ТКМ (Вальтер А.И.)_1 / Лабор. заоч.-2 / эшп

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫЙ ПЕРЕПЛАВ СТАЛИ

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Ознакомление с устройством и работой электрошлаковой печи и техно­логией электрошлакового переплава.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИ СВЕДЕНИЯ

2.1. Сущность процесса.

Электрошлаковый переплав - один из способов повышения качества металлов и сплавов, заключается в том, что металл в виде расходуемого элек­трода переплавляется в ванне электропроводного синтетического шлака под действием тепла, выделяющегося в шлаке при прохождения через него элек­трического тока (рис. 1). Расходуемый электрод представляет собой отлитое или прокатанное изделие из металла, полученного в мартеновской, дуговой, вакуумно-индукционной печах или кислородном конверторе.

Рис. 1. Схема электрошлакового переплава с одним (а) и двумя (б) расходуемыми электродами: 1 – расходуемый электрод; 2 – шлаковая ванна;

3 – металлическая ванна; 4 – слиток; 5 – водоохлаждаемый кристаллизатор,

6 – поддон.

Электрический ток подводится к переплавляемому электроду 1, погруженному в шлаковую ванну 2 и к поддону 6. Переплав ведется в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе 5, в котором находится стальная затравка 7. Выделяющемся в шлаковой ванне 2 теплота нагревает ее до температуры 1700 ºС и более, и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла проходят через шлак, образуя под шлаковым слоем металлическую ванну 2.

Электрошлаковая печь питается переплавленным током промышленной или пониженной частоты или (реже) постоянным током. Мощность печного трансформатора 5-10 МВА. Обычно это печи периодического действия; имеются «мини-печи» непрерывного действия. Различают одно- и трехфазовые, одно- и многоэлектродные, специальные и универсальные электрошлаковые щели.

Шлак, состоящий CaF₂, CaO, SiO₂, Al₂O₃ и других компонентов и имеющий температуру порядка 2500 ºС предварительно расплавляют в электропечи с графитовой футеровкой и графитовым электродом, и заливают в кристаллизатор, включают электрический ток и начинают подавать расходуемый электрод в шлаковую ванну.

В соответствии с законом Джоуля - Ленца количество тепла, выделяемого током при его прохождении через шлак, можно определить по формуле

Q = J²R,

где Q – количество тепла, Дж; J – сила тока, А; R – сопротивление проводника, Ом; – время прохождения тока, с.

Полную мощность, выделяемую в шлаке, определяют по формуле

P = U∙J,

где P – полная мощность, Вт; U - полное падение напряжения на шлаковой ванне, В; J - сила тока, А.

Не вся мощность, выделяемая в шлаке, расходуется на нагрев металла и шлака, часть ее затрачивается на электролиз шлака. Мощность, выделяемую в шлаке и идущую на нагрев металла и шлака, можно определить из уравнения

P_н=(U-U₀)J,

где Р_н - мощность идущая на нагрев металла и шлака, Вт; U₀- падение напряжения в приэлектродной области, идущее на электролиз шлака (для шлака на фторидной основе U₀=19 В).

Удельный расход энергии 1000-1500 кВт∙ч/т; расход флюса до 5 % массы слитка, расход воды на охлаждение кристаллизатора, поддона, электродержателя токоведущих частей до 500 м³/ч.

Перенос капель металла через основной шлак способствует их активному взаимодействию, удалению из металла серы, неметаллических включений и растворенных газов. Металлическая ванна непрерывно наполняется путем расплавления электрода, под воздействием кристаллизатора постепенно формируется в слиток 4.

В результате ЭШП содержание кислорода в металле снижается в 1,5-2 раза уменьшается содержание неметаллических включений, они становятся мельче и равномерно распределяются в объеме слитка, понижается концентрация серы. Слиток отличается плотностью, однородностью хорошим качеством поверхности благодаря наличию шлаковой корочки, высокими механическими и эксплуатационным свойствами стали и сплавов. Слитки выплавляют круглого, квадратного, прямоугольного сечения массой до 110 т. Наиболее широко ЭШП используют при выплавке высококачественных сталей для шарикоподшипников, жаропрочных сталей для дисков и лопаток турбин, авиационных конструкций. Помимо слитков, производят фасонные отливки (коленчатые валы, зубчатые колеса и др.). Электрошлаковый переплав применяется как в черной, так в цветной металлургии.

Производительность электрошлаковой печи подсчитывается по формуле

G = D,

где G – производительность печи, кг/г; D – сторона квадрата (блюминговый слиток), широкая грань (слябинговый слиток), диаметр круглого слитка сплошного сечения, мм.

3 ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТ, МАТЕРИАЛЫ

3.1, Полупромышленная электрошлаковая печь.

3.2. Флюсоплавильная печь.

3.3. Переплавляемый расходуемый стальной электрод.

3.4. Шлак АНФ-6.

4. ЗАДАНИЕ НА РАБОТУ

4.1. Изучить сущность процесса электрошлакового переплава и конст­рукции электрошлаковых печей.

4.2. Определить Электрические параметры (J и U) флюсоплавильной печи и установить зависимость тока от межэлектродного расстояния.

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

5.1. Ознакомление с описанием работы.

5.2. Во флюсоплавильной печи с графитовым тиглем, электродом наплавить 1 кг шлака АНФ-6 и, изменяя межэлектродное рассстояние путём подъёма или опускания электрода, зафиксировать соответствующие значения силы тока, например,

J₁=500А; J₂=1000 А; J₃=1500 А;

5.3. Для фиксированных значений силы тока J, рассчитать электросопротивление шлака по формуле

R_шл = ,

где R_шл – электросопротивление шлака, Ом; U_эф – разность падения напряжений на шлаковой ванне и в электродной области, Ом,

U_эф = U – U_o; U_o = 19 В,

и рассчитать межэлектродное расстояние L по формуле

,

где L – межэлектродное расстояние, см; S_тэ – площадь поверхности торца электрода, см²; S_бэ – площадь боковой поверхности электрода, см²; – удельное электросопротивление шлака, Ом-см ( = 0,31 Ом∙см).

6. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

6.1. Зарисовать схему электрошлаковой печи (рис.1.) и описать сущность электрошлакового переплава.

6.3. По результатам замеров и расчетов заполнить таблицу. При расчетах использовать данные, приведенные в приложении.

Таблица

Результаты расчетов

Сила тока, А			Сопротивление шлака, Ом			Межэлектродное рас­стояние, см
J1	J2	J3	Rшл1	Rшл2	R шл3	L1	L2	L3

6.3. Построить график зависимости силы тока от межэлектродного расстояния.

J, А

L, см

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

7.1. Что является тепловыделяющим элементом в электрошлаковых печах?

7.2. Какой материал используют для приготовления шлака?

7.3. С чем связано повышение качества металла при электрошлаковом переплаве?