діаметра і не більше величини, яка гарантує відсутність крапельних коротких замикань.

Алгоритми керування ЕШП  забезпечують отримання оптимальних  значень таких параметрів процесу:

- глибини металевої ванни (глибина визначає макроструктуру зливка);

- температури зливка поблизу шлакової ванни (від температури залежить якість поверхні зливка, що наплавляється);

- взаємного положення зливка, що наплавляється та електрода, що переміщуються (від положення залежить нормальний хід процесу одержання порожнистих зливків);

- хімічного складу шлакової і металевої ванни.

Ці параметри тією чи іншою  мірою залежать від цілого ряду керуючих діянь у процесі плавки, які в певних межах змінюються незалежно один від одного. Дослідження ЕШП свідчать, що при заданій геометрії зливка і певних фізичних властивостях металу і шлаку теплові та деформаційні явища можна регулювати за рахунок енергетичних параметрів (сили струму, напруги на шлаковій ванні).

Переплавлену загототву витягують за допомогою висувної опорної плити.Операція переплавлення повністю  контролюється , але в нове керування доданий механізм виявлення рівня рідкого металу. Такий рівень має , звичайно,  безпечно підтримувати нижчий рівень Т-подібного розширення. У разі збільшення рівня металу в широкій частині форми призвело б до унеможливлення зняти заготовку. В такому разі процес мав би бути перерваний і всі збірні форми потрібно демонтувати.

Сигнал рівня рідини металу  Co-60 при досягненні металом заданого рівня передає сигнал від радіоактивного джерела і вимірюється сцинтилятором встановленим на протилежному боці кристалізатора, буде скорочено. Обидва вимірювальні прилади відрегульований на верхньому кінці вузької частини кристалізатора. Такий сигнал змушує  до втягування плити в результаті зниження рівня басейну.

Однією з найбільш поширених проблем, що виникають в ході ШЕШП є видалення шлаку. Справді, якщо шлак  затвердіває у верхній конічної частини форми, то було б неможливо видалити його без демонтажу кристалізатора. Різні спроби були зроблені у минулому, щоб видалити шлак зкристалізатора до тих пір, поки він все ще рідкий, але це призводить до небезпечної операції для операторів. Зараз використовується вакуумний насос для скидання тиску стисненим повітряним охолодженням сталевої посудини, який виконує швидке всмоктування рідкого шлаку. Пристрій вакуумного відсмоктування шлаку було успішно протестована в процесах переплавлення всіх 145 мм заготовок. Він ефективно працює протягом всього  діапазони в'язкості шлаку. Весь шлак втягувався безпечно в ємності менш ніж за дві секунди без втручання операторів.