Введение
1. Вакуумные дуговые печи
2. Установки электрошлакового
переплава
3. Электронно-лучевые установки
4. Установки плазменно-дугового
переплава в водоохлаждаемый кристаллизатор
5. Вакуумные индукционные
печи
Список используемая литература
Введение
К плавильному оборудованию
цехов специальной электрометаллургии
относятся вакуумные дуговые
печи (ВДП), установки электрошлакового
переплава (ЭШП), электроннолучевые
установки (ЭЛУ), плазменные установки
и вакуумные индукционные печи
(ВИП). Все перечисленные плавильные
агрегаты, кроме ВИП, предназначены
для переплава литых или кованых
заготовок в медный водоохлаждаемый
кристаллизатор с целью улучшения качества
металла. Особенностью большинства из
перечисленных агрегатов является наличие
в плавильной зоне вакуума или нейтральной
атмосферы (обычно аргона), что позволяет
эффективно удалять из переплавляемого
металла газы и неметаллические включения,
а также обеспечивать минимальный угар
легирующих элементов.
1.Вакуумные дуговые
печи
Электросталеплавильный
цех печь оборудование
Промышленное освоение этих
печей относится к периоду 1953—1954
гг. Если первые слитки, выплавленные в
ВДП, имели диаметр 100—150 мм, то в
настоящее время, например в ФРГ,
выплавляют стальные слитки диаметром
1500 и 1800 мм и массой 50 и 200 т соответственно.
Наибольшее распространение
в настоящее время получили
ВДП, в которых дуга горит между зеркалом
расплава и расходуемым электродом, изготовленным
из предназначенного для переплава металла.
Оторвавшиеся от расходуемого электрода
капли расплавленного и перегретого металла
формируются в слиток в металлической
водоохлаждаемой изложнице-кристаллизаторе
(рис. 1, а). Это обеспечивает направленную
кристаллизацию слитка и получение зерен
с относительно мелкой структурой. В результате
вакуумного дугового переплава сталей
в зависимости от их химического состава
содержание кислорода в составе неметаллических
включений в металле снижается на 30—65
%, содержание азота уменьшается на 25-30%,
водород удаляется полностью, испаряются
вредные примеси цветных металлов, таких
как свинец, висмут, сурьма.
Все это улучшает
механические свойства металла:
пластичность, усталостную прочность,
ударную вязкость. В, ВДП преимущественно
используется постоянный ток
прямой полярности, при которой
переплавляемый электрод служит
катодом, а металл наплавляемого
слитка анодом. Это обеспечивает
более устойчивое горение электрической
дуги.
Источником тепла в
ВДП является мощный электрический
разряд, для которого характерными
являются большая сила постоянного
тока и сравнительно низкое
напряжение 20—ЗОВ Межэлектродный
промежуток заполняется парами
переплавляемого металла и выделяющимися
из него газами.
Процесс плавки в
ВДП осуществляется в следующей
последовательности. На поддон кристаллизатора
укладывают затравку (металлическую
шайбу). К подвижному штоку, жестко
связанному с электрододержателем,
присоединяют (приваривают) расходуемый
электрод. Химический состав металла затравки
и расходуемого электрода должен быть
одинаковым. Уплотняют плавильную камеру
печи и откачивают вакуумными насосами
воздух. Получив необходимый вакуум (0,06
Па), включают печь, т.е. подают на электроды
напряжение, и опускают расходуемый электрод
к затравке до зажигания дуги. По окончании
плавки печь отключают, разгерметизируют
плавильную камеру и извлекают из кристаллизатора
готовый слиток.
Рис. 1. Схема (а) и общий вид
(б) дуговой вакуумной печи типа ДСВ-11-2-Г37
1- расходуемый электрод;
2- рабочая (вакуумная) камера; 3-кристаллизатор;
4- слиток; 5- откачная система; 6- проходное
вакуумное уплотнение; 7- токоведущий
шток; 8- механизм передвижения электрода;
9,10,11- соответственно механизмы подъема,
разгрузки и выката кристаллизатора
По принципу действия
ВДП с расходуемым электродом
разделяются на печи для плавки
в глухой кристаллизатор и
печи с вытягиванием слитка
по мере его наплавления. При
выплавке стали преимущественно
применяются ВДП с глухим кристаллизатором.
Общий вид промышленной
печи ДСВ-11.2-Г37, предназначенной
для плавки стального слитка
массой до 60 т, показан на рис. 1,6.
Отечественной промышленностью
освоено производство печей серии
ДСВ для выплавки стальных слитков
массой от 1 до 60 т.
ВДП с глухим кристаллизатором
включает следующие основные
узлы: вакуум-камеру, кристаллизатор, шток
электро-додержателя с механизмом подачи
переплавляемой заготовки, механизм подачи
кристаллизатора с расходуемым электродом
в вакуум-камеру и разгрузки слитка из
кристаллизатора, вакуумную систему. Одним
из основных узлов ВДП является вакуум-камера,
в которой размещается расходуемый электрод.
Вакуум-камера представляет собой водоохлаждаемый
герметичный сосуд с двойными стенками.
К вакуум-камере снизу крепят кристаллизатор,
который является наиболее теплонагруженным
и взрывоопасным узлом печи (рис. 1). Он
состоит из внутренней гильзы и наружного
кожуха, между которыми имеется полость
для протока воды. Гильза изготовляется
из металла с высокой теплопроводностью
— меди или хромистой бронзы БрХ-0,8 и имеет
толщину стенки 30—40 мм. Наружный кожух
кристаллизатора изготовляют обычно из
немагнитной стали. Ширину водяного зазора
выбирают такой, чтобы обеспечить достаточную
скорость воды при отсутствии кипения
и выпадения солей жесткости. Максимальная
величина удельных тепловых потоков, воспринимаемых
стенками кристаллизатора, составляет
при выплавке стали 510—1300 кВт/м2.
Геометрические параметры
печи зависят от массы и
размеров слитка. При переплаве
расходуемого электрода получают,
как правило, цилиндрические слитки,
что объясняется простотой их механической
обработки при обдирке поверхности. Наряду
с цилиндрическими выплавляют слитки
квадратного и прямоугольного сечений.
Параметрами печи, определяющими
ее габариты, особенно по высоте,
являются длина слитка и соотношение
длины и размеров сечения. На
выбор этих параметров влияют следующие
факторы:
1) возможность передела
выплавленных слитков методами
пластической деформации. С этой
точки зрения отношение длины
слитка к его диаметру не
должно превышать 2,5-3 для слитков,
подвергаемых ковке и прессованию.
При прокатке на сорт это
отношение может быть увеличено
до 4-5;
2) изготовление расходуемых
электродов. Стальные электроды
изготавливаются посредством прокатки,
ковки или отливки в изложнице
или полунепрерывным методом. Длина
их может быть достаточно большой;
3) удаление газов из
зоны их максимального выделения.
При большой длине кристаллизатора
промежуток между ним и электродом
начинает снижать проводимость
системы откачки и дегазация
металла в начале плавки ухудшается.
Это особенно заметно при высоком
вакууме (0,133—0,00133 Па);
4) производительность печи.
Для улучшения этого показателя
целесообразно максимально увеличивать
длину, а следовательно, и массу слитка.
Увеличение длины слитка
требует увеличения длины кристаллизатора
и штока, что приводит к пропорциональному
росту высоты цеха, стоимости
изготовления печи и монтажа
ее в цехе. Для стальных слитков,
подлежащих ковке или прессованию,
отношение длины к диаметру
слитка не должно превышать
2,5-3,0. Для стальных слитков, прокатываемых
на сортовую заготовку, это
отношение следует увеличить
до 4—5. Масса расходуемого электрода
определяется массой слитка и
остатка (огарка) электрода после
плавки, а размеры электрода —
выбором соотношения диаметра
электрода и кристаллизатора. Решающее
влияние на диаметр расходуемого электрода
обычно оказывает возможность его изготовления
современными средствами. При выборе сечения
следует учитывать кривизну электродов,
возможности центровки и крепления огарка,
качество приварки к огарку. Не следует
допускать уменьшение зазора между электродом
и кристаллизатором менее 30—60 мм, увеличивая
его при росте диаметра кристаллизатора.
При чрезмерно малом зазоре может произойти
переброс дуги на стенку кристаллизатора.
Следует также учитывать проводимость
зазора с точки зрения откачки газов из
зоны дуги.
Приведенные соображения
показывают, что целесообразно иметь
соотношение диаметров электрода
и кристаллизатора максимально
близким к единице, ограничивая
его лишь возможностями откачки
и исключением переброса дуги.
На большинстве промышленных
печей величина зазора составляет
при переплаве стали 30—60 мм.
2. Установки электрошлакового
переплава
Способ электрошлакового
переплава (ЭШП) был впервые
разработан в Институте электросварки
имени Е.О. Патона АН УССЕ
и внедрен в промышленных условиях
в 1958 г. Сущность процесса ЭШП
состоит в переплаве металла
расходуемого электрода в слое
электропроводного флюса (шлака),
размещенного в водоохлаждаемом
металлическом кристаллизаторе, который
устанавливается на водоохлаждаемый поддон
(рис. 2)
Рис. 2. Принципиальная схема
однофазной установки ЭШП (а) и распределение
тепла в шлаковой ванне при использовании
флюса АНФ-6 (б): 1 — расходуемый электрод;
2 — водоохлаждаемый кристаллизатор; 3
— расплавленный шлак; 4 — слиток; 5 — ванна
жидкого металла; 6 — шлаковый гарнисаж;
7 — понижающий трансформатор; 8 — поддон
Переменный ток проходит
через электрод и шлак, который
при высокой температуре становится
электропроводным и разогревается
до 1600—2000 °С. За счет выделения мощности
в шлаковой ванне температура последней
поддерживается более или менее постоянной
(1700—2000 °С).
Часть тепла шлаковой
ванны передается погруженному
в нее торцу электрода, который
оплавляется, а капли металла,
проходя через шлак, очищаются
от вредных примесей. Химический
состав применяемых флюсов отличается
высокой основностью. Наплавляемый в водоохлаждаемый
кристаллизатор металл формируется в
плотный слиток с однородной макроструктурой,
отличающейся ровной гладкой поверхностью,
которая не требует дополнительной механической
обработки (обдирки) перед прокаткой, ковкой.
Хорошая поверхность слитка, получаемого
в установках ЭШП, связана с образованием
на поверхности кристаллизатора шлакового
гарнисажа.
Высокая основность и
температура шлаковой ванны обеспечивают
высокую степень удаления серы (от 0,015—0,02
до 0,003—0,006%). Кроме того, при электрошлаковом
переплаве из металла удаляются газы и
неметаллические включения. Так, если
сталь не содержит нитридообразующих
элементов (титана, ниобия), то содержание
кислорода снижается в 2 раза, водорода
— в 1,5—2,0 раза, азота — в 1,5—2,5 раза, общее
содержание неметаллических включений
— в 2—Зраза. Необходимо отметить, что
степень удаления газов при электрошлаковом
переплаве стали меньше, чем при вакуумно-дуговой
плавке.
Процесс плавки включает
следующие операции: вспомогательные
(разгрузка слитка из кристаллизатора,
установка расходуемого электрода
и соединение его с головкой
электрододержателя), наведение шлаковой
ванны, наплавление слитка в кристаллизатор
и выведение усадочной раковины. Шлаковая
ванна может наводиться с применением
твердого или предварительно расплавленного
флюса. Для расплавления твердого флюса
непосредственно в кристаллизаторе применяют
специальные электропроводящие в холодном
состоянии смеси. При этом перед загрузкой
смеси на медный поддон кристаллизатора
укладывают затравку - шайбу из углеродистой
стали. Расход флюса независимо от способа
наведения шлака составляет обычно 3-5
% массы слитка.
В конструктивном отношении
установки ЭШП относительно просты
по сравнению с ВДП, так как
они работают в основном на воздухе
и не требуют герметичности и
сложных вакуумных откачных систем.
Установка ЭШП включает следующие
узлы: кристаллизатор, стойку-колонну,
по которой с помощью специального
механизма перемещается каретка
элект-рододержателя или кристаллизатор,
электрододержатель с механизмом зажима
электродов, поддон, тележку для установки
и отката кристаллизатора, устройство
для сифонной заливки шлака в кристаллизатор
Рис. 3. Схема (а) и общий вид (б)
однофазной одноэлектродной установки
ЭШП
1 — электропечной понижающий
трансформатор; 2 — расходуемый электрод;
3 — кристаллизатор; 4 — ванна
жидкого шлака; 5 — шлаковая корочка
(гарнисаж); 6 — слиток; 7 — тележка для
выката слитка; 8 — механизм подъема каретки;
9 — каретка; 10 — механизм передвижения
несущей конструкции; 11 — стойка; 12 — несущая
конструкция
Нижняя часть стойки-колонны
используется как канал вентиляционной
сиитемы для отсоса выделяющихся из кристаллизатора
газов и пыли.
Установки ЭШП нашли
широкое применение в металлургии
и машиностроении для получения
слитков сплошного сечения цилиндрической,
квадратной и прямоугольной форм
(табл. 15). Наряду с получением
слитков сплошного сечения метод
ЭШП применяют, как было сказано
выше, для выплавки полых слитков.
Для этого созданы специализированные
установки ЭШП. Схема выплавки
полых слитков с расположением
электродов в кольцевом зазоре,
образуемом наружным и внутренним
кристаллизаторами (дорном), является
наиболее распространенной. При выплавке
относительно коротких полых слитков
целесообразно иметь внутренний кристаллизатор,
подвижный относительно наружного кристаллизатора
и поддона. Если внутренний кристаллизатор
остается по ходу плавки неподвижным,
то в этом случае поддон со слитком и наружным
кристаллизатором должен подниматься
вверх (рис. 47, в).