книги из ГПНТБ / Каблуковский А.Ф. Перспективы развития электрометаллургии

держании молибдена не превышает 0,05%, а титана — 0,08%,

в то время как в таких же по размерам обычных слитках эти ко­ лебания составляют 0,3—0,5% [29].

Благодаря незначительному и более дисперсионному загряз­ нению ликватами, сталь и сплавы, выплавляемые в этих печах,

обладают более высокими механическими свойствами как при обычных, так и при высоких температурах, особенно в попереч­ ном направлении.

После переплава в вакуумных дуговых печах длительная

жаропрочность ряда сплавов несколько повышается. По затратам производства ваку­

умная плавка в дуговых печах с рас­ ходуемым электродом обходится не­

крупная дуговая электропечь с расходуемым электродом предназ­ начена для выплавки жаропрочных сплавов в слитках диаметром

660 мм и весом 5,4 т [27]. Слитки используют для изготовления

крупных деталей реактивных двигателей стационарных и транс­ портных газовых и паровых турбин.

Схема дуговой вакуумной печи с расходуемым электродом приведена на рис. 29.

Основные части установки: водоохлаждаемая медная излож­ ница (кристаллизатор); кожух печи; уплотнение Вильсона; про­ плавляемый электрод; водоохлаждаемый электрододержатель;

механизм перемещения электрода; перископ для наблюдения;

механизм вытягивания слитка; блок трубопроводов и вакуумных насосов.

75

В качестве расходуемых электродов обычно используют ли­

дов определяются размерами кристаллизатора, весом слитка н высотой электрододержателя.

Для удаления выделяемых при плавке газов, предупреждения короткого замыкания между электродом и кристаллизатором и заклинивания электрода при его короблении предусматривают

зазор между стенками изложницы и электродом величиной 12,5— 50 мм. Электрод наращивают сверху сваркой или свинчиванием..

Верхний конец электрода нипелем соединен с водоохлаждаемым

медным электрододержателем.

В верхней части водоохлаждаемого кристаллизатора вмонти­ рован перископ, позволяющий наблюдать за ходом процесса.

Зажигание дуги происходит между электродом и металличе­ ской пластиной (затравкой), сделанной из того же материала,

что и электрод и уложенной на дно изложницы. По мере рас­ плавления электрода размеры затвердевающего слитка увеличи­ ваются. Для стабилизации горения электрической дуги приме­ няют автоматические регуляторы и специальные соленоиды, рас­

положенные по наружной поверхности кристаллизатора. После затвердевания и охлаждения слиток вытягивают из кристаллиза­ тора вниз специальным механизмом.

Откачку образующихся во время плавки газов и поддержание

в рабочем пространстве низких давлений порядка 0,001— 0,0001 мм рт. ст. обеспечивают форвакуумными и бустерными насосами. Проведенными исследованиями не установлено суще­ ственной разницы в качестве металла, выплавленного при раз­ личной степени разрежения, — от 10-1 до 5 • 10~3 мм рт. ст.

Иногда плавку проводят в две и три стадии. Сначала при сравни­ тельно неглубоком вакууме *(10~ — 5-Ю-1 мм рт. ст.) удаляют основную часть газов, затем отлитый слиток переплавляют по­ вторно при меньшем остаточном давлении.

Дуговые вакуумные печи обычно работают на постоянном токе, получаемом в большинстве случаев от селеновых выпря­

мителей. Плотность тока на электроде поддерживают в преде­ лах 460—620 а!см2 диаметра слитка при напряжении от 22—25 до 80 в и силе тока до 5000 а.

Ток к электроду подводят через водоохлаждаемый медный зажим. Для поддержания постоянного расстояния между элек­ тродом и слитком электрод по мере расплавления автоматиче­ ски перемещается в вертикальном направлении. Для регулиро­ вания мощности по ходу плавки применяют до 10 ступеней на­ пряжения.

Обслуживание дуговых вакуумных печей с расходуемым элек­ тродом требует меньших затрат, чем обслуживание индукцион­ ных вакуумных установок.

76

Печи электрошлакового переплава

Институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР был создан принципиально новый способ получения высококачествен­ ного металла, заключающийся в электрошлаковом переплаве

расходуемого электрода того же состава в медном водоохлаж­

даемом кристаллизаторе [30, 31, 32].

При этом плавление электрода происходит не за счет электри­ ческой дуги, а за счет тепла, выделяющегося в слое расплавлен­ ного шлака, играющего роль сопротивления при прохождении через него электрического тока.

На рис. 30 приведена схема установки для получения слитков электрошлаковый бездуговым способом.

Отличительной особенностью такой установки является бы­ страя и направленная снизу вверх кристаллизация слитка при

)У/У/)//7777777777'/

.Рис. 30. Схема установки для получения слитка электрошлако­ вым бездуговым способом

77

одновременном поступлении сверху новых порций расплавлен­ ного металла и обработка жидкого металла шлаком специаль­ ного состава, нагретого до высоких температур.

При электрошлаковом процессе создаются необходимые условия для получения слитков с плотной литой структурой, для очищения металла от ряда вредных примесей и неметаллических включений и для уменьшения ликвационных явлений. Один комплект установки состоит из механизма подачи расходуемого' электрода, механизма вытягивания слитка из кристаллизатора^ сварной тумбы, медного водоохлаждаемого кристаллизатора и поддона, пульта управления и аппаратного ящика, силового трансформатора. Промышленные электрошлаковые печи показа­ ны на рис. 31. Установка позволяет производить замену кри­ сталлизаторов. Работают с кристаллизаторами диаметром 200

и 250 мм и высотой соответственно 800 и 1000 мм. Давление воды в кристаллизаторе и поддоне поддерживают в пределах 3,5—

5 ат.

Питание однофазной установки осуществляют от трансфор­ матора типа ЭПОМ-350 мощностью 320 ква с первичным напря­

жением 6000 в и пятью ступенями вторичного — от 60 до 44 в. Диаметр применяемых электродов 80—150 мм, длина — от 2 до 6 м. Для подвода тока к рабочему объему кристаллизатора и защиты поддона от прожигания в начале процесса применяют

затравки — изготовленные из стали 20—30 ковкой шайбы диа­ метром 180—200 мм и высотой 75 мм.

Вес слитка в кристаллизаторе диаметром 200 мм достигает

180кг, диаметром 250 мм — 380 кг.

Вначале процесса электрошлакового переплава в кристал­ лизаторе наводят ванну жидкого шлака порошковой термитной смесью, состоящей из 80% термита и 20% плавикового кон­ центрата. Дальше процесс ведут под шлаком из 38,5% А120з;

57,7% CaF и 3,8% СаО.

Перед плавкой тщательно осматривают кристаллизатор и

поддоны и при наличии хотя бы небольшой течи воды плавку не начинают.

На установленную и закрепленную на поддоне затравку на­ сыпают 200—250 г термитной смеси, затем поддон поднимают до упора в торец кристаллизатора и опускают электрод до со­

прикосновения с термитом. В кольцевое пространство между рас­ ходуемым электродом и стенкой кристаллизатора засыпают ра­ бочий шлак. Расход шлака для кристаллизатора диаметром

200 мм составляет 7—8 кг, диаметром 250 мм— 12—13 кг.

Перед подачей напряжения включают насос, подающий воду для охлаждения кристаллизатора и поддона.

Величину тока контролируют по амперметру на пульте управ­ ления. При бросках тока свыше 5000 а электрод поднимают.

Через 4—5 мин. после расплавления рабочего шлака и стабили-

78

зации электрического режима включают автоматическое регули­ рование подачи электрода.. По ходу плавки контролируют темпе­ ратуру воды на выходе из кристаллизатора. Она должна быть не более 60°.

Для получения плотного слитка с хорошей поверхностью процесс электрошлакового переплава проводят непрерывно без выключения питания.

За 10—15 мин. до окончания плавки подводимую мощность постепенно снижают и тем самым создают необходимые условия для образования усадочной раковины с минимальной протяжен­

ностью. В конце плавки прекращают подачу электрода без от­ ключения напряжения. При этом процесс продолжается за счет оплавления погруженной в шлак части электрода. После воз­ никновения электрической дуги между поверхностью шлака и концом электрода, последний поднимают и затем отключают питающий трансформатор. Для полного затвердевания отлитый слиток выдерживают в кристаллизаторе 8—10 мин. После этого слиток с затравкой снимают с поддона и охлаждают на воздухе или в утепленной коробке. При кристаллизаторе диаметром

250 мм удельный расход электроэнергии составляет 1050 квт-ч[т,

для кристаллизатора диаметром 200 мм — 950 квт-ч)т.

Электрошлаковый способ получения слитков имеет некоторые преимущества перед электродуговой вакуумной плавкой, а имен­ но: при одинаковых условиях кристаллизации слитка и отсут­ ствии в нем внутренних дефектов электрошлаковый переплав обеспечивает получение слитка с лучшей поверхностью; отсут­ ствие вакуума упрощает эксплуатацию установки, значительно

снижает затраты и позволяет проводить процесс на переменном токе; обработка металла в процессе плавки шлаком обеспечивает1

достаточно высокую степень чистоты стали по неметаллическим

включениям.

Слитки, полученные электрошлаковым способом, не имеют ■усадочной рыхлости, пористости и термических трещин (рис. 32).

В слитках нержавеющей стали 2X13, 1Х18Н9Т и других

имеется хорошо выраженная зона столбчатых кристаллов, иду­ щая от поверхности к центру под углом 20—40° к плоскости осно­

вания отливок. Электрошлаковый переплав изменяет количество и характер неметаллических включений в стали.

На рис. 33 приведены сравнительные частотные диаграммы

загрязненности стали ШХ15 и ШХ15СГ оксидными включениями при выплавке в обычных дуговых электропечах и в установках электрошлакового переплава.

После электрошлакового переплава совершенно исчезают

строчечные включения, все виды включений становятся более дисперсными, измельчаются и рассредоточиваются. Частотные кривые оценок оксидных включений в плавках электрошлакового переплава смещены в сторону низших баллов.

80

По данным электрохимического анализа, содержание оксид­

ных включений в металле после электрошлакового переплава снижается в 2—3 раза.

В результате электрошлакового переплава расходуемых электродов содержание легирующих элементов в металле не­ сколько изменяется.

При переплаве ШХ15 угар

а.

Рис. 33. Частотные диаграммы загрязненности обычного и электрошлаково­ го металла оксидами:

а — сталь ШХ15; б — сталь ШХ15СГ

содержание серы уменьшается на 25—30%• Изменения по угле­

роду, хрому и фосфору находятся в пределах ошибки химиче­ ского анализа. При переплаве электродов стали 1Х18Н9Т содер­

жание углерода, марганца, кремния, фосфора и никеля практи­ чески не изменяется. Угар титана в нижней части слитка дости­ гает 70—90%, в верхней 50—60%.

Усвоение титана при электрошлаковом переплаве 1Х18Н9Т зависит от двух основных факторов:

/ а) содержания в шлаке FeO, MnO, SiO2 и других окислов, легко восстанавливаемых титаном;

б) перехода через шлак кислорода из атмосферы. Окислительную способность флюса снижают изготовлением

его из материалов высокой чистоты.

Переплав в атмосфере аргона с использованием для кри­ сталлизатора огнеупорных или графитовых крышек несколько уменьшает угар титана. Введение в рабочий флюс до 400 г ме­ таллического титана в виде губки и защита аргоном позволяют уменьшить угар титана в верхней и нижней частях слитка до ми­ нимума.

82

В прокатанных штангах стали 1Х18Н9Т после электрошлако­ вого переплава ферритная составляющая распределена равно­ мерно, крупные участки и грубые строчечные включения отсут­

ствуют. Влияние различных технологических факторов плавки на качество металла, выплавляемого электрошлаковый способом, требует тщательного изучения в каждом конкретном случае.

При этом необходимо учитывать химический состав выплав­ ляемой стали, развес слитков, электрический режим плавки, ка­ чество применяемых материалов и пр.

Электрошлаковый способ переплава металла имеет много общего с рафинированием жидкой стали шлаками специального состава. При расплавлении электрода капли жидкой стали, про­

жидким металлом создают необходимые условия для получе­ ния слитка с плотной макроструктурой.

В ближайшее время будут введены в эксплуатацию электрошлаковые установки для получения слитков весом до 5 т.

6 *

НОВЫЕ СПОСОБЫ РАЗЛИВКИ СТАЛИ

Условия разливки электростали оказывают существенное влияние на качество металла и технико-экономические показа­ тели работы сталеплавильных цехов. Сталь, наилучшим обра­ зом приготовленная в печи и удовлетворяющая всем требова­ ниям по содержанию неметаллических включений и газов, может

потерять свое первоначальное качество в процессе выпуска и разливки в слитки. Прежде чем попасть в изложницы жидкая

сталь соприкасается и взаимодействует с огнеупорными мате­ риалами сталеразливочного припаса и окружающей атмосферой,

в результате чего металл повторно загрязняется неметалличе­ скими включениями. За последнее время технология разливки электростали совершенствовалась в следующих направлениях:

а) уменьшения глубины усадочной раковины и увеличения выхода годного;

б) подбора более оптимальных параметров изложниц и слит­ ков;

в) снижения загрязненности стали газами и неметаллически­

ми включениями; г) механизации трудоемких технологических операций раз­

ливки.

Внедрение новых способов разливки в практику работы электросталеплавильных цехов позволит при относительно низ­ ких затратах значительно увеличить выход годного металла.

1. УМЕНЬШЕНИЕ РАСХОДА МЕТАЛЛА НА ПРИБЫЛЬНУЮ ЧАСТЬ СЛИТКА

Уменьшение объема жидкой стали при затвердевании в из­ ложнице с надставкой проявляется в виде конической усадочной раковины в прибыльной части слитка и в виде мелких пор и несплошности, сосредоточенных главным образом в средней осе­

вой части слитка.

На практике отношение веса прибыльной части к весу слит­

ка обычно составляет 15—25%.

Для уменьшения тепловых потерь при застывании верхних

частей слитков и сокращения объема усадочной раковины чугун­ ные каркасы надставок футеруют теплоизоляционными огне-

84