Электрошлаковый переплав

 

Процесс разработан электрошлакового переплавав СССР институтом электросварки им. Е.О. Патона АН СССР, первая промышленная печь пущена в 1958 г. на заводе «Днепроспецсталь».

Характерной особенностью ЭШП является отсутствие электрической дуги. Электрическая цепь между расходуемым электродом и наплавляемым слитком, к которым подается разность потенциалов, замыкается через слой расплавленного шлака. Шлак в твердом виде ток не проводит, а в жидком состоянии становится электропроводным, но при этом обладает высоким электросопротивлением. На этом участке электрической цепи выделяется значительная часть тепла: Q = kT_lR_x.

Шлак нагревается до температуры 1700 - 2000°С, в результате чего начинает оплавляться погруженный в него конец расходуемого электрода. Металл электрода в виде капель перетекает в жидкую ванну в кристаллизаторе и спустя некоторое время затвердевает.

При нормальном течении процесса ЭШП оплавляющийся торец электрода имеет форму правильного конуса, на вершине которого образуется капля. Отрыв капли происходит в момент, когда гравитационные и динамические силы превысят силы межфазного натяжения. После отрыва капля проходит межэлектродный промежуток за 0,1 - 0,3 с.

Важнейшее влияние на металлургические процессы и электротехнические параметры переплава оказывают состав и свойства шлаков (флюсов).

Шлак при ЭШП не только рафинирует металл от нежелательных примесей, но и является генератором тепла, формирует поверхность слитка, защищает металл от взаимодействия с газами, участвует в замыкании электрической цепи и выполняет ряд других функций. Поэтому к шлаку предъявляют особые требования по химическому составу, физическим и физико-химическим свойствам.

Основные требования сводятся к следующему:

1) Состав шлака должен обеспечивать протекание определенных физико-химических процессов, связанных с рафинированием металла от нежелательных растворенных примесей и неметаллических включений, защиту активных легирующих элементов (Al, Ti и др.) от окисления, стабильность химического состава по высоте наплавляемого слитка.

2) При рабочих температурах теплопроводность шлака должна составлять порядка 1 - 6 Ом^-1 см^-1. Слишком высокая проводимость шлака может не обеспечить необходимую концентрацию тепла, а слишком малая - привести к дуговому разряду.

3) Шлак должен быть легкоплавким, иметь высокую температуру кипения и мало изменять вязкость в широком интервале температур, т.е. быть «длинным». Такой шлак образует ровную тонкую корочку гарнисажа и позволяет получить слиток с весьма хорошей поверхностью. Использование тугоплавких «коротких» шлаков приводит к а, а появлению ряда поверхностных дефектов.

4) Шлаки должны отличаться высоким межфазным натяжением на гуру границе с металлом и обладать высокой адгезией к неметаллическим тур, включениям. Это способствует хорошему отделению шлака от металла, предотвращает его запутывание в металлической ванне и обеспечивает хорошее отслоение корочки шлака от поверхности слитка, а также способствует извлечению шлаком неметаллических включений.

Составы шлаков при ЭШП различны; чаще всего используют шлак, состоящий из CaF₂ с добавками СаО, А1₂О₃, SiO₂. Проходя через такой шлак, капли металла очищаются от серы; в них снижается содержание неметаллических включений, а в кристаллизаторе образуется плотный качественный слиток.

Электрошлаковый переплав позволяет получать наплавляемый слиток высокого качества за счет снижения содержания вредных примесей, особенностей кристаллической структуры и однородности по химическому составу.

В настоящее время установлены следующие преимущества электрошлакового переплава перед другими способами получения стали:

1) Хорошее качество слитка, отсутствие усадочной раковины и пористости.

2) Меньшее количество и меньший размер включений.

3) Однородность структуры и химического состава.

4) Высокий выход годного.

5) Возможность регулируемого снижения содержания серы, кислорода, а в некоторых условиях и азот; возможность сохранения легирующих элементов, которые могут быть окислены, таких как кремний и титан.

6) Возможность корректирования состава металла путем применения соответствующего флюса.

7) Общее улучшение характеристик пластичности и ударной вязкости.

8) Улучшение свариваемости.

9)  Обеспечение такого качества поверхности, которое исключает необходимость в зачистке поверхности при горячей обработке.

10) Облегчение условий отливки электродов по сравнению с разливкой слитков для непосредственной прокатки.

11) Возможность управления направлением и скоростью затвердевания.

12) Возможность регулирования крупности зерен и величины карбидов, особенно в быстрорежущих инструментальных сталях.

13) Расплавленный металл защищен от атмосферно-
го окисления.

Такое большое число преимуществ процесса ЭШП является следствием большого числа степеней свободы, свойственного этому процессу. Важность степеней свободы в технологии стала приобретать все большее значение по мере усложнения требований к современным продуктам.

Оборудование ЭШП проще и дешевле, чем при ВДП.

Недостатком ЭШП является невозможность организовать в открытом агрегате удаление водорода. В связи с этим широкое распространение получили дуплекс-процессы ВИП–ЭШП и ЭШП-ВДП.

Конструктивно-технологические особенности.

Процесс ЭШП разработан в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН Украины. Практическое распространение метода ЭШП началось с 1958 г. на металлургическом заводе «Днепроспецсталь».

Принципиальная схема электрошлакового переплава представлена на рисунке 5.6

 

1 – источник питания;2 – слиток; 3 – лунка расплава;4 – кристаллизатор; 5 – электрод; 6 – вакуумная камера; 7 – шлаковая ванна

Рисунок 5.6 - Схема электрошлакового переплава

 

Существует два типа установок ЭШП: с расходуемым электродом и с нерасходуемым электродом. Суть процесса при этом остается неизменной: капли металла проходят через слой жидкого шлака (через шлаковую ванну). Нерасходуемые электроды, используемые для поддержания требуемой температуры в шлаковой ванне, бывают графитовые или металлические водоохлаждаемые. Проходя через слой жидкого шлака, капли металла попадают или в кристаллизатор, или в огнеупорный тигель. В последнем случае плавка ведется в так называемых установках с керамическим тиглем. Для производства стальных слитков обычно используют процесс с расходуемым электродом и охлаждаемым кристаллизатором.

Расходуемые электроды получают, выплавляя предварительно металл нужного состава в обычном сталеплавильном агрегате (чаще в дуговой сталеплавильной печи) и разливая его на слитки или непрерывно-литую заготовку.  Для  получения  расходуемых электродов необходимых размеров (по сечению) слитки могут подвергаться прокатке или ковке. Получаемые ЭШП слитки имеют обычно развес до 5–6т. В отдельных случаях (например,  при получении заготовок для последующего изготовления роторов турбин  электростанций)  отливаются ЭШП слитки массой 60т и более. В СССР была разработана специальная электрошлаковая технология, позволяющая отливать слитки массой до 300т. Большие слитки массой 200– 300 т (для роторов турбин, валов судовых двигателей и т. п.) выплавляют редко, и заводам нерационально иметь у себя крупные агрегаты для того, чтобы использовать их только несколько раз в году. Поэтому для производства сверхкрупных слитков Институтом им. Е. О. Патона совместно с рядом заводов создан способ, получивший название порционной электрошлаковой отливки (ПЭШО). В отличие от обычного ЭШП, основанного на переплаве расходуемых электродов, способ ПЭШО предусматривает получение  слитков  непосредственно  из жидкого металла. В водоохлаждаемой изложнице с помощью нерасходуемых электродов расплавляется смесь шла-кообразующих компонентов.  При этом в изложнице образуется слой жидкого шлака (шлаковая ванна), обладающий  высокой  рафинирующей способностью  (рисунок 5.7,   а).   Через слой шлака заливают первую порцию стали, полученной в печи, емкость которой равна части емкости изложницы. В период заливки металла погруженные в шлак электроды автоматически поднимаются (рисунок 5.7, б).

Рисунок 5.7 - Схема порционной электрошлаковой отливки

 

После заливки первой порции металла ведут электрошлаковый обогрев зеркала металла. За счет подводимой мощности зеркало должно оставаться жидким по всему сечению изложницы. При этом залитый металл постепенно  затвердевает  в  направлении снизу вверх, и к моменту заливки следующей порции металла под слоем жидкого шлака остается небольшой объем жидкого металла (рисунок 5.7, в). Металл следующей порции аналогичным образом заливают в изложницу, и он смешивается с остатком жидкого металла первой порции (рисунок 5.7, г). Этот процесс повторяют несколько раз до заполнения всей изложницы. После заливки последней порции металла постепенно снижают электрическую мощность, подводимую к шлаковой ванне, с тем чтобы предотвратить образование усадочной раковины в головной части слитка (рисунок 5.7, д). Интенсивная обработка металла рафинирующим  шлаком  обеспечивает высокую чистоту металла слитка по сере и неметаллическим включениям. Направленная снизу вверх последовательная кристаллизация металла в изложнице при постоянном наличии сравнительно  небольшого  объема жидкого металла и высокого градиента температур в металлической ванне ограничивает развитие в слитке зональной ликвации и исключает образование в нем дефектов усадочного и ликвационного происхождения.

Другим технологическим приемом, позволяющим получать высококачественные крупные слитки, является технология, названная ЭШП с расходуемым электродом, согласно которой у отлитого по обычной технологии крупного слитка удаляется осевая зона (здесь металл обычно поражен дефектами вследствие ликвации вредных примесей, неметаллических включений, скопления газов и т. п.). Образовавшуюся таким образом полость в слитке с помощью ЭШП заполняют доброкачественным металлом.

Разновидностью ЭШП является электрошлаковая отливка (ЭШО), для получения которой жидкий металл заливается в водоохлаждаемые кристаллизаторы через слой жидкого шлака. Кристаллизация в этом случае протекает при электрошлаковом обогреве головной части слитков.

 

 

                       

                   

а – однофазная; б – трехфазная в одном кристаллизаторе; трехфазная в трех кристаллизаторах

Рисунок 5.8 – Основные виды электрошлакового переплава

 

Установки ЭШП могут работать и на переменном, и на постоянном токе. Применение постоянного тока было вызвано возможностью использовать электролиз расплава и таким образом добиться очистки металла от некоторых примесей (серы, кислорода, водорода и др.), а также использовать одно и то же оборудование для ЭШП и ВДП. Отечественные установки ЭШП работают на более дешевом переменном токе. Практика показала, что переплав на переменном токе способствует более глубокому рафинированию металла, в частности от серы. Печи ЭШП могут быть однофазными и трехфазными.

Конструкции ЭШП имеют различные схемы перемещения электрода, кристаллизатора и слитка:

1) кристаллизатор и поддон неподвижные, электрод опускается по мере его оплавления. В конструкциях таких печей кристаллизатор имеет большую высоту, чем слиток;

2) кристаллизатор неподвижен, опускаются по ходу плавки электрод и слиток;

3) слиток неподвижен, электрод и кристаллизатор перемещаются навстречу друг другу.

В печах 2-го и 3-го типа применяется короткий кристаллизатор.

Кристаллизатор. Кристаллизатор является наиболее ответственной частью печи. Именно в кристаллизаторе происходит плавление металла, его рафинирование и формирование слитка. Температура шлака во время плавки достигает весьма высоких значений, что обусловливает тяжелые условия работы кристаллизатора. При этом работа кристаллизатора осложняется тем, что через него протекает электрический ток большой силы. Кристаллизаторы разделяются по форме поперечного сечения или фасонного профиля. Вследствие высокой тепловой нагрузки все кристаллизаторы охлаждаются водой.

Поддон является основанием кристаллизатора и, как правило, охлаждается водой. Верхнее основание изготавливают из медного листа толщиной 10 - 40 мм. Кожух - сварной из нержавеющей стали; к нему приварены патрубки для входа и выхода воды. Поддон устанавливается на специальную тележку.

Расходуемый электрод. Чаще всего металл для расходуемого электрода ЭШП получают в ДСП, но экономически в ряде случаев выгоднее выплавлять его в мартеновских печах или конвертерах. Электроды изготавливают методом ковки, прокатки, литья на МНЛЗ и в специальные изложницы. Электроды изготавливают круглого, квадратного и прямоугольного сечения.

Механизм перемещения электродов. Механизм перемещения электродов состоит из электродной тележки, электрододержателя (чаще всего в виде консоли) и привода. В конструкциях отечественных ЭШП применяются в основном электромеханический реечный или цепной механизм перемещения электрода и кристаллизатора. Диапазон регулирования рабочих скоростей привода кристаллизатора 0,02 - 2 м/ч.