Электрошлаковый переплв

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный  горный институт им. Г.В. Плеханова  (технический университет)

 

 

 

 

Кафедра конструирования  горных машин и технологии машиностроения

(КГМ и ТМ)

 

РЕФЕРАТ

 

Тема: Электрошлаковый переплав

 

 

 

 

 

Выполнил студент

Группы ГМ-10-1

Юдин Р. Ю.

 

Проверил доцент

Кафедры КГМ и ТМ

Кувшинкин С.Ю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2010

 

 

 

МЕТОД ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА (ЭШП) И НАЗНАЧЕНИЕ ПЕЧЕЙ

Электрошлаковый переплав (ЭШП) был разработан впервые Институтом электросварки имени Е. О. Патона.

В сравнительно короткий срок этот процесс получил широкое  применение для производства высококачественной стали в отечественной промышленности и за рубежом. Сущность процесса поясняется на рис. 1. Расходуемый электрод  погружается в слой жидкого электропроводящего флюса (шлака) 2, размещенный в водоохлажденном металлическом кристаллизаторе 3, к которому примыкает водоохлаждаемый поддон 4. Переменный электрический ток, проходящий по расходуемому электроду и шлаку, поддерживает последний в расплавленном состоянии. Часть тепла, выделяемого в шлаковой ванне, передается электроду, торец которого оплавляется. Капли металла, стекающие с торца, проходят через слой шлака и формируются в кристаллизаторе в виде слитка 5, верх которого образует лунку жидкого металла 6. Размеры и форма слитка соответствуют размерам и форме внутренней полости кристаллизатора.. В процессе плавки на боковой поверхности слитка образуется шлаковая корочка толщиной  1—3 мм, служащая  естественной  тепловой и электрической  изоляцией слитка от кристаллизатора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Металл, выплавляемый методом ЭЩП, отличается малым содержанием газов  и неметаллических включений, повышенной плотностью и высокими механическими свойствами. Однако при этом методе газы удаляются из металла менее эффективно, чем при вакуумной плавке, поэтому основной областью применения ЭШП является  переплав стали с целью очистки ее от неметаллических включений. Перспективно также применение ЭШП для улучшения качества электротехнических сталей и цветных металлов.

Повышение качества металла при  ЭШП происходит в результате обработки  металла химически активными  шлаками и ускоренной направленной кристаллизацией слитка в водоохлаждаемом  кристаллизаторе. В отличие от вакуумной дуговой плавки (ВДП), электроннолучевой (ЭЛП) и плазменнодуговой (ПДП) ЭШП имеет ряд особенностей.

 

1. Меньшая стоимость основного оборудования из-за отсутствия дорогостоящего вакуумного оборудования и преобразователей тока.
2. Возможность воздействия на процесс очистки металла путем применения флюсов различных составов и свойств.

3.Качество поверхности слитков позволяет отказаться от обдирки.

4.Бездуговое протекание процесса в течение основного периода плавки и в связи с этим повышенная безопасность процесса.

 

Из многих возможных схем печей ЭШП наибольшее распространение в промышленности получили однофазные   печи   с   одним   расходуемым     электродом

(рис. 2,а).

Стремление создать равномерную  нагрузку по фазам питающей сети и  уменьшить площадь, занимаемую установкой, привело к созданию конструкций трехфазных печей с тремя кристаллизаторами, расположенными в ряд (рис. 2,б). Однако их эксплуатация скоро выявила существенные недостатки, основным из которых является значительный перенос мощности по фазам. При этом скорость плавления электрода «дикой» фазы значительно превышает скорость плавления электрода «мертвой» фазы, что приводит к снижению качества переплавляемого металла.

Более удачна конструкция трехфазной печи, переплавляющей три расходуемых электрода в один кристаллизатор (рис. 2,в). Расположение электродов по треугольнику позволяет осуществить почти бифилярный токоподвод и практически устранить явление переноса мощности. Недостатком этого типа печи по сравнению с одноэлектродной является необходимость в трех расходуемых электродах значительной длины.

Для получения слитков прямоугольного сечения (слябов), служащих заготовкой для листового проката, перспективна двухэлектродная однофазная печь с бифилярным токоподводом (рис. 2,г). Преимуществом ее перед обычными однофазными установками являются более высокий (0,90—0,98) коэффициент мощности и меньший расход электроэнергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          а)                    б)                     в)                      г)

Рис. 2. Варианты схем питания и устройства печей ЭШП.

 

Печи ЭШП — в большинстве  случаев печи периодического действия. Полный цикл складывается из собственно плавки и вспомогательных операций. Процесс плавки в свою очередь состоит из этапов формирования шлаковой ванны из флюса, установившегося процесса наплавления слитка и выведения усадочной раковины.

Для расплавления флюса перед плавкой  на поддон укладывают стальную плиту-затравку, предохраняющую поддон от прожигания электрической дугой. На поддон под  расходуемый электрод укладывают металлическую стружку и насыпают электропроводный флюс в кристаллическом состоянии. После опускания электрода на затравку засыпают рабочий флюс в количестве 3—5% массы наплавляемого слитка и включают ток. Сначала расплавляется электропроводный, а затем подплавляется и рабочий флюс. В процессе образования шлаковой ванны в результате выхода электрода из жидкого шлака и при подсыпке твердого флюса возникают электрические дуги. Процесс в течение нескольких минут течет нестабильно; после образования глубокой шлаковой ванны процесс стабилизируется.

Этап образования шлаковой ванны  может быть исключен путем заливки в кристаллизатор жидкого флюса, расплавленного в специальной дуговой печи с графитовой футеровкой. Применение жидкого флюса стабилизирует процесс и улучшает качество поверхности донной части слитка. Этот способ является самым распространенным.

Выведение усадочной раковины производят путем плавного снижения мощности, вводимой в шлаковую ванну. Этот режим  способствует снижению величины обреза головной части слитка.

К вспомогательным операциям на отключенной печи относятся: 1) остывание  слитка в печи до полного затвердевания шлаковой ванны; 2) извлечение слитка и шлака из кристаллизатора; 3) чистка кристаллизатора и поддона; 4) удаление огарка расходуемого электрода из электрододержателя; 5) установка нового электрода в электрододержателе; 6) установка на поддоне затравки с электропроводным флюсом и стружкой; 7) засыпка рабочего флюса.

Расходуемые электроды для ЭШП  представляют собой заготовки, полученные ковкой или прокаткой. В современных цехах, оборудованных печами ЭШП, предусматривается возможность получения литых стальных электродов на машинах полунепрерывной разливки.

Диаметр электродов определяется диаметром  кристаллизатора. Для большинства действующих печей отношение диаметра электрода к диаметру кристаллизатора составляет до 0,4—0,6; для крупных проектируемых печей оно увеличивается до 0,8.

 

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ШЛАКАМ ПРИ ЭШП

Плавление электродного металла при ЭШП происходит в результате выделения тепла при прохождении тока через шлак. Электрические параметры электрошлакового процесса в значительной степени обусловлены физическими свойствами применяемого шлака. Кроме того, шлак при ЭШП выполняет ряд других не менее важных функций: рафинирование металла от неметаллических включений, газов и вредных примесей, защита жидкого металла от воздействия атмосферы, обеспечение чистой поверхности слитка, предупреждение возникновения кристаллизационных дефектов и др. Эффективность применения шлаков для выполнения этих задач определяется их физико-химическими свойствами.

В ряде случаев применяют шлаки  с высоким содержанием FeO или МпО для получения металла с низким содержанием углерода, фосфора и других примесей. Определенный интерес представляет использование кислых шлаков разных составов, а также шлаков на основе или с применением хлоридов.

Основываясь на практическом опыте  и литературных данных, можно сформулировать основные требования к шлакам, применяемым  при ЭШП:

1. Одной из важнейших характеристик  является вязкость шлаков. Для получения хорошо сформированного слитка с чистой поверхностью вязкость шлаков не должна значительно изменяться с изменением температуры. В случае применения «длинного» шлака образуется тонкий шлаковый гарниссаж по всей высоте слитка. Малое изменение вязкости в зависимости от температуры наряду с относительной легкоплавкостью шлаков облегчает условия дегазации металла. Наоборот, при использовании тугоплавкого и «короткого» шлака ухудшаются условия не только формирования слитка, но и удаления газов. Известны случаи образования пористости в головной части слитка из-за пониженной газопроницаемости шлаков.

2. Не менее важной характеристикой  шлака является его электропроводность. Высокая проводимость может привести к малому выделению тепла, которого может не хватить для достижения необходимых температур шлаковой и металлической ванн. Нежелательно также и высокое сопротивление шлака, так как это может привести к дуговым разрядам. Для шлаков, обычно применяемых при ЭШП, электропроводность при температуре шлакового процесса 1500—1900 °С составляет 1—6 сим * см~¹ (ом~¹ *см~^[). Изменение электропроводности, а также и вязкости с изменением температуры будет рассмотрено ниже.

3. Между шлаком и переплавляемым  металлом должно быть достаточно большое поверхностное натяжение, так как это способствует лучшему отделению шлаковой корочки и предотвращает запутывание шлака в металле.

4. Шлак должен обладать высокой  адгезией к неметаллическим включениям.  Как известно, работа  адгезии для  двух несмешивающихся   жидкостей зависит от поверхностного натяжения

где ∂₁ – поверхностное натяжение на границе первая жидкость – пар

       ∂₂ – поверхностное натяжение на границе вторая жидкость пар

       ∂₃ – поверхностное натяжение на границе первая жидкость – вторая                    жидкость

5. Применяемые шлаки должны создавать  условия для протекания физико-химических  процессов в нужном направлении и прежде всего в направлении рафинирования металла от неметаллических включений и серы, обеспечения однородности химического состава электрошлакового слитка, а также защиты высокоактивных легирующих элементов в металле (алюминий, титан, бор и др.) от окисления.

Шлак должен растворять и адсорбировать  неметаллические включения, а также способствовать .осевой Кристаллизации слитка, обеспечивающей лучшие условия для их всплывания. Повышая реакционную способность шлаков,   можно     обеспечить   более  эффективное удаление  неметаллических  включений  из   металла при ЭШП.

6. Чтобы обеспечить высокую степень десульфурации, необходимо применять шлаки с высокой основностью и в первую очередь с высоким содержанием СаО Или MgO. Силикатные шлаки не обладают десульфурирующей способностью. Шлаки должны быть жидкоподвижными и иметь высокую температуру.

7. Получению однородного химического  состава по высоте и сечению  электрошлакового слитка способствуют шлаки, не содержащие легковосстановимых окислов (окислов железа, марганца, кремния и др.), так как при переплаве металла, легированного высокоактивными элементами, наблюдается их окисление и неравномерное распределение. Наиболее приемлемыми для получения равномерного химического состава электрошлакового слитка являются бескислородные шлаки и в первую очередь шлаки на фторидной и хлоридной основах. С этой точки зрения заслуживает внимание фтористый кальций, обладающий достаточной температурой плавления и кипения и позволяющий обеспечить необходимую стабильность процесса. Однако фтористый кальций имеет существенные недостатки — повышенную проводимость и высокую вязкость, которые можно устранить добавлением таких устойчивых окислов, как СаО, MgO, BaO, А1₂0₃ и Zr0₂. Поэтому при ЭШП широкое распространение получили шлаки на базе CaF₂ с различными добавками.