книги из ГПНТБ / Вакуумная металлургия [сб. ст

3. P e r r y T. E. High Vacuum Ladle Degassing With Induction Stirring At Republic

Steel Corporation Conference of British Iron and Steel Industry, England, 1965, L . , May.

УДК 669—982'624.07

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КРУПНОТОННАЖНЫХ ВАКУУМНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ

к. к. хэнсон

По сравнению с 20-ми годами текущего века конструкция ваку­ умной индукционной печи подверглась значительным усовершен­ ствованиям. Первая небольшая печь Нортрупа вмещала всего не­ сколько сот граммов металла и потребляла только несколько кило­ ватт электроэнергии. Печи последних конструкций вмещают не только несколько тонн металла, но и потребляют тысячи килоили мегаватт электроэнергии.

После второй мировой войны возникла большая потребность в металле, выплавляемом в вакууме. В то время требовались сравни­ тельно небольшие печи для тщательно контролируемых технологи­ ческих процессов в химической промышленности. Имеется в виду производство редкоземельных металлов. Запросы промышленности росли и вскоре появились печи емкостью 454 кг и даже в несколько тонн.

С появлением вакуумных индукционных печей большой емкости возникли проблемы перед выпускающей их промышленностью. Отечественные фирмы — поставщики вакуумного индукционного обо­ рудования до конца 50-х годов применяли токи высокой частоты для источников питания производимых ими вакуумных индукцион­ ных печей. Ток высокой частоты получали с помощью генератора, работающего от асинхронного двигателя. В печах большой емкости в это время применялся ток с частотой 960 гц. Это было естествен­ ным, поскольку все оборудование и механизмы можно было свободно приобрести, а работа мотор-генератора легко регулировалась. Дей­ ствительно, электрический ток с частотой 960 гц очень удобен для плавки различных материалов, особенно в печах емкостью до 908 кг. Некоторые заводы, построенные в этот период, были оснащены вакуумными индукционными печами с емкостью тигля в несколько тонн.

В конце 50-х годов промышленность разработала электрический преобразователь частоты тока на 180 гц. Первая вакуумная индук­ ционная печь, в качестве источников питания которой был исполь-

121

зован такой преобразователь, начала работать весной 1962 г. Она отличалась от предыдущих вакуумных индукционных печей несколь­ кими особенностями, помимо источников питания. Во-первых, печь была выполнена в форме закрытого снизу стального цилиндра, снабженного отводками, или шунтами, обеспечивающими малое сопротивление электромагнитному потоку, наводимому индукцион­ ной катушкой. Предыдущие вакуумные индукционные печи имели металлическую раму, снабженную в большинстве случаев боковыми или расположенными в верхней части печи плитами, из немагнитных или других неметаллических материалов.

Во-вторых, главная ось цилиндрической вакуумной камеры, в которой размещались тигель и изложницы, была расположена вертикально. Линия разъема камеры по диаметру располагалась на несколько десятков миллиметров над уровнем плавильной пло­ щадки. Верхняя часть, или крышка камеры, для доступа к тиглю и изложницам могла подниматься и отодвигаться в сторону с помощью колес, снабженных механическим приводом. Изложницы располага­ лись на подставке, выполненной в виде круглого основания с мас­ сивной осью, укрепленной в ее центре. Подставка располагалась на поворотном столе таким образом, чтобы соответствующая изложница могла быть установлена под сливным носком печи.

Изложницы из вакуумной камеры извлекались в вертикальном положении с помощью крана и крюка, зацепляемого за центр оси подставки. Удаление печи из камеры осуществлялось тоже легко. Ее вынимали в вертикальном положении вместе с гнездом для на­ клона. Наклон печи осуществлялся гидравлическими подъемниками. Однако в то время еще не было уверенности, что в вакуумной камере можно располагать гидравлические подъемники, и поэтому их рас­ полагали вне камеры. Более того, на этой печи не требовалось раз­ бирать гидравлические подъемники при смене тигля печи.

Рассматриваемая печь была пущена в эксплуатацию примерно 7 лет назад. Во многих отраслях промышленности такая печь могла бы рассматриваться как современная. Однако стремительное развитие вакуумной плавильной техники уже не позволяет считать эту печь

в конструкции большинства новых крупнотоннажных печей вакуум­ ная камера выполняется так, чтобы обеспечивать свободный доступ к тиглю при его смене, а также применяется отодвигающаяся в сто­ рону крышка.

Вплоть до начала 60-х годов было принято располагать тигель и изложницы в одной камере. В конструкциях многих печей при­ менялись приставки, обеспечивавшие возможность заливки металла в целый ряд изложниц для слитков или электродов. Обычно не преду­ сматривалось разделение плавильной камеры и туннеля для излож­ ниц. Поэтому завалку печи и подготовку изложниц для приема гото­ вого металла производили заранее, до закрывания камеры перед началом операций плавления и откачки газов из объема печи.

122

Следующим важным усовершенствованием явилось изобретение способа легкого разделения плавильной камеры и туннеля для из­ ложниц. Были опробованы несколько способов для осуществления этой операции. Чаще всего применяли подвижный вакуумный затвор, обеспечивающий гораздо большую гибкость работы в про­ цессе всей плавки и позволяющий разделить две основные операции (плавление и подготовку изложниц). Это обстоятельство наряду с появлением и применением высокомощных насосных систем от­ крыло дорогу практическому внедрению более крупнотоннажных вакуумных индукционных печей с большей мощностью генератора. Здесь следует также отметить, что возможность получения за счет выплавки в вакууме значительно более высоких свойств самых обыч­ ных сталей и сплавов еще более ускорила практическое внедрение крупнотоннажных печей. Мы убеждены, что в ближайшее время потребности в выплавляемом в вакууме металле, даже довольно простых марок стали и сплавов, сильно возрастут.

На предыдущей конференции был заслушан доклад Хантингтона из отделения «Спешиэл Металз» фирмы «Аллегени-Ладлам». В этом докладе описывалась 15-т вакуумная индукционная печь с генера­ тором мощностью 4200 квт. В конструкции этой печи были применены все основные вышеописанные усовершенствования. Необходимо также указать, что многие конструктивные усовершенствования вакуумных индукционных печей были сделаны самими заводами, а не фирмами — поставщиками печей. Это относится и к печи «Спе­ шиэл Металз».

Последняя поставленная нашей фирмой печь, работающая уже около полугодия, снабжена тиглями на 15 и 30 т и генератором мощ­ ностью 6700 квт. Согласно расчетным параметрам, при выплавке 30 т металла печь должна потреблять мощность 6700 квт, а при вы­ плавке 15 т 3500 квт. Однако при необходимости эта печь может по­ треблять не более 6000 квт. В настоящее время расход мощности ра­ вен 6000 квт. Естественно, что при таком расходе мощности плавле­ ние металла осуществляется за очень короткий промежуток времени, поэтому необходимо производить быструю откачку системы и завалку шихты. Осуществляется это соответственно двумя шестиступенчатыми пароэжекторными насосами и обычной камерой для загрузки шихты через верх печи и дозатором для введения легирующих добавок.

Хорошо работающая вакуумная индукционная печь обеспечивает получение металла высокого качества при правильном сочетании всех факторов: емкости тигля и скорости плавления, времени откачки системы, быстроты завалки шихты и качества подготовки изложниц для приема металла. До последнего времени некоторые факторы, помимо емкости тигля и скорости плавления, ограничивали получе­ ние необходимых результатов. Наиболее важные усовершенствова­ ния были сделаны в конструкции вакуумных индукционных печей емкостью 15 т и выше, поэтому остановимся на особенностях этих установок.

Сначала рассмотрим изоляцию индуктора. Так как мощность, подводимая к печи, является производной величиной от напряжения

123

11,43 мм. Медная трубка прямоугольного сечения с закруглениями по углам для выполнения на ней изоляции по описанному выше спо­ собу очень удобна.

Обычно для экономии времени набивку тигля производят на спе­ циальном участке, расположенном на некотором расстоянии от плавильной камеры. Запасной тигель имеется всегда. По окончании кампании на старом тигле смена его в плавильной камере должна осуществляться как можно быстрее и без особых усилий. Необходимо обратить внимание на то, как тигель вынимается из плавильной ка­ меры и как осуществляется присоединение служебной арматуры. В большинстве новейших конструкций печей клеммы для подвода электрического тока вынимаются из плавильной камеры вместе с тиг­ лем, а вся служебная арматура выполняется вне вакуумной камеры. Для подачи охлаждающей воды применяют быстроразъемные соеди­ нения, а для подвода электрического питания — простые ручные или механические клеммы. Болтовые соединения как механических, так и электрических соединений сведены к минимуму.

В некоторых случаях требуется более интенсивное перемешива­ ние металла, по крайней мере, в течение некоторого периода плавки, например для более быстрого плавления и распределения вводимых легирующих элементов, усиления массообмена в металлической ванне с целью достижения большего контакта ее поверхности с ва­ куумом или для каких-либо других специальных целей. На практике иногда требуется достичь наилучшего перемешивания металла при плавке на малой мощности при условии постоянной температуры.

Известно, что перемешивание металлической ванны в обычных бессердечниковых индукционных печах увеличивается с повыше­ нием потребляемой мощности и уменьшается с повышением частоты тока. Это подтверждается турбулентным движением и деформацией поверхности жидкого металла. Было сделано измерение величин мениска, причем для однофазных бессердечниковых печей эти вели­ чины характеризуют степень движения ванны.

На рис. 1 приведена общепринятая схема движения металличе­ ской ванны в обычной бессердечниковой печи, работающей на одно­ фазном токе. На схеме видны две области движения металла. Не вполне ясно, в какой мере происходит массообмен металла между ними.

На рис. 2 показана схема действия электромагнитных сил, дей­ ствующих на металлическую ванну. Разная величина радиальных сил объясняется действием однофазного магнитного потока. Следует сказать, что этот магнитный поток объясняется влиянием конечных витков индуктора.

Как уже было отмечено, на перемешивание влияет частота тока. Поэтому применение для перемешивания тока более низкой частоты, чем для плавления металла, позволило на некоторых вакуумных индукционных печах производить достаточное перемешивание ме­ талла при плавке на меньшей мощности. Схема перемешивания металла при этом будет точно такая же, как и на обычных бессердеч­ никовых печах при плавке на однофазном токе низкой частоты.

125

Многофазная схема перемешивания металла применяется на раз­ личных частотах тока. В этом случае для перемешивания металла используется первичная частота тока, на котором идет плавление.

На рис. 3 приведена общая схема движения металла внутри ванны в печи, работающей на многофазном токе, вызывающем движение металла кверху. При перемешивании металла многофазным током потоки металла не прерываются от низа до верха металлической ванны. При однофазном токе траектория движения металла, анало­ гичная движению его при многофазном перемешивании, достигается

путем использования множества секций катушки индуктора, соеди­ ненных параллельно при соответствующем смещении тока по фазе для достижения перемешивания, как при многофазном токе.

Легирующие элементы, введенные на поверхность расплавлен­ ного металла, будут затягиваться вниз, внутрь металлической ванны через ее центр. Благодаря этому быстрее обеспечивается однород­ ность ванны по химическому составу и уменьшается время взаимо­ действия легирующих элементов с огнеупорной футеровкой печи.

Считают, что скорость усвоения легирующих прямо пропорцио­ нальна скорости плавления. Теперь уже доказано, что она не яв­ ляется первичной функцией от подводимой мощности и что коэффи­ циент, определяющий эффективность перемешивания, пропорцио­ нален квадрату скорости плавления. Кроме этого, скорость плавки на однофазном токе составляет лишь 36% от скорости плавки на мно­ гофазном токе при одних и тех же подводимой мощности и частоте тока. Если рассуждения, касающиеся связи между коэффициентом, определяющим скорость перемешивания, и скоростью плавки спра­ ведливы, то те же самые результаты могут быть получены при при­ менении многофазного тока при расходе мощности, равном только

126

13% от расхода ее при применении однофазного тока. Поэтому в боль­ шинстве случаев соответствующее перемешивание металла при введе­ нии добавок может быть произведено при незначительном повышении температуры металла или вовсе без него.

На рис. 4 приведена однолинейная схема подвода энергии к индук­ тору, работающему на токе в 60 гц. Схема разбита на шесть частей (/—VI). Физическая компоновка ее довольно гибкая и может быть одним целым или состоять из шести отдельных узлов.

Рис. 4. Однолинейная схема подвода энергии к индуктору, работающему на токе частотой 60 гц в бессердечниковой печи с перемешиванием металла много­ фазным током:

т р а н с ф о р м а т о р (5 — б е з н а г р у з о ч н ы й с е к ц и о н ­

Верхняя часть схемы представляет высоковольтную систему рас­ пределительного устройства, состоящего из:

1) плавкого прерывателя-включателя (для принудительного от­ ключения печи от источников питания; эти плавкие предохранители обеспечивают мгновенное отключение печи в случае неполадок); 2) вакуумного включателя (который используется как главный линейный контактор для включения или выключения электрической нагрузки от источников питания и как противоперегрузочное реле

времени); 3) сглаживающих конденсаторов (для ограничения бросков тока

в первичной обмотке трансформатора при отключении вакуумного включателя);

4) искровых предохранителей (для защиты индуктора от электри­ ческих разрядов).

Следующая часть схемы содержит главный силовой трансформа­ тор, предназначенный для преобразования входящего тока высокого напряжения до значений напряжения, близких к расчетным напряже­ ниям работы индуктора. Наибольшие значения характеристик тока и напряжения трансформатора составляют 11 % от номинальных характеристик системы. Это нормально для конструкции трансфор­ матора с воздушных охлаждением, работающего в помещении.

127

В печи имеются две вакуумные камеры: в одной находится индук­ ционная плавильная печь, оборудование для загрузки шихты и легирующих добавок и устройство для струйной дегазации при заливке в печь жидкого металла, в другой камере (туннель для изложниц) расположены механизмы для разливки металла и тран­

в это время под атмосферным давлением. Поэтому пока идет плавле­

или разливочный ковши и производить другую необходимую работу в туннеле для изложниц независимо от операции плавления.

В случае применения сдвоенных шестиступенчатых пароэжекторных насосных систем и фильтрующих (балластных) эжекторов для первоначальной эвакуации объема печи время откачки незначи­ тельно. В течение 20 мин в туннеле для изложниц может быть до­ стигнуто такое же разрежение, как и в плавильной камере. Напри­ мер, если плавильная камера имеет объем 566 м3 , то откачка этого объема до разрежения менее 50 мм рт. ст. с помощью пароэжекторной системы займет около 20 мин.

Конструкция пароэжекторной системы такова, что один шестиступенчатый насос соединен с плавильной камерой, а другой —

1 H u n t i n g t o n J. S. Transactions of the International Vacuum Metallurgy Conference, 1967, p. 413—432.

130