Iпроблеми навколишнього середовища 541

рекомендовано! 569

л1тератури 569

Кожна реакцшна зона е вщкритою системою, в яку безперервно надхо дить метал та з яко'Г вш видаляеться.

Теплота, що видаляеться в шлаку, витрачаеться на нагревания самою шлаку, електрода, його плавлення та перегревания до температури вщри вання крапель, а також покриття теплових витрат через стшки криста л1затора 1 пщдона, випромшюванням з поверхш шлаку.

Крапл1 рщкого металу, проходячи через шлак, утворюють металеву ванну 6, яка послщовно затвер/пвае знизу з утворенням зливка 7. Об'ем металево! ванни безперервно поповнюеться новими порщями рщкого металу пщ час плавлення електрода.

Добираючи вщповщний х1М1чний склад шлаку (флюсу) можна про водити селективне рафшування переплавленого металу вщ тих чи шших небажаних дом1шок на вс1х стад1ях його под1лу.

Шлакова ванна в ЕШП виконуе також роль теплово! надставки (пор1вняно з кристал1защею стал! у виливницях), тобто сприяе форму ванню щшьно! спрямованоГ структури зливка, втьного вщ усадково! раковини.

Одна з важливих особливостей ЕШП — спрямована кристал1защя зливка знизу вгору завдяки деякому зменшенню вщведення теплоти в рад1альному напрям1, що спричинюеться утворенням гаршсажу М1Ж зливком 1 стшкою кристал!затора (див. рис. 6.1, 9). Цей гаршсаж забез­печуе чисту поверхню зливка, а спрямоване тепловщведення — високу ццльшсть та яюсну внутр 1ШНЮ структуру зливка.

За способом отримання зливка печ1 ЕШП подоляють на печ1, переплав­ку в яких проводять у суцшьному нерухомому («глухому») кристал1- затор], що розрахований на отримання зливка певно! висоти, та печ\, оснащеш коротким наскр1зним кристал1затором, який перемпцуеться вщносно зливка пщ час плавлення. Кр1м того, конструктивш та елект- ротехшчш схеми печей ЕШП багато в чому залежать вщ призначення 1 подальшого передшу зливюв.

Способом ЕШП можна отримувати прокати! зливки р1зно! маси \ поперечного перер1зу — кругл1, квадратш та зливки-сляби для листового

Цфобництва. Значний обсяг у виробництв! металу ЕШП займають ко- Рйльсью зливки масою вщ 10 до 100 — 400 т.

1 У промисловосп р1зних краТн екеплуатуються сотш печей ЕШП р1зного тшу 1 призначення: однофазш одноелектродш, б1ф1лярш двохелектродш та чотириелектродш, багатоелектродш печ1 з одним кристал1затором. До (Основного устаткування електрошлакових (ЕШ) печей належать мехашз- 5ИИ плавного подавання електрод1в, перем1щення кристал1затора 1 пщдона. ' Поряд з оеновним застосовують допом1жне устаткування: обладнання 'для прожарювання, збершання, плавления, транспортування I заливан- НЯ флюсу; обладнання для шдготовки иоверхш витратних електрод 1В 1 Кршлення Гх, а також зливюв для пластично! деформацп; устаткування для газопостачання, вторинного охолодження та об1гр1вання зливюв; печ1 (камери) для охолодження 1 терм1чного оброблення зливюв тощо.

Шд час роботи печей на рщкому старт1 плавления флюсу проводять поза печами ЕШП. Створеш та усшшно експлуатуються флюсоплавильш иен! для отримання редкого шлаку мктюстю 1 — 5 т. Розплавлення шлаку здшснюеться невитратним (граф1товим) електродом в неохолоджува- ному тигель-ковгш з граф1Товою футер1вкою. При цьому досягаеться рафшування шлаку (флюсу) вщ вологи, частково вщ кремнезему, окси- Д1в феруму внаслщок взаемодп з! стшками вуглецевого тигля.

Основш елементи електричного ланцюга печей ЕШП: джерело жив- лення, транформатор, струмошдведення, електрод, шлакова та металева ванни, зливок 1 пщдон. Для створення оптимальних умов проведения процесу ЕШП на шлаковш вант потр1бно забезпечити напругу 30 — 100 В 13 силою струму 2,5 — 50 кА. Залежно вщ параметр1В наллавлю- ваного зливка та типу установки д1апазон потр1бних значень напруги й сили струму значно звужуеться.

Сучасш печ1 ЕШП оснащеш приладами контролю 1 регулювання, системами керування певними параметрами та агрегатами, що дае змогу оптим1зувати технолопчш режими.

До основних матер1ал1в, яю застосовують у процеа ЕШП, належать витратш електроди, флюс, за потреби — лнатура, модифжатори, розкисни- ки. Допом1жн1 матер1али — електроенерпя, вода, пов1тря, шертний газ.

Витратш електроди виготовляють з прокату або !х вщливають. За- стосуваиня останшх економ1чно й технолопчно обГрунтовано, особливо якщо використовувати для цього МБЛЗ 31 значним набором розм!р1В змшних кристал1затор1в круглого або квадратного перерхзу.

На машинобуд1вних заводах як витратш електроди використовують вгдходи спрацьованих деталей 1 вироб)в (инструмента, штампи тощо), яю з'еднують зварюванням. За потреби поверхню електрод1в зачищають, застосовуючи дробоструменеве або мехашчне обладнання. 1нод1 засто­совують невитратш (здебшьшого — граф1тов0 електроди.

Одним 13 основних критерй'в якосп електрод]в е Х1М1чна однорщшсть, але наявшсть у них пористосп пом1тно не впливае на яюсть переплав­леного металу.

Таблиця 6.1. Флюси для ЕШП

Марка флюсу	Склад <		рлюсу за масою, %			Температура плавления, "(
	СаР2	А12Оэ	СаО	М^О	5Ю2
АНФ-1	10	_	—	—	_	1380-141(1
АНФ-6	70	30	—	—	—	1250-1280
АНФ-7	80	—	20	—	_	1350-1360
АНФ-8	60	20	20	—	—	1240-1260
АНФ-9	80	—	—	20	—	1370-1380
АНФ-25	55	16	12	12	5	1240-1300
АН-291	18	40	25	17	—	1380-1450
АН-292	—	60	35	5	—	1500
АН-295	14	53	28	5	—	1300-1380

П р и м 1 т к и: початков! букви марки флюсу означають: АН — Академия наук, Ф — флюс (шлак). Ум1ст дом1шок у флюс1 не мае перевищувати, %: 5Ю₂ — 2,Г>; РеО - 0,5; 5 - 0,06; Р - 0,02; С - 0,1.

Велике значения для надежного ведения процесу мае правильно пщ1браний х1М1чний склад флюсу, шеля розплавлення якого утворюеться рщкий шлак. Слщ зазначити, що вщ активности рщкого шлаку залежить ступшь очищения металу вщ шкщливих домшок 1 збереження в ньому легуючих елеметтв. Температура плавления флюсу мае бути трохи нижчою, шж температура плавления металу, а температура шлаку перевищувати температуру розплавленого металу. Шлак повинен маги достатню електропровщшеть та низьку в'язюсть (0,05 — 0,15 Па ■ с).

В електрошлакових процесах застосовують фтористо-оксидш системи, яю мають ушверсальш властивосп й пщвищеиу десульфур1вну здатшсть. До складу иайпоширешших шлаюв входять: фторид кальщю СаР₂ та стшю оксиди СаО, А1₂0₃, М§0 (табл. 6.1).

Технолопчний процес (ТП) ЕШП характеризуеться певними парамет­рами електричного режиму, глибиною шлаково! ванни, стввщношеннями м1ж диаметрами електрода 1 кристал1затора, що визначають загальну глибину металево! ванни, величину заиурення електрода в шлак та 1шш характеристи ки ТП, як1 впливають на яюсть раф1нування металу й кристалдзащю зливка. Форма 1 глибина металево! ванни залежать вщ погужност!, напруги та си ли електричного струму, що споживаеться, температури й маси шлаку, швид­косп плавления, д1аметра електрода, XIмучного складу металу та 1нших пара- метр1в. Якщо глибина заиурення електрода в шлак недосить велика, то м1ж шлаком 1 торцем електрода можливе виникнення електрично! дуги, що спричинюе збшьшення окиснення металу 1 неметалевих включеиь у зливку.

Якщо глибина заиурення електрода в шлак збыьшуеться, то може виникнути дуга м1ж металевою ванною 1 торцем електрода, що призво дить до браку внаслщок недосконало"! макроструктури.

Процес ЕШП — цикл1чний 1 складаеться з пер1од1в простою М1Ж плавками, наведения шлаково! ванни, переплавки електрода, виведення усадково! раковини та охолодження зливка.

Рис. 6.2. Схема ЕШП на твердому старт!:

1 — В130К шддона; 2 — тддон; 3 — шайба-затравка; 4 — дугове розряджання в запальнш сум1ип; 5 — робочий флюс; 6 — кристал1затор; 7 — витратний електрод;8 — електродотримач

Особливост1 електрошлаковоУ плав­ки. Операщя подготовки печ1 до плавки включае розмхщення устаткування для формування зливка — кристал1затора й шддона, елемент1в, потрдбних для стар­ту — заправки, а також залежно вщ тех­нологи — засипання стартово'Т сумшп флюсу чи розм1щення устаткування для заливания рщкого шлаку (рис. 6.2). Кристалхзатор 1 пщдон уважно огляда- ють, очищають IX внутршню поверхню, а нижн1Й торець кристал1затора очища­ють вщ СЛ1Д1В шлаку, королькхв металу й нагару. Шсля цього визначають стан поверхш шддона 1 кристалдзатора для встановлення наявност1 \'х деформаци та мшцевих дефекта — подряиин, вибош, виривдв тощо. У раз1 потреби усувають дефекти або замшюють кристал1затор 1 пщдон.

Придатш до використання кристалдзатор 1 пщдон установлюють на шч, пщключають подавання води для 1'х охолодження та перевгряють на вщсутшсть у них протдкання. Якщо виявляють незначне просочування води в кристал!затор1 або шддош, плавлення не розпочинають, осюльки потрапляння вологи в шлак чи рщкий метал спричинюе викиди шлаку 13 кристал1затора та попршення якост! наплавленого металу внаслщок пщвищення в ньому вмюту водню й окиснення наявних або введених легуючих елемештв (алюмшш, титану, циркошю та ш.). Якщо темпера­тура охолодно'1 води нижча, шж температура иовпря, на стшках криста- л! затора 1 шддона можливе створення конденсовано! вологи. Тому пе­ред плавлениям щ поверхш иротирають насухо. Перев1ряють справшсть мехашчного й електричного устаткування печ1 та роботу вентиляцшноУ системи. Закршлюють електрод в електродотримач!, забезиечуючи його контакт 31 струмопщвщною мережею, коригуючи його положения вщ- носно кристал1затора 1 пщдона 13 затравкою.

Настае час для проведения процесу — старту, пщ час якого форму- еться шлакова ванна 1 стабШзуеться електрошлаковий процес. Наведен­ия шлаково'! ванни мае два р1зновиди: твердий та рщкий старти, причо­му наведения шлаковоГ ванни за твердого старту здшснюеться безпосе­редньо в кристал1затор1. На пщдон по центру иильно кладуть металеву затравку (шайбу). В центр1 затравки (рис. 6.2) роблять перемичку, використовуючи для цього сталев! стружку 1 др1т, спрацьоваш пружини.

Х1М1чний склад затравки 1 перемички мае бути близьким до складу електрода. Пот)м навколо перемички насипають самоплавку чи екзоггр м1чну сум1ш. Кристал1затор, який до цього був шднятий над пщдопом, опускають 1 ставлять на пщдон. Електрод опускаеться вниз до кот.ж тування з верхньою частиною перемички. В кшьцевий прост!]) мои витратним електродом 1 стшкою кристал1затора засипають робочий с| >1 и м, Х1М1чний склад 1 к1льк1сть якого передбачеш шструкщею для кожпш групи марок стал! та маси зливка.

На шдготовлену таким чином установку подають напругу. Перс мичка розплавляеться з одночасним розплавлянням самоплавко! сум им I Шд час проходження через не! електричного струму в нш видшяеп.си достатньо теплоти для розплавлення робочого флюсу й утворення елск тропровщно! шлаково! ванни. Однак технолопя твердого старту м;и низку недолШв.

1. У перюд наведення шлаково! ванни за твердого старту електрич ний режим дуже нестаб!льний, що зумовлюеться нестшким процесс >м горшня дуги внаслщок складних умов йошзацп дугового простору Онтенсивне охолодження шлаком, значне вщведення теплоти через елск трод 1 пщдон).

2. У цей перюд для перегр1вання шлаку 1 формування зливка тепло I и видшяеться недостатньо, внаслщок чого його донна частина виходить л перетисками.

3. У доннш частиш ванни :но/и трапляються нерозплавлеш часточки шлаку.

4. Унаслщок неминучих дугових розрядгв спостершаеться шдвищенс окиснення легуючих елемент1в переплавленого електрода.

5. Обр1зь донно! частини досягае 8—10 %.

6. Потреба виготовлення спец1альних шайб-затравок, що пов'язано з небажаною завантажен1стю ковальського 1 верстатного уетаткування.

7. Небезпека пропалення затравки й пщдона у початковий перюд розвитку процесу, коли можливе виникнення дугових розряд1в.

8. Довга тривалшть процесу розплавлення флюсу (до 1 год), унасл! док чого знижуеться продуктившсть печ1.

9. Для як1Сного проведения процесу потр1бш певн1 навички, зосе реджешсть та висока квал1ф!кац!я оператора.

Перел1чеш недол1КИ твердого старту особливо помггш у процес! вн плавлення великом1рних зливк1в, а також пщ час роботи на печах три фазного 1 б1ф\лярного типу.

3 метою усунення зазначених недол1к!в розроблено два способи ЕШ11 на рщкому старт!: 1) приготування р1дкого шлаку безпосередньо в кристал1затор! 13 разними вариантами використання невитратних елек трод1в; 2) розплавлення шлаку в спещальнш флюсоплавильн1й печ1, июля чого його заливають у кристал1затор.

Нин1 найбщыне поширен! два способи заливания шлаку в кристал1за- тор: зверху — пщ час роботи з коротким, рухомим вщносно зливка

Електрична ДУ^га о,

Р1вень шлаку

Р1вень металу

V/,

У//////А

У//////А

\///////А

{/////У/А

- —V

{///////А

Рис. 6.3. Можлиш' вар!анти заглиблення витратного електрода у шлакову ванну при ЕШП залежно вщ швидкост1 подавання електрода 11(0) < < < Щ < ^{< а}б)

Кристал1затором; знизу — (сифонним способом) — шд час роботи з довгими кристал1заторами чи з великогабаритними рухомими кристал!за- Торами.

Споаб сифонно'Г заливки пор1вняно широко застосовують у зв'язку 3 простою пристосовашстю до кожно\" печ1 ЕШП. Заливания шлаку проводять шсля шдключення напруги до печь Якщо ршень шлаку в кристал1затор1 наближаеться до заданого, ) в ланцюз! витратного елек­трода виникае електричний струм — заливання шлаку припиняють. Основною перевагою сифонноГ заливки е висока продуктившсть, вих!д придатного металу та полшшення якосп переплавлюваного металу.

Для отримання металу високо'Г якосп потр1бно забезпечити вщповщне положения тордя витратного електрода в шлаковш ванш (рис. 6.3). За мало! швидкост1 подавання електрода його плавления вщбуваеться по- близу дзеркала шлаково! ванни. Торець електрода залишаеться плоским (рис. 6.3, ), крапл1 металу хаотично «блукають» по торцю. В момент вщривання крапель спостершаються дугов! розряди м1ж електродом та поверхнею шлаково'1 ванни. З2 збшьшенням швидкосп подавання електро­да на його торщ утворюеться виступ, близький за формою до конуса (рис. 6.3, ?>5), б1чна поверхня якого вгнута. У раз1 збшынення швидкосп подавання електрода його торець занурюеться в шлак, набуваючи форми правильного конуса (рис. 6.3, ). За ще бтыжл швидкосп подавання електрода на його торги з'являеться цшиндрична частина, занурена в шлак. М1желектродний пром1жок зменшуеться, процес ЕШП спочатку перюдично, а пот1м 1 повшстю переходить у дуговий (рис. 6.3, <у_с ).

Зовшшньо таке порушення режиму ЕШП виявляеться в характер­ному клекотшш в глибиш шлаково"! ванни. Оптимальна (для стшкого процесу) форма оплавлено 1 частини електрода — це правильний конус (рис. 6.3, ).

Електрична дуга

31 швидк1стю подавання електрода лшшною залежшстю пов'язана сила струму, що дае змогу регулювати процес ЕШП у раз1 його замши. Задаючи те чи шше значения сили струму за незмшно! напруги на шлаковш ванш, тим самим задаеться швидюсть подавання електро-

да, тобто його положения в шлаку У раз1 порушення електричного ре жиму 1 положения торця електрода можлив1 електропробо! на стшкп кристал1затора. 1снуе т1сний зв'язок м1ж електричним полем 1 тепловим станом шлаковоУ ванни, а також м1ж глибиною шлаково! 1 металевоУ вами (рис. 6.4).

Внаслщок зменшення питомо! по тужносп на одиницю об'ему шлаку знижуеться швидюсть переплавляй ня електрода. Частота вщривання крапель вщ торця електрода, !'хня се редня маса (3 — 6 г), довжина вщсташ, яку вони проходять через шлак, перш шж потрапити у металеву ванну, в багатьох випадках залежать шд складу шлаку та металу, геометричних 1 електричних параметр1в печь

Експериментально встановлено, що частота вщривання крапель 31 зростанням швидкост1 подавання електрода, отже, з1 збшыиенням сили струму, також зб1льшуеться, а величина маси крапель зменшуеться. Кр1м того, 31 збгльшенням перер!зу електрода маса крапель збшьшуеться.

Слщ зазначити, що крапельне перенесения може змшюватися за мехашчного впливу — в1брацп витратного електрода, ультразвукових або електромапптних коливань, накладання 1мпульс1в струму, продувания шлаково! ванни газами.

Для проведения яюсного рафшування металу й отримання однорщ- но1 структури зливка потр1бно мати незмшну форму 1 об'ем металево! ванни. Шеля наплавлеиня зливка певно! висоти й маси потр16но як- найшвидше вивести усадочну раковину. Плавка заюнчуеться п1сля при- пииення подавання електрода без вщключення елекгроживлення уста­новки. Електрод витримують до повного оплавления його частини, яка занурена в шлак.

я,

70

Рис. 6.4. Взаемозв'язок М1Ж глибиною металево!1шлаковоУванн

50

30

10 30 50 70 Н_ш, мм

Поступово зменшуеться сила струму та з'являються дугов1 розряди м1ж торцем електрода 1 поверхнею шлаково! ванни. Електродотримач пщшмають для виведення недогарка електрода 13 кристалозатора 1 вщключають напругу. Технолоп! зак1нчення плавления для невеликих 1 великогабаритних зливкгв р1зн!. Так, у прочей отримання великих зливюв (20 — 400 т) характерною особлив1стю технолог!! е обов'язкове застосування рщкого старту. Шеля виведення усадково! раковини або пщживлення (13 застосуванням залишку електрода, який не розплавив- ся, або невитратного електрода) «зв1льняти» зливок вщ кристал1затора не можна, оск1льки в кристал1затор1 е ще розплав шлаку й металу. .31 збгльшенням перер1зу кристал1затора, тобто 31 збдльшенням об'ему шлаково! та металево! ванн, отже, маси зливка, тверднення розплаву стае тривал1шим 1 досягае юлькох годин для зливка д1аметром 1000 мм 1 б1льше. Поверхня зливкдв мае бути чистою, без дефеюпв (перетискань,

Рис. 6.5. Макроструктура сталевих

•ЛИВК18:

ГI - закристаЛ13ованого в чавуннш виливнищ; б — отриманого ЕШП

наплив1в металу, гофрив, по- верхневих пузир1В, др1бних тр1щин 1 т. п.), як1 за потреби зачищають або вирубують.

Застосовуючи споаб ЕШП, виплавляють широкий асор- тимент сталей, сплав1в на ос­нов! ЭаЛ13а Р13НОГО В1ДПОВ1- дального призначення, чаву­шв, кольорових метал 1В, а та­кож сплав1в на !х основс

Макроструктура зливюв стал!, отриманих ЕШП, харак- теризуеться ф13ИЧНОЮ Й Х1М1ЧНОЮ ОДНОрЩШСТЮ ПОР1ВНЯНО 31 зливками, ЯК1 отримують у раз1 застосування чавунних виливниць (рис. 6.5).

Електрошлакова переплавка, яка мае загальш ознаки з шшими спо­собами спещально! електрометалурп! (наявшсть рафшувального середо- иища 1 водоохолодного кристал^затора), характеризуется певними особ- ливостями, як1 позитивно впливають на яюсть металу зли шов.

1. Зливок формуеться, власне, не в криетал!затор1, а в шлаковому гаршсаж!, на його стшках (див. рис. 6.1), що сприяе значному пол но­шению поверхш зливка.

2. Верхня частина зливка контактуе з великою тепловою м 1 спастио- шлакового ванною. Це зумовлюе додаткове (пор1вняно з вакуумно- дуговою переплавкою) обыгрывания верхньо! частини зливка, р13ко пщ- вищуе шерцшшсть теплового режиму шлаково! та рщко! металево! ванн.

Найбщьш нагр1тою частиною шлаково! ванни е пщелектродна дшянка, де знаходиться теплове ядро з температурою 1900 — 2000 °С. Для подо- лання сили поверхневого натягу 1 вщривання крапл1 вщ електрода метал перегр1ваеться над точкою плавлення. Тому температура крашп вища, шж температура точки плавлення на 40— 120 °С. Це перегр1вання залежить вщ Х1М1чного складу шлаку й металу 1 зазвичай зростае :и збшыпенням у шлащ вмюту глинозему.

Температура шлаково! ванни розподшяеться нер1вном!рно: макси­мальна (1750—1900 °С) в пщелектродшй зош; температура шлаку в юльцевому зазор! М1Ж електродом \ стшкою кристал^затора досягае 1675— 1775 °С; температура вщкрито! поверхш шлаку на поверхш подшу шлак —метал 1575—1675 °С. Температура шлаку й металу залежить вщ двох основних факторов — електричного режиму переплавлення та електропровщност! шлаку.

Теплота, що видшяеться в шлаку 0_ШЛ, витрачаеться в стацюнармо му тепловому режим! ванни на корисну потужшсть 0_К0р 1 иокрппн теплових витрат:

Ошл = Окор + Окр + Овипр + Ом + ^ДОел- ^(С> ' >

де Р_кор ~ теплота, що витрачаеться на нагревания металу електрода, його плавлення 1 переплавку до температури вщривання краил1; С)_К|| втрати теплоти з охолоджувальною водою кристал1затора й шддона, Овипр втрати теплоти внаслщок випромшювания з поверхш шлаки во1 ванни; ф_м — витрата теплоти внаслщок теилопередач1 в рщку мг талеву ванну; &0_ел — теплопередача теплоти в навколишне середовп ще вщ нагрдтого електрода (осьовий потш теплоти по електроду).

Експериментальш дослщження складових енергетичного балансу (и %) довели, що основш витрати теплоти шлаково! ванни шд час ЕШП вщбуваються з водою через стшки кристалдзатора 1 пщдона: (?_кор 20 — 35; О_кр - 45-55; д_випр - 5-10; О_м - 5-20; ДО_ел - 3-5.

У багатоелектродних печах 31 складною формою охолоджувальних поверхонь, зумовленою наявшстю горизонтальних д1лянок кристалдзл тора, дорна (багатор1вчаков1 пет, кристал1затори змшним иеретином, у раз1 заилавлення осьового отвору великогабаритних зливюв), частка втрати теплоти через стшки кристал1затора досить 1Стотна 1 може дося гати 50-70 %.

Тепловий коефшдент корисно! ди (ККД) печей ту, визначають за сшввщношення

Л_т=Р_кор/Ошл-

У процеа ЕШП витрати електроенерги на отримання сталевих зливюв становлять 1000—1400 кВт • год/т.

Регулювання теплового режиму дае змогу забезпечити певну форму р1Дко'1 металево! ванни, отже, фронту кристал1зацп, що сприяе отриманню незмшно! за висотою зливка структури.

Рафшування металу. Шд час ЕШП в метал1 хстотно зменшуеться вм1ст арки, кисню та неметалевих включень. Шлак захищае рщкий метал вщ негативного виливу навколишнього середовища, що дае змогу запобшти переходу водню в метал та зберегти цшш легуюч1 елементи, що мають пщвищену сиорщнешсть до х1м1чних реакцш 13 киснем.

Одним 13 основних завдань пщ час розроблення та впровадження технологи ЕШП було значне зниження концентраци арки в металл

У цьому вщношенш ЕШП мае перевагу перед шшими переплавни- ми процесами спещально! електрометалургп. Так, стушнь зменшення арки за ЕШП металу досягае 60 — 90 % 1 мае низький гхнш умлст (до 0,003 — 0,01 %) у залишку. Видалення арки залежить вщ умюту арки у вихщному метал1, х1м1чного складу шлаку та атмосфери над ним, енергетичного режиму переплавлення, роду й полярност1 струму.

Слрка переважно видаляеться у першш реакцшшй зош — зош плав­лення електрода, включаючи високу активность оксиду кальцда:

[5] + (0²-) = (5²-) + [0]; (СаО) + (5^2-) = (Са5) + (0²~).

Ефектившсть десульфурацп пщ час ЕШП зумовлена високотемпера- Турною взаемод1ею металу й шлаку за значно! поверхш !х реагування. Процес десульфурацп шлаку багатостадшний: 1) дифуз1я арки з рщкого Металу (ванни) до поверхш подшу метал —шлак; 2) перехщ арки 13 Металу в шлак; 3) перенесения арки вщ поверхш подшу метал —шлак до поверхш по/плу шлак — атмосфера; 4) перехщ арки через дифузшний межовий шар; 5) окиснення арки на меж1 шлаку з атмосферою; 6) вщве­дення продуктов окиснення арки вщ меж! подшу шлак —атмосфера:

(8²-) + З/2{0₂} = {50₂}₊(0²-). (6.9)

Загалом реакцию процесу десульфурацп можна записати так:

[8] + 3/2{0₂} = {50₂} + (0). (6.10)

Рхвноважна концентрация арки [5]_р в метал 1 залежить вщ концен­трацп кисню [О] в метал! (розкисненосп металу) та складу газово! атмосфери:

вщповщно коефпценти активности кисню й арки: р₅₀ ,

константа

'Ро,

й 0₂ в атмосфер! над шлаком; К

[51 = ^10!/°?°' . (6.11)

да /о

парщальний тиск 50₂ р1вноваги реакцп.

Шеля подавання на поверхню шлаку шертного газу, наприклад аргону, що припиняе доступ повпгря, гальмуеться процес десульфурацп. Нашмо- вхрнхшою ломхтуючою ланкою е дифуз1я С1рки в металл Накопичення арки в шлаку попршуе його десульфурацшну стабшьшсть 1 зумовлюе нерхвноморний роз под 1 л п по висот! зливка. Тому для збережеиня незмш- ного ступеня десульфурацп металу гид час ЕШП потр1бно забезпечувати достатнш окисний потеищал газово! фази в кристал1затор1, використову- вати високофторидш флюси (типу АНФ-6, ФРФ-7) або проводити поновлення шлаково! ванни в процес! ЕШП, особливо за тривалого ведения переплавки. На процес десульфурацп негативно впливае навпъ невелика к1льк1сть оксщцв феруму та сшпцда в шлаку.

На ступшь десульфурацп кр1М складу шлаку впливае х1М1чний склад переплавленого металу, який визначае актившсть арки в розплав!. 3 пщвищенням умшту в метал! вуглецю та алюмшш кшыисть арки, що вилучаеться з електрошлакового металу, збшьшуеться.

Вид струму та його поляршсть також впливають на процес видалення арки 13 металу. У раз1 використання постшного струму можливий про­цес електрол1зу шлаку: на анод! вщбуваеться реакщя = (5) + 2е,

Вид струму	Полярн1сть	Початковий УМ1СТ с1рки в метал1, %	Вм1СТ С1рки в зливку у ра;н використання шлаков, %
			АНФ-6	АНФ-7	АНФ-9
Змшний 50 Гц		0,032	0,013	0,009	0,006
Постшний	Пряма (катод)	0,032	0,036	0,039	0,034
	Зворотна (анод)	0,032	0,015	0,011	0,015

а на катод! — (5) + 2е = Електрохгм1чне перемещения арки вщ

катода через шлак може супроводжуватися окисненням и на меж1 шла ку 13 газового атмосферою, отже, вщбуваеться десульфуращя металу - вм1ст арки у зливках зменшуеться до 50 % (табл. 6.2).

Шсля пщключення до негативного полюса — катода електрода, що переплавляеться, електрох 1м) чному перенесению арки перешкоджае надхо дження п до меж1 з газового фазою, що попршуе умови десульфурацп металу. За змшного струму арка переноситься до меж1 з газовою фазою конвекцшними потоками завдяки високш температур! шлакового розплаву.

Кисень у зливках, яю закристал1зувалися, м1ститься переважно в Х1М1ЧНО зв'язаному сташ. Оброблення розплавленого металу шлаком, вщсуттсть футеровки, спрямоване формування зливка сприяе очищению металу на 10 — 50 % вщ неметалевих оксидних включень, отже, вщ кисню.

Рафшування металу вщ оксщцв найбщьше застосовують пщ час оплавления електрода, внаслщок чого шлак поглинае значну юльюсть включень, яю вилучаються з металу. Х1м1чний склад неметалевих вклю­чень в електрошлаковому метал! визначаеться сшввщношенням актив­ностей кисню та елемештв-розкисниюв. Концентрац1Я кисню в мета- лев1й ванн1 регулюеться актившстю а елемента, який за певних умов мае найб1льшу х1М1чну спорщнен1сть до кисню:

Х[Ме] + У[0} = (Ме_х0_у\, (6.12)

а(Ме_гО_и)

К= , * '>1 . (6.13)

Зазвичай ум1ст кисню в метал1 ЕШП значно зменшуеться й коли- ваеться вщ 0,005 до 0,008 %.

Для вилучення фосфору потр1бно створювати умови, протилежш тим, як1 потр1бн1 для десульфурацп, зокрема знижена температура 1 дуже окиснювальний високоосновний шлак. Таю умови загалом мо- жуть бути створеш за ЕШП, але найкраще, щоб низький умк'т фосфору в метал1 був И1д час плавки стал1 для електрод1в.

Слщ зазначити, що ЕШП пор1вняно з переплавними процесами у вакуум1 не досить ефективний споаб вилучення дом1шок кольорових метал1в 13 переплавленого металу.

Вм1ст водню у зливках ЕШП залежить вщ тлъкох фактор1в: кон­центраци його у витратному електрод1, вологост! навколишньо! атмосфе­ри, ВМ1СТУ ЙОГО В шлаку у ВИГЛЯД1 (ОН")- Залежно вщ сшввщношення зазначених фактор !в пщ час ЕШП водень може або вилучатися \з пере­плавленого металу, або вм1ст його збшыиуватися. Перехщ водню в ме­тал у процеа контактування його 31 шлаковим розчином визначають за такими реакщями:

2 (ОН" ) + Ре = (Ре²⁺) + 2 (о²~) + 2 Щ]; (6.14)

2 (ОН^-) + (Ре²⁺) = Ре + 2 Щ] + 2 (О). (6.15)

Концентрация водню в металд пщпорядковуеться закону Сгвертса:

За твердого старту значна частина водню переходить 31 шлаку в ме- талеву ванну 1 його концентращя в доннш частит зливка може бути вища, шж в електрод!. Рщкий старт дае змогу лжвщувати максималь- ний ум!ст водню в доннш частиш зливка, але нер1вном1ршсть розподшу його по висот1 зливка збер1гаеться. Шсля наплавлення приблизно третьо! частини зливка концентрация водню стае сталою або плавно зменшуеться. Вм1ст водню в шлаках становить 20 — 30 см³/100 г, 1 тому дуже важли- ва спещальна ищготовка шлакдв для використання: прожарювання перед ЕШП, продувания аргоном пщ час плавлення флюсу. Здебшыного шд час ЕШП зменшуеться вмдст водню 1 становить у зливках 0,00027 — 0,00054 % (3 — 6 см³/100 г, або 3 — 6 ррш). Винятком е сплави ]'з шдвище- ним умдстом гщридотв1рних елемештв. У процеа отримання флокено- чутливих сталей, особливо пщ час виплавки великих зливюв, потребно враховувати вмют у них водню.

Водень у зал131 та сплавах на його основ! знаходиться у вигляд1 електрозаряджених 1 дуже рухливих елементарних частинок — иро- тон1в Н⁺. Отже, за сталого електричного поля можливе иеремщення водню в напрям1 до катода, розряджання 1 видалення його:

[н⁺] + е = [Н]; [Н] + [Н] = Н₂. (6.16)

На основ! дослщжень можна припустити, що залежно вщ х1м1чного складу розплавленого металу водень може кнувати в юлькох формах: позитивно чи негативно заряджених йошв, атом1в або в склад! пдри/цв.

На анод1 може вщбуватися такий процес:

4(0Н~) = 2Н₂0_г + 0_2г+4е. (6.17)

При цьому передбачаеться значне зменшення концентраци йошв (ОН^-) у тих шарах шлаку, яга стикаються з металом, унаслщок чого здшснюеться штенсивний переход водню з металу в шлак:

Ре + 2 [Н] + 2 [О] = Ре²⁺ + 2 (ОН^-). (6.18)

а б в г

Рис. 6.6. Схема порцШного електрошлакового вщливання зливкгв:

1 — невитратш електроди; 2 — виливниця; 3 — пщдон; 4 — затравка; 5

■уда*'

ММ-

виливниця;3 металева ванна; 8

шлакова ванна.

зливок

6 — шлаковий гаршсаж; 7

За достатньо розвинено! поверхш контактування системи метал шлак, тривалого проходження електричного струму, штенсивно! цирку лящ! металу й шлаку можна досягти значно! дегазацп металу (до 20 50 %). За ЕШП сталей аустештного класу найменший ум1ст водню спостер1гаеться у раз! застосування сталого струму прямо! полярносп Видалення азоту за ЕШП практично залежить вщ тих самих факторш, що й видалення водню. Шд час переплавки сталей, яю не мктять штрп дотв1рних елеменпв (цирконда, титану, шобш та ш.), концентращя азо ту знижуеться вщ 10 до 50 %. Ум1ст азоту в сталях 1 сплавах ЕШП залежно вщ !х х1М1чного складу становить 0,01 —0,08 %. Досить висо ко! чистоти металу можна досягнути за подвшного ЕШП. Однак гид час переплавки сталей, легованих азотом, його потребно лберп аги.

У рщкому зал131 азот хмовгрно штрщцв не утворюе, осюльки шд час його розчинення зберкаються вс1 ознаки утворення звичайного ендо- термхчного розчину. Пропорцшшсть концентрацп розчиненого азоту зпдно 13 законом Сшертса не викликае сумшву.

Порцшна електрошлакова вщлнвка зливк^в (ПЕШВЗ) — спос1б, призначений для виробництва великих зливюв, безпосередньо з рщко­го металу. У водоохолоджувальнш виливнищ, застосовуючи невитратш електроди, розплавляють флюс (рис. 6.6). Попм у виливницю через шар шлаку заливають першу порщю рщко! стал1, яка виплавлена в сталеллавильнш печ1. Шд час заливання стал! шлак спливае, а електро­ди, зануреш в нього, пщшмаються (рис. 6.6, б). Вщбуваеться процес електрошлакового об!гр!вання металу з тдведенням електрично! по­тужност!, достатньо! для пщтримання поверхш металу рщким по всьому перер!зу виливнищ. Залитий метал поступово твердне знизу 1 до часу заливання наступно! порцп металу пщ шаром шлаку залишаеться норпг няно невелика гальюсть «першо!» порци редкого металу (рис. 6.6, б). Метал наступно! порци аналогично першш заливають у виливницю, де

|1н змхшуеться 13 залишком рщкого металу першо! порци (рис. 6.6, г). Ц1 цикли (заливания порцп металу — витримування 1 часткова кристалЬ 8ац1я !"! за електрошлакового об1гр1вання поверхш металу — заливан­ия наступно! порцп металу) иовторюють к!лька раз1В до зановнення вече! виливнищ.

Шеля заливания останньо! порцп металу проводять поступове зни- ження електрично! потужност1, яка пщведена до шлаково! ванни, з тим, щоб запоб1гти утворенню усадково! раковини у головнш частиш злив­ка (рис. 6.6, д). 1нтенсивне оброблення металу рафшувальним шлаком забезпечуе високу чистоту металу зливка за вмютом шрки та неметале- вих включень.

Спрямована знизу вверх послщовна кристал^защя металу у виливнищ обмежуе розвиток у зливку зонально! лшваци та виключае утворення в ньому дефекпв у садкового й лшвацшного походження.

Застосовуючи ПЕШВЗ, можна отримувати зливки майже необмеже- но! маси, за наявност! сталеплавильних агрегат!в порхвняно мало! садки (ДСП 25 —50 т, 5 —7 цикл1В заливання металу).

Дугошлакова переплавка (ДШП). На початку 70-х рок1в XX ст. в 1нститут1 електрозварювання (1ЕЗ) 1м. С. О. Патона НАН Украши було розроблено спос1б ДШП металевого витратного електрода елект­ричного дугою, яка горить м1ж торцем електрода 1 поверхнею рщко! шлаково! ванни в мщному водоохолодному кристал^затор! (рис. 6.7).

На практищ переважно застосовують схему ДШП 13 флюсовим затво­ром (рис. 6.7, б), який встановлений безпосередньо на кристал!затор1. Виплавка зливюв в1дбуваеться у звичайних печах ЕШП з використан- ням П1чних трансформаторов та 1ншого устаткувания. Для цього по- тр1бно забезпечити 130ЛЯЦ1Ю дуги вщ контактування з повхтрям 1 ство- рити в зош !! гор1ння контрольовану газову атмосферу.

Витратн! електроди бувають як сущльш, так 1 порожнист1, причому через порожиину можна подавати газ у зону горшня дуги, що сприяе виведенню з дугового пром)жку водню, фтору та шших шкщливих дом1- шок. Електрична дуга горить в атмосфер! активного або захисного газу й пари шлаку. Наявшсть пари шлаку, в якому е х1М1чш елементи з низьким потенциалом йошзацп, сприяе ста6).^,нзац)! та стшкоеп горения дуги за атмосферного чи пщвищеного тиску. Завдяки розосереджуван- ню теплоти в шлац1 трохи знижуеться глибина металево! ванни по- р1вняно з ЕШП. У процес! використовують переважно той самий склад шлак1в, що й за ЕШП.

За як1стю метал ДШП майже не поступаеться металу ЕШП. По- р!Вняно з ЕШП за ДШП в 1,5 — 2 рази зменшуеться витрата електро­енергп на 1 т металу та в 2 рази — витрата синтетичного флюсу. Мож- ливо проводите легування металу азотом безпосередньо 13 газово! фази за звичайного або пщвищеного тиску. Процес ДШП ефективний у раз1 виробництва великотоннажних листових зливкгв титану та сплав1в на

ЙОГО ОСНОВ1.

а б

Рис. 6.7. Технолог! чш схеми реал1зацп ДШП в камсршй печ1 з витяганням зливка 13 короткого кристал^затора (а) 1 в звичайнш печ! ЕШП в стацшнарному кристал1затор1 13 застосуванням флюсового затвора (б):

1 — головка витратного електрода; 2 — флюсовий затвор; 3 — витратний електрод; 4 — водоохолоджуваний кристал^затор; 5 — шлакова ванна; 6 — зливок; 7 — водоохолоджуваний шддон; 8 — камера печ1; 9 — футерована шлакова надставка; 10 — короткий водоохолоджуваний кристал1затор; // — мехашзм для витягання зливка 13 кристал^затора

Електрошлакове об1гр1вання 1 шдживлення головно'1 частини ЗЛИВК1И. У 50-х роках XX ст. у Кшвському пол1техшчному шститут! разом з 1ЕЗ 1м. 6. О. Патона НАН УкраТни проводили дослщження щодо застосуваиня електрошлакового об1гр1вання додатковоУ частини зливк1в невитратним електродом 1 електрошлакового шдживлення го- ловно'1 частини зливюв витратним електродом такого самого х1м1чного складу, як 1 сталь, що залита у виливницю (рис. 6.8).

За електрошлакового об1гр1вання шсля заливання стал! у виливни­цю в додаткову футеровану надставку засипають шлакоутворювальну сум1ш (флюс), вводять невитратний (граф1товий) електрод, до якого шдключають електричний струм. Шд Д1вю електроенергп й теплоти ще не закристал!зованого в додатковш надставщ металу флюс розплав- ляеться. Для прискорення розплавляння флюсу до його складу вво­дять екзотерм1чну сум1ш. Завдяки розплавленому металу додатково!

„с. 6.8. Електрошлакове об1гр1- Н1|я головно! частини зливка:

виливниця; 2 — закриста- )»ований метал; 3 — рщкий метал;

додаток виливнищ; 5 — роз- лавлений флюс (шлак); 6 — цент- ;ва; 7 — невитратний (граф1товий Лектрод)

Надставки майже повшстю выводиться усадкова рако- |Вина, полшшуеться якють I металу у верхнш та осьовш I Частииах зливка, на кшька * вщсотюв збшынуеться ви­хщ иридатного (теля про­катки) металу.

Споаб електрошлаково- ^ ' ¹ ^

го пщживлення полягае в

тому, гцо шд час кристалдзацп головна частина зливка пщживлюеться, а осьова частина розбавляеться редким металом, який утворився внаслд­док переплавляння витратного електрода в шлаковш ванн!, наведенш у додатку виливнищ. Ця технолопя крдм иереваг, характерних для елек­трошлакового обдгрдвання, сирияе екстрагуванню неметалевих вклю­чень, переважно оксиддв 1 сульфщдв та водню, що спливають з глибин- них зон металу, зменшенню позитивно! лшвацп арки, вуглецю й фос­фору, що впливае на полшшення якосп усього зливка.

Електрошлакова тигельна плавка (ЕШТП). Рщкий метал для ЕШТП можна приготовляти за рдзними технолопчними вардантами (рис. 6.9).

о-

V

<3

<3

Ы

Рщкий метал накопичуеться у футерованому плавильному тиглг Як первинш матердали використовують обрдзь прокату, сирацьоваш

а б

Рис. 6.9. Схеми ЕШТП з використанням витратного електрода (а), грудково1 шихти (б) ■ рйдкого металу (в):

/ — витратний електрод; 2 — рщкий шлак; 3 — рщкий метал; 4 — плавильний тигель; 5 — невитратний електрод; 6 — кускова шихта; 7 — ювш 13 рщким металом

1

2 3

8

6. 7

11

/

Рис. 6.10. Схема установки для електр» шлакового заплавлення осьового отпору в зливку:

1 — ковальський зливок; 2 — отшр у центральшй осьовш зош зливка; 1

витратний електрод; 4 — шлакова ванна, 5 — метал ЕШП; 6 — Л1шя сплавлении ковальського зливка 1 металу ЕШП; 7

тдставний невитратний кристаЛ13атор. 8 — шддон; 9 — пристрш для сифонит и заливання рщкого шлаку; 10 — метал сна ванна; 11 — трансформатор

детаЛ1 та шструмент, кусков1 В1д ходи, лит! заготовки, отримаш на МБЛЗ. У процес! ЕШТП забез печуеться збереження легуючих елеменпв, яш входять до складу первинних матер^алдв, за одночас його видалення шкщливих дом1 шок (ум1ст С1рки зменшуеться н 2 — 2,5 раза).

Процес переплавляння ви тратних електрод1в (рис. 6.9, а)

аналопчний ЕШП. Шихтов1 матер1али значних розмйр^в та сталого Х1М1ЧНОГО складу переплавляють, зварюючи !х у витратш електроди. Др1бна шихта переплавляеться пщ час пщ1гр!вання рщкого шлаку не- витратним електродом.

У багатьох випадках ефективна технолопя з використанням рщко­го металу, виплавленого в шдукцшнш або дуговш електропечах. Рщкий метал заливають у плавильний тигель, де знаходиться заздалепдь роз плавлений шлак для додаткового рафшування (рис. 6.9, в).

С багато шших вщцв електрошлакових технологий. Суть електро- шлакового заплавлення осьового отвору зливка полягае в тому, що шеля видалення центрально! дефектно! зони закристал!зованого крупного злив­ка утворений отв1р заплавляють ЕШП витратного електрода (рис. 6.10).

Розроблено також технолопю та устаткування магштокеровано! елек- трошлаково! плавки (МЕШП) промислових зливюв техшчиого титану, високомщних 1 жаромщних сплав1в на його основ!, д1аметром до 250 — 300 мм 1 прямокутного перер1зу.

У процес! плавки шлак 1 металева ванна зазнають интенсивного мапп- тодинам^чного оброблення. Процес МЕШП — це економ1чио чисте ви­робництво в камерних печах з контрольованою шертною атмосферою.

Електрошлакове литво (ЕШЛ). Грунтуючись на теорп й практищ використання ЕШП в 1ЕЗ 1м. С. О. Патона НАН Украши розроблено технолопю ЕШЛ. Особливктю ще! технологи е одночасш цриготуван- ня й витрачання рщкого металу в единому з ливарною формою агре­гат!. Витратний електрод плавиться завдяки теплой шлаку.

Рис. 6. И. Схе­ма електро­шлакового Литва:

1 — витратний електрод;2 — : шлакова ван­на; 3 — мета- лева ванна;

4. — виливок;

5. — виплавле- иа частина ли- варно! заготов­ки; 6 — ливар- на форма

Рщкий метал з торця електрода потрапляе в ливарну форму, не кон­такту ючи з повдтрям 1 матердалом форми, тому не зазнае вторинного окиснення 1 забруднення материалом форми (рис. 6.11, а, б).

Метал рафшуеться так само, як 1 пщ час ЕШП. Виливок кристалЬ зуеться майже без иомдтного розвитку усадкових 1 лпсвацшних дефек- Т1В у тонкш кдрщ шлаку 1 мае чисту поверхню. У процеа ЕШЛ змшюеть­ся глибина шлаково! ванни внаслддок змши поперечного иерер1зу ви- ливка.

ГОд час ЕШЛ застосовують рдзш технолопчш схеми: витратш елек­троди переплавляють безпосередньо у формд, де й формуеться виливок (рис. 6.11, а); з використанням закладних деталей \ з наступним приплав- лянням \'х до основно1 частини виливка в процеа переплаву витратного електрода (рис. 6.11, б); часткове або повне переливания рщкого металу з плавильно\' мдсткосп в порожнину ливарно! форми. ЕШЛ застосовують тод1, коли до виливка ставляться пщвшцеш вимоги за яшстю металу. Виливки ЕШЛ вщрдзняються за формою, призначенням 1 масою (вщ кдлькох десяткдв грамдв до десяткдв тонн, наприклад колшвали кора- бельних двигушв).

Технолопя ЕШЛ включае багато елементдв технологи ЕШП, зо­крема тд самд вимоги до витратних електроддв, флккав, устаткування тощо.

Метод вщцентрового електрошлакового лиття (ВЕШЛ) полягае у розплавлянш та накопиченш металу процесом ЕШП з наступним зали­ваниям цього металу в обертальну форму. Чистота металу та умови кристалдзацп забезпечують високу яюсть отримуваних заготовок.

Електрошлакове перегревания 1 рафшування чавуну. Для легуван­ня та модифшування чавуну в ковии на високомщний потребно, щоб його температура була високою, а вмдст арки мдшмальним. Слщ зазна- чити, що звичайш плавильш агрегати (вагранка, шдукцшна шч, кисла електродугова шч) не забезпечують виплавлення чавуну з такими па­раметрами.

Рис. 6.12. Схем» установки для б<м перервного елгкт рошлакового оС> роблення вагра ночного чавуну: / — металева вам на; 2 ~ шлаком.I ванна; 3 — розлив ний К1ВШ; 4 — гра ф1тов1 електроди.

5. — склепшня, ох о лоджуване водою,

6. — ЕШ-накони чувач; 7 — ваграп ка

За безперервного електрошлакового оброблення (рис. 6.12) чавуп 13 вагранки постшно надходить в електрошлаковий накопичувач пово ротного типу, в якому знаходиться роз1гр1та до температури 1700 — 1750 °С ванна ргдкого шлаку. Температура чавуну шдвищуеться до 1480 — 1520 °С, а вм1ст арки в метал1 зменшуеться до 0,01 —0,02 %. 1з накопичувача чавун порщями за допомогою сифона подаеться в роз- ливний К1вш. Ця схема дае змогу проводити заливання металом ливар- них форм на конвеерк

Електрошлакова технолопя — ушкальний технолопчний процес у СВ1ТОВШ металургп. 1снуюч1 цехи, як1 оснащеш ЕШ-печами й установ­ками, постшно модершзують, не нрипиняеться будовництво нових печей для виготовлення великих ковальських злившв, розробляються нов! технологи для отримання якктшх сталей 1 суперсплав1в, багато уваги придшяетъся економп матер1альних та енергетичних ресурав у зв'яз- ку з тим, що тдвищення конкурентоспроможносп металу ЕШП немож- ливе без зниження його соб1вартосп.

М М М М/ /// Ш /V М/ /Я М /// /// Ж /// /// /// М /// /// /// /// /// /// /// /// /// ///

Перспективними р1зновидами ЕШ-технолопй е: розроблення прин- ципово нового процесу ЕШ виплавки злившв в струмопровщному кри- стал1затор1 за двокоптурною схемою; розширення можливосп застосу- вання ЕШ-технолопй для високопродуктивного наилавлення шд час виготовлення композитних 1 б1металевих вироб1в та нагпвфабрикат1в (прокатних валк1в 1 профильного прокату тощо); виробництво корозш- ностшких б^металевих заготовок способом ЕШП; удосконалення тех- нолопй перероблення вщход1в виеоколегованих сталей 1 сплав1в; ви­робництво порожнистих заготовок 31 сталей 1 сплав1в; отримання куля- стих заготовок для р13НИХ шструменпв.

6.2. ВАКУУМНО-ДУГОВИЙ I ВАКУУМНО- 1НДУКЦ1ЙНИЙ ПЕРЕПЛАВИ (ВДП, В1П)

Вакуум у переклад) з латинсько! мови означае пустота. Грецький фщософ Демокр1т назвав пустоту одним з початк1в свггу. У ф1зищ ваку­умом називають такий стушнь розрщженого газу, що мютиться у за- критш посудиш, заякоготиск нижчий, н1ж атмосферний, тобто 101, 325 кПа. Молекули газу масою т на одиницю об'ему, вдаряючись \з середньо- квадратичною швидюстю о об стшки посудини, створюють тиск р.

Сшввщношення мхж середньою довжиною в1льного проб!гу Я. мо­лекул 1 лшшних розм!р1в с! посудини визначае ступень розрщження вакууму. Якщо середня довжина в1льного пробку значно менша, шж розм!р посудини (Я « </), то вважають, що газ перебувае пщ тиском, близьким до нормального («низький вакуум»). Стан газу, для якого дотримуеться умова \»й вщповщае високому вакууму. Ваку­ум кшьшсно вим1рюеться абсолютним тиском газу: низький вакуум (Ю1,3-10³ -133,3 Па), середнш вакуум (133,3- 133,3-Ю^-3 Па), висо- кий вакуум (133,3• 10³ -133,3-Ю"⁵ Па), надвисокий вакуум (менше шж 1-Ю"⁵ Па).

У раз! зменшення тиску газ1в над рщкими Ре —С сплавами полш- щуеться IX яюсть унаслщок рафшування вщ газ1в, легкоплавких кольоро­вих метал1в (свинцю, стибрю, олова, мщ1, бшмуту тощо) [ неметалевих включень, глибшого розкиснення вуглецем та воднем.

У металурга та ливарному виробницт для плавлення метал 1 в засто­совують вакуумно-дугов1, вакуумно-шдукцшш та вакуумш печ1 опору. Кр1м того, застосовують вакуумне позашчне оброблення металевих роз- плавгв.

6.2.1. Принцип дГ1 ВДП

Вакуумш дугов! печ! (ВДП) е одними з основних плавильних елек- трометалурпйних агрегапв, як1 застосовують у спещальнш металурга. В цих печах виплавляють зливки високореакцшних 1 тугоплавких ме- тал1в №, 2г, МЪ, Мо, Та, \У), високояшсш стал1 та сплави спещального призначення — жаромщш, нержав1юч1, кулькопщшипников1, корозшно- СТ1ЙК1, ЯК1 використовують В аВ1аЦШНШ, КОСМ1ЧН1Й, ВШСЬКОВШ, Х1М1ЧН1Й, атомшй та шшш техшць ВДП характеризуются широкими технолопч- ними можливоетями за значно менших витрат на виробництво пор1вня- но з електронно-променевими печами.

Перетворення електричноГ енерги на теплову у ВДП вщбуваеться в електричнш дуз1, яка горить за зниженого тиску \ створюе високу темпе­ратуру (до 3200 — 3700 °С) в розрядному промхжку М1Ж електродом 1 ванною рщкого металу (рис. 6.13). Напруга на дуз1 становить 18 — 25 В, а сила струму змшюеться у досить широких межах. Теплота вщ

Рис. 6.13. Схема вакуумно-дугового переплаиу:

/ — електрод; 2 — електрична дуга; 3 - в,ним рщкого металу; 4 — зливок; 5 — кристал1з;ич|1

дуги передаеться електроду, на торц| якого утворюеться шпвка рщкого мс талу. Середня температура иерегр1ван ня плавки металу на торщ електрода над температурою лжвщуса 30 — 60 ' У зош краплеутворення температура перегр!вання приблизно вдвдч: бдлыиа Шд д1ею сили грав1тацп й електродина М1чних зусиль крапл1 рщкого металу, що вщриваються вщ електрода, пада ють 1 створюють ванну рщкого металу.

За правильного перебегу процесу торець електрода звичайно е плос­ким або ввдгнутим, що зумовлюеться рдвном^рним створенням крапель ПО ВС1Й його поверхш.

У дугових вакуумних печах процес зазвичай проводять з використан ням сталого струму на «прямш полярносп», що дае змогу отримувати стшгашу електродугу. Катодом е електрод, температура торця якого стабШзуеться внаслщок процесу плавлення металу (табл. 6.3).

3 електричного погляду дугова вакуумна тч мае специф^чну коак аальиу систему електрод^в — стрижень (катод), який оточений анодом (кристал1.затором 1 поверхнею ванни металу).

За характером процеав, що вщбуваються, дуговий пром^жок иодшя ють на три зони: стовп дуги, прикатодну 1 прианодну частини. При цьому електрони шщшоваш електродом, можуть сирямовуватися не лише на ванну рщкого металу, а й на стшку кристалдзатора (так званий струм витоку). В нормальному режим1 струм витоку не мае перевищу­вати 5 — 15 % робочого струму, що досягаеться пщтримуванням незнач- но1 довжини розрядженого пром1жку 1 накладанням осьового магштного поля. За напруженост1 цього поля понад 5 -10³ А/м струму витоку майже немае.

У процеа виплавляння злившв довжина дуги (вщстань М1Ж поверх- нями торця електрода й ванни металу) пщтримуеться у певних межах.

Таблица 6.3. Температура рщкого металу на електродах ДВП

Метал	Температура плавлення, °С	Середня температура
		катода ^кат, °С	анода, ^пов, °С
Сталь	1520	1730	1800
Титан	1660	1670	1850
Мол1бден	2620	2670	2800

Зб1льшення довжини дуги спочатку зумовлюе зростання частини струму дуги, який протшае не на ванну металу, а безпосередньо на стшку кри- Стал1затора. У раз! надм1рноТ довгоТ дуги вщбуваеться Г! перекидання на стшку кристалл затора з 1М0в1ршстю п пропалювання чи вибуху печь Тому довжина дуги не мае перевигцувати пром1Жку м1ж електродом 1 кристал1затором. У широкому д1апазош д1аметр1в електрод]в (50—500 мм) для р1зних метал1в довжина дуги мае бути вщ 10 до 50 мм.

6.2.2. Конструкщя ВДП

За використанням ванни рщкого металу ВДП подшяють на печ1 для отримання зливюв (рис. 6.13) та на печ1 для плавления в гаршсаж1 (ливарш) (рис. 6.14), коли теплота вщ дуги забезпечуе отримання до- статньо великих об'ем1в рщкого металу в спец1альних тиглях для на- ступного розливання його у форми (за допомогою мехашзм1в нахилу тштпв) з метою отримання фасонних вилившв. Гарн1саж — це юрка металу, що затверд1в на внутренний поверхн1 ст1нки тигля (водоохолод- ного кристал1затора), запоб1гаючи взаемод11 розплаву з тиглем.

Залежно вщ ступеня мехашзацп печ1 бувають перходично! (за цикл роботи печ! заливаеться одна форма), натвнеперервно"! (заливаеться

ш;

Рис. 6.14. Схема вакуумно-дугово! гарн1сажно1 плавки:

1 — електрод; 2 — тигель; 3 — гаршсаж; 4 — ванна металу ; 5 — кристал1затор

Рис. 6.15. Схема вакуумно-дугово'1 печ! з витратним електродом:

1. — струмопровщний шток з електродотримачем;