книги из ГПНТБ / Сергеев, А. Б. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали

Вакуумные дуговые печи оснащают приборами конт­ роля и сигнализации. Непрерывно контролируют такие параметры, как сила тока, напряжение, глубина ваку­ ума, давление и температура охлаждающей воды. Рабо­ ту всех узлов вакуумной системы контролируют с по­ мощью особой мнемонической схемы, в которую вклю­ чены сигнальные лампочки, загорающиеся при соответ­ ствующих состояниях насосов или затворов. В схеме имеется автоматическая блокировка, предупреждающая неверные операции.

Автоматическое управление вакуумной дуговой плав­ кой состоит прежде всего в поддержании на заданном уровне рабочей силы тока, а также длины дугового промежутка. Эти функции выполняются автоматичес­ кими регуляторами, причем длина дуги стабилизируется за счет подачи расходуемого электрода вниз по мере его оплавления.

Система стабилизации сравнивает действительное на­ пряжение на дуге с заданным п подает на двигатель ме­ ханизма перемещения электрода напряжение, пропор­ циональное отклонению.

Кроме описанных узлов, в зависимости от общей конструкции печи в ее состав могут входить и другие де­ тали и механизмы, в частности устройства, обеспечива­ ющие установку электрода в кристаллизатор и извлече­ ние из него готового слитка (механизм опускания и пе­ ремещения кристаллизатора или подъема и поворота верха печи) и т. д. Подробное описание конструкции ва­ куумных дуговых печей приведено в работах [2—5], по­ этому ограничимся лишь кратким анализом тех ее из­ менений, которые произошли за последнее время и ока­ зали существенное влияние на условия эксплуатации пе­ чей и на их производительность.

Можно выделить несколько факторов, предопреде­ ливших быстрое совершенствование и упрощение конст­ рукции вакуумных дуговых печей, применяемых для вы­ плавки стали.

Прежде всего, таким фактором явилось сознание того, что при переплаве стали пет опасности взрыва пе­ чи, существующей при плавке титана и его сплавов. Стремление обеспечить взрывобезопасиость1 заставляло сооружать громоздкие стальные или железобетонные

1 Эта проблема подробно рассмотрена п работе [5].

10

каркасы, что неизбежно накладывало отпечаток на конструцию печи в целом.

В качестве второго фактора, влияющего в последние годы на модернизацию вакуумных дуговых печей, сле­ дует назвать стремление максимально повысить их про­ изводительность. По мере накопления опыта переплава стали выяснилось, что, как правило, невозможно интен­ сифицировать собственно процесс переплава, не ухуд­ шив при этом качество получаемого слитка. Следова­ тельно, рост производительности печи данного размера возможен лишь за счет сокращения вспомогательных операций — так называемого межплавочного простоя. Естественно, что достичь этого можно было лишь путем целенаправленного изменения конструкций печей.

На конструкцию печей, особенно на системы пита­ ния, токоподвода, охлаждения и автоматического управ­ ления, повлиял, кроме того, и рост требований к качест­ ву переплавленного металла, к стабильности и воспроиз­ водимости условий переплава от слитка к слитку.

Благоприятное влияние на совершенствование конст­ рукции вакуумных дуговых печей оказало непрерывное увеличение спроса на металл вакуумной наплавки и свя­ занное с ним строительство большого числа новых агре­ гатов. Оно осуществлялось в течение 60-х годов в СССР

и за рубежом и продолжается в настоящее время. Это, безусловно, облегчало быструю проверку новых конст­ руктивных решений, создало условия для закрепления положительного опыта.

Направления, в которых видоизменялась конструк­ ция вакуумных дуговых печей, молено проследить, срав­ нив характеристику установок, сооруженных зарубеж­ ными фирмами в течение 60-х годов (табл. 1).

Из табл. 1 видно, что начиная с 1964 г. строились лишь так называемые двухстендовые печи, на которых целый ряд операций (извлечение слитка, чистка кри­ сталлизатора, установка электрода) выполняется не во время простоя печи, а в ходе плавки на втором стенде. Наиболее рациональными оказались установки со ста­ ционарными кристаллизаторами (табл. 1, тип 4—6). Они требуют сравнительно небольших площадей, высо­ ты здания и глубины приямков, состоят из малого чис­ ла деталей, что упрощает их изготовление и эксплуата­ цию. Заметным преимуществом таких печей являются стационарные подводы охлаждающей воды к кристал-

11

лена в приямке. После оконча­ ния плавки камера вместе с механизмом перемещения элек­ трода снимается краном и ста­ вится на стенд. Гильза кристал­ лизатора извлекается из приям­ ка, освобождается от слитка и с установленным в нее новым электродом вновь опускается в приямок

13

лпзатору. В результате продолжительность простоя ме­ жду двумя смежными плавками составляет па этих пе­ чах, по данным [13], всего 20 мин.

В последнее время все большее распространение по­ лучают н так называемые агрегаты непрерывного плав­ ления. В их состав входят две отдельных камеры печи с системой токоподвода, крепления и перемещения элек­ трода и кристаллизатором. Остальное оборудование, т. е. источник питания, вакуумная система, приборы автома­ тического управления, попеременно подключается то к одному, то к другому стенду и благодаря этому оно работает почти 100% времени. Быстрота переключения токоподвода и других систем обеспечивается использо­ ванием специальных водоохлаждаемых гидравлических устройств и быстродействующих соединений для вакуумпроводов и автоматики. Все это позволяет начать плав­ ку на втором стенде примерно через 1 мин после выклю­ чения дуги на первом [13].

Применение установок описанного типа особенно вы­ годно в тех случаях, когда переплавляемый металл тре­ бует длительного охлаждения в вакууме или в защитной атмосфере.

Следует особо рассмотреть существующие тенденции к увеличению размеров вакуумных дуговых печей. Мак­ симальная масса получаемого слитка к 1960 г. составля­ ла 6 т. В 1961 г. на заводе фирмы «Мидвэйл Хеппенстолл» (Филадельфия, США) построена печь для слитка массой 27 т. После реконструкции в этой печи получают 45-т слитки диаметром 1520 мм [6, 7]. Позднее на этой же установке были получены и более крупные слитки — 50 и 56 т [8, 9]. Однако за прошедшее с тех пор десяти­ летие в капиталистических странах не было построено ни одной более крупной печи, несмотря на то что фирма «Гереус», например, еще в 1964 г. располагала проекта­ ми агрегатов, рассчитанных на получение слитков мас­ сой 100 и 200 т [14]. Обновление и расширение парка вакуумных дуговых печей за рубежом происходило в те­ чение этого периода главным образом за счет строитель­ ства установок с кристаллизаторами диаметром 800— 1270 мм для слитков массой 10—32 т. Такие печи обеспе­ чивают достаточно высокую производительность при умеренных затратах на горячую деформацию слитков. Дальнейшее увеличение диаметра кристаллизаторов мо­ жет привести не только к росту этих затрат, но и к опре­

14

деленному ухудшению качества металла в связи с изме­ нением условий затвердевания.

Не исключено также, что создание новых крупных установок в какой-то степени сдерживает пример дейст­ вующих в настоящее время сверхмощных агрегатов и, в частности, уже упоминавшейся 45-т печи. Выигрыш производительности, получаемый на этой печи благода­ ря повышенной скорости плавления, в значительной сте­ пени снижается длительным межплавочным простоем, вызванным несовершенством конструкции. Так, по дан­ ным [15], слиток массой 43 т наплавлялся в течение 38 ч,

азатем еще примерно столько же времени охлаждался

вкристаллизаторе. Хотя средняя скорость плавления составляла 1,15 т/ч, производительность печи, вычислен­ ная с учетом межплавочного простоя, вряд ли превышает 0,5—0,6 т/ч. Такая же производительность может быть достигнута на современной двухстендовой печи с кри­ сталлизатором диаметром ~800 мм.

Описанные тенденции к увеличению размеров и изме­ нению конструкции печей ВДП наблюдались и в СССР.

Были созданы новые агрегаты повышенной мощности и производительности. Определилось в некоторой сте­ пени разграничение оптимального размера печей для ма­ шиностроительных и металлургических предприятий. На заводах тяжелого машиностроения, где существует по­ требность в слитках большого сечения, целесообразно устанавливать более крупные печи, в то время как для металлургических заводов, поставляющих металл в виде сортового проката или небольших поковок, нередко ока­ зываются удобнее слитки диаметром 500—800 м.

Стабильность процесса переплава, а следовательно,

икачество получаемого металла во многом зависят от способа автоматического регулирования плавки. В связи с этим как в СССР, так и за рубежом уделяют много внимания созданию надежных систем управления ваку­ умной дуговой печью. Основными функциями этих си­ стем является поддержание на заданном уровне силы тока и длины дугового промежутка. Это обеспечивает необходимое постоянство скорости плавления электрода

итепловых условий как в зоне плавления, так и в ванне жидкого металла. Считают [11], что точное регулирова­ ние длины дуги позволяет улучшить использование теп­ ловой энергии, в результате чего при одной и той же скорости плавления мощность уменьшается на 5—10%.

15

Постоянство лугового промежутка обеспечивается не только путем стабилизации напряжения на дуге, но и за счет управления числом импульсов короткого замыка­ ния— характеристики, которая также связана с рассто­ янием между электродом и жидкой ванной. По-видимо­ му, наиболее рациональными являются комбинирован­ ные системы, основанные на стабилизации напряжения с использованием импульсной характеристики [16] для предупреждения чрезмерно длинной и чрезмерно корот­ кой дуги. Эта идея была осуществлена в разработанных Челябинским НИИМ регуляторах АРВДП-3, установ­ ленных па печах некоторых заводов.

Для ведущего плавку важно располагать информа­ цией о длине расходуемого электрода в течение всей плавки. Это позволяет непосредственно судить о скоро­ сти плавления электрода и определять в конце процесса момент начала снижения силы тока для выведения уса­ дочной раковины. Наиболее перспективны в этом плане системы непрерывного взвешивания расходуемого элек­ трода ', однако создание работоспособных устройств та­ кого рода представляет собой сложную техническую за­ дачу, и каких-либо сообщений о применении этого мето­ да контроля плавки на промышленных печах пока нет.

Вместе с тем описан опыт управления вакуумной ду­ говой плавкой с помощью электронной вычислительной машины [18]. Программа плавки вводится в счетно­ решающее устройство с помощью перфокарт, а затем оно успешно контролирует ход плавки и осуществляет необходимые изменения электрического режима, длины дуги II давления в печи.

Среди узлов печи, подвергшихся коренной модерни­ зации в связи с проблемой качества металла, следует назвать также систему подвода тока. От ее исполнения, как было детально показано Б. К. Каравашкиным [19],

взначительной степени зависит напряженность магнит­ ного поля в кристаллизаторе, в том числе вертикальной составляющей поля, взаимодействие которой с проходя­ щим по жидкой ванне током вызывает вращение ванны

вгоризонтальной плоскости.

Была разработана бифилярно-коаксиальная схема токоподвода, построенная на следующих основных прин­ ципах:1

1 Пат. (Англия) № 1136964, 1968.

16

имя, переплав электрода и извлечение полученного слит­ ка. Если технологию плавки рассматривать в более ши­ роком плане, то необходимо учитывать и ряд других ее элементов: выплавку металла для электродов, изготов­ ление электродов и, наконец, передел слитков ВДП на сортовую заготовку.

Подготовка расходуемых электродов

Сталь для переплава в вакууме выплавляют чаще всего в электропечах, однако возможна выплавка ее и в других агрегатах, например в мартеновских печах

икислородных конвертерах. При этом иногда применя­ ют внепечную обработку синтетическим шлаком или дегазацию металла в ковше. Сложнолегированные стали

исплавы плавят также в индукционных печах, на воз­

духе и в вакууме. В связи с этим после увеличения про­ изводства металла методом ВДП (в 60-х годах) про­ изошло значительное повышение производственной мощ­ ности вакуумных индукционных печей. Например, в США в начале 70-х годов она превысила 200 тыс. т.

Некоторое распространение получил и двукратный вакуумный дуговой переплав, а также комбинация ва­ куумного переплава с электрошлаковым. Последний ме­ тод применяется, например, для получения подшипнико­ вой стали повышенной чистоты, а двойной ВДП •— преи­ мущественно для производства так называемых суперсплавов — материалов с высоким содержанием хи­ мически активных компонентов. Состав стали, предназ­ начаемой для переплава, в основном совпадает с задан­ ным составом конечного продукта — в нее вводится лишь повышенное количество элементов, частично испаряю­ щихся при ВДП (для большинства марок конструкцион­ ной стали — марганца).

Для качества готовой стали важно, чтобы исходный металл был .соответствующим образом раскислен. При выборе материала для окончательного раскисления от­ дают предпочтение алюминию. Считается целесообраз­ ным вводить его в повышенном количестве (1— 1,5кг/т), при этом в ходе ВДП удается полнее освободить металл от кислородсодержащих включений.

Существует несколько способов изготовления расхо­ дуемых электродов: их отливают на установках полуне­ прерывной разливки или в изложницы круглого сечения с малой конусностью, либо куют из обычных слитков па

18

Молотах пли прессах. Применяют в качестве электродов л катаные штанги квадратного сечения. Имеется поло­ жительный опыт переплава таких заготовок в кристал­ лизаторах диаметром до 630 мм.

Перед переплавом электроды подвергают сплошной обдирке на токарных стайках или зачищают всю поверх­ ность абразивами. Применяют также дробеструйную обработку гранулированным отбеленным чугуном.

Электрод крепят к штоку при помощи хвостовика, за­ жимаемого в электрододержателе. Хвостовик привари­ вают к электроду либо в печи после создания в ней пред­ варительного разрежения (1-10—1 мм рт. ст.), либо на автономной установке внепечной приварки. Широко рас­ пространен также метод крепления, осонованный на вы­ тачивании на конце электрода «грибка», с помощью ко­ торого электрод зажимается в держателе. Этот метод экономит время лишь по сравнению с вариантом печной приварки, однако он увеличивает затраты на изготовле­ ние электрода и снижает выход годного.

Откачка газов из печи и проверка натекания

Одной из важнейших специфических особенностей ва­ куумной дуговой плавки является низкое давление газов в плавильном пространстве. На промышленных установ­ ках оно обычно не превышает 10 мкм рт. ст., причем та­ кого разрежения достаточно как для надежной защиты расплавленного металла от вторичного окисления, так и для обеспечения эффективного очищения металла от газов и летучих примесей. Помимо этого, указанное дав­ ление соответствует диапазону устойчивого горения электрической дуги.

В связи с непрерывной откачкой газов из печи на раз­ личных ее участках устанавливается некоторый перепад давления, зависящий от производительности насосов, сопротивления вакуум-проводов (в том числе зазора между электродом и кристаллизатором), интенсивности газовыделения из жидкого металла, а также натекания газов, как внешнего, так и внутреннего. Так, на вакуум­ ной дуговой печи типа ЦЭП-359 с кристаллизатором диа­ метром 380 мм давление, зарегистрированное термопар­ ным датчиком ЛТ-2, на входе бустерного насоса БН-4500 составило 0,5; в камере печи 1,5—2,5, у торца расплав­ ляемого электрода 9—15 мкм рт. ст.

В последнем случае давление замеряли в патрубке, вваренном в нижнюю часть кристаллизатора, после до­ стижения жидким металлом уровня патрубка. Расстоя­ ние от лампы до электрода составляло примерно 150 мм.

Следует отметить, что аналогичный результат был получен и в работе [24]. Там же отмечается, что давле­ ние металлических паров в зоне плавления может быть значительно выше (0,5— 1,0 мм рт. ст.).

Для проведения переплава важно не только достичь определенного разрежения в печи, но и обеспечить до­ статочную ее герметичность, характеризуемую величиной натекания. Для уменьшения натекания, которое склады­ вается из внутреннего, связанного с выделением газов, адсорбированных стенками кристаллизатора и других частей печи, и внешнего, определяемого поступлением газа через мельчайшие неплотности в деталях печи и их соединениях, необходимо при эксплуатации печи соблю­ дать правила герметичности. Кроме того, целесообразно в период межплавочного простоя печи подавать в охлаж­ даемые детали горячую воду. Тем самым удается умень­ шить поверхностную конденсацию паров воды из атмос­ феры и снизить внутреннее натекание. Например, на печах фирмы «Дойче Эдельштальверке» (завод в г. Крефельде, ФРГ) для охлаждения кристаллизатора и рабо­ чей камеры подается вода с температурой на входе до 45—55° С, в то время как к выпрямителям и паро-мас­

ляными насосам подается холодная вода (не более

25°С) [10].

В практике принят следующий порядок проверки гер­ метичности печи перед плавкой. Замеряют давление в печи (рі), перекрывают все насосы и через определен­ ное время (т) вновь измеряют давление {ръ)- С учетом объема камеры печи (Кк) натекание L подсчитывают по формуле

ь = = (Рг-Рі)Ѵк л ,мкм/с- (!)

т

Норма предельного натекания в большинстве случаев является условной и устанавливается без достаточного экспериментального и теоретического обоснования. Вме­ сте с тем для достижения того или иного натекания при­ ходится увеличивать продолжительность откачки печи, т. е. ее простой между плавками. В связи с этим целе­ сообразно рассмотреть некоторые результаты замеров натекания на холодной печи во время и после плавки.

20