Лабораторная работа №9 Выплавка стали в электрошлаковой печи

Цель работы: выработать навыки работы с электрошлаковой установкой, изучить электрическую схему электрошлаковой установки и закрепить знание о переплавных процессах.

Теоретическая часть

Рис. 9.1. Схема процесса электрошлакового переплава: 1 — источник питания; 2 — слиток; 3 — ванна расплава; 4 — кристаллизатор; 5 — электрод (переплавляемая заготовка); 6 — герметизированная камера; 7 — шлаковая ванна; 8 — шлаковая "рубашка".

Принципиальная схема ЭШП представлена на рис. 9.1. Элек­трическая цепь между расходуемым электродом и наплав­ляемым слитком замыкается через слой расплавленного шлака (электрическая дуга отсутствует). Жидкий шлак электропроводен, но обладает высоким сопротивлением, он нагревается до температуры 1700-2000 °С, в результате чего погружен­ный в него конец расходуемого электрода оплавляется, и металл в виде капель проходит через слой шлака и застыва­ет в ванне кристаллизатора в виде плотного слитка.

Составы шлаков при ЭШП различны, чаще всего исполь­зуется шлак, состоящий из CaF₂ с добавками СаО, А1₂О₃, SiO₂. Проходя через такой шлак, капли металла очищаются от серы, в них снижается содержание неметаллических вклю­чений, в кристаллизаторе образуется плотный качественный слиток. Оборудование ЭШП проще и дешевле, чем при ВДП. Это обусловило широкое распространение этого вида пере­плава.

На установках одних типов переплав осуществляют с рас­ходуемым электродом, на установках других типов — с не­расходуемым электродом. Существо процесса остается при этом неизменным: капли металла проходят через слой жидко­го шлака (через шлаковую ванну). Нерасходуемые электроды, используемые для поддержания требуемой температуры в шла­ковой ванне, бывают графитовые или металлические водоохлаждаемые. Проходя через слой жидкого шлака, капли ме­талла попадают или в кристаллизатор или в огнеупорный ти­гель. В последнем случае установки называются "установка­ми с керамическим тиглем". Для производства стальных слитков обычно используют процесс с расходуемым электро­дом и охлаждаемым кристаллизатором.

Электрошлаковая установка позволяет получать стали и сплавы повышенного качества.

Источником тепла служит электрическая энергия. В процессе прохождения электрического тока через шлак, обладающий электри­ческим сопротивлением, электрическая энергия превращается в тепловую по закону Джоуля-Ленца. Тепло, генерируемое в шлаке, нагревает его до 1700-2000°С; горячий шлак расплавляет металлический электрод, который одновременно служит и шихтой и проводником тока к шлаку. Капли металла и жидкий металл на конце электрода, оторвавшись с конца электрода, контактируя с горячим шлаком, рафинируются от вредных примесей.

Процессы плавки и кристаллизации металла происходят в металлической водоохлаждаемой изложнице - кристаллизаторе.

Путем подбора оптимальных скорости подачи электрода, напряжения, силы тока, глубины шлаковой ванны и других параметров можно достичь максимальной производительности установки и наи­более благоприятных условий кристаллизации.

На рис. 9.2, 9.3 и 9.4 показаны изменения характера плавления электрода, формы металлической ванны и направленности роста кристаллов в зависимости от скорости подачи электрода, изменения напряжения, тока и глубины шлаковой ванны.

Оптимальными значениями этих параметров являются те, кото­рые обеспечивают высокую производительность и вертикальное на­правление роста кристаллов, получение готового металла, чистого от вредных примесей, с однородной плотной макроструктурой.

Преимуществом электрошлакового переплава является отсутст­вие контакта жидкого металла в процессе плавки и кристаллизации с огнеупорными материалами, что исключает возможность загрязнения его оксидами огнеупоров.

Рис.9.2. Изменение характера плавления электрода, формы металлической ванны и направленности роста кристаллов в зависимости от скорости подачи электрода:

а) малая скорость подачи электрода, б) средняя;

в) высокая.

Рис.9.3. Изменение характера плавления электрода, формы металлической ванны и направленности роста кристаллов в зависимости от изменения напряжения: а) низкое напряжение; б) среднее; в) высокое напряжение.

Рис. 9.4. Изменение характера плавления электрода, формы металлической ванны и направленности роста кристаллов в зависимости от глубины шлаковой ванны: а) мелкая ванна;б) средняя ванна; в) глубокая ванна.

Для разведения процесса электрошлаковой плавки применяют легкоплавящуюся флюсовую смесь, состоящую из алюминиево-магниевого порошка марки ПАМ-3 или ПАМ-4 и рабочего флюса ( 30% ПАМ + 70% АНФ-6). Расход флюса для разведения процесса состав­ляет примерно 1% от веса всей шлаковой ванны.

Состав рабочего флюса, из которого в процессе переплава образуется жидкий шлак, оказывает существенное влияние на электрические параметры устойчивого процесса, на производительность установки и удельный расход электрической энергии.

При электрошлаковом переплаве часто используют шлаки на фторидной основе. Такие шлаки обладают низкой температурой плавления и высокой электропроводностью. К числу рабочих флю­сов на фторидной основе относятся часто применяемый флюс АНФ-6 состава (в%) : Al₂O₃ - 2530; CaF₂ - 5765; CaO - 44,5; SiO₂ - 0,72,0; FeO - 0,15; MgO 0,30,9; S-0,030,04.

Данные по изменению электропроводности и вязкости флюса АНФ-6 в зависимости от температуры приведены в таблице 9.1.

Таблица 9.1

Физико-хими­ческие пара­метры	Температура шлака, °С
	1400	1450	1500	1550	1600	1650	1700	1750
Эл.проводность, ом-1 см	0,85	1,40	1,75	2,10	2,40	2,65	2,95	3,10
Вязкость, Пуаз	0,5	0,26	0,18	0,14	0,11	0,10	0,08	0,07

Как видно из данных табл.9.1 при температуре процесса (17502000°С) эти шлаки обладают высокой электропроводностью и низкой вязкостью.

Плотность и поверхностное натяжение флюса, АНФ-6 изменяются с изменением температуры и могут быть рассчитаны из следующих зависимостей:

d_t=2,58-7,7610^-4(t⁰_с -1450),г/см³ (9.1)

_t=270-0,06(t⁰_с -1450), эрг/см² (9.2)

Как видно из этих зависимостей с повышением температуры понижается плотность и поверхностное натяжение. Если принять температуру шлака реального процесса 1850°С, то плотность шлака составит 2,27 г/см³, а поверхностное натяжение - 246 Эрг/см², т.е. шлак достаточно легкий и обладает значительной величиной поверхностного натяжения, что должно обеспечить хорошее разделение шлаковой и металлической фаз. Расход рабочего флюса составляет 34% от веса слитка. Процесс электрошлакового переплава проводится в электри­ческих установках, которые питаются переменным током промышленной частоты.

Однофазная установка питается от цепи с напряжением 220 В через два сварочных трансформатора (типа ТСД-2000), для измерения силы тока в цепь установки включены 2 измерительных трансформатора тока (типа ТТ 3000/5 и 2000/5). Питание подается на зажим электрода и поддон кристаллизатора.

При максимальном токе I_max = 500 А и напряжении U=60 В, мощность установки составляет 120 кВА. Регулирование тока и напряжения осуществляется изменением сопротивления дросселя (ДР) и шлаковой ванны.

Регулирование сопротивления шлаковой ванны достигается изменением скорости подачи электрода, в ванну.

На установке можно переплавлять электроды диаметром 1525 мм в кристаллизаторах диаметром 4050 мм.

Главными механическими узлами электрошлаковой установки являются (см рис. 9.5):

- медный водоохлаждаемый кристаллизатор К, в котором происходят процессы плавления и кристаллизации;

- медный водоохлаждаемый поддон П, служащий дном кристаллизатора и местом токоподвода;

- расходуемый электрод Э, являющийся проводником для подвода тока к шлаковой ванне и шихтой.

Рис. 9.5. Электрическая схема электрошлаковой установки.