Файл: Строганов, А. И. Производство стали и ферросплавов учебник для металлургических техникумов.pdf

и поверхностью кристаллизатора давление над ванной будет выше, чем в рабочей камере. Поэтому между электродом и кристаллиза­ тором будут появляться паразитные дуги. При большом зазоре электрод не экранирует ванну и тепло излучается вверх.

Электрод приваривается к торцу зажима электрододержателя, другим концом зажим с помощью резьбового или другого типа соеди­ нения крепится к самому электрододержателю. Приварку электрододержателя осуществляют в печи или вне ее. В последнем случае уменьшается время на сварку, к тому же ее можно выполнить более тщательно.

Вакуумно-дуговые печи работают на постоянном токе: расходуе­ мый электрод является катодом, а жидкий металл в кристаллиза­ торе — анодом. В вакууме дуга может быть более растянутой без значительного падения силы тока и увеличения напряжения. При короткой дуге капли металла, срывающиеся с конца электрода, замыкают дуговой промежуток, вследствие чего происходит раз­ брызгивание металла, ванна охлаждается, так как ток идет через капли, а не через газовый столб разряда.

Температура дуги неодинаковая по ее длине и изменяется в пре­ делах 2000—12 000° С. Несмотря на высокую температуру, капля, падая в столбе дуги, не успевает значительно нагреваться, так как дуговой промежуток она проходит за 0,05—0,1 с. Поэтому темпера­ тура жидкой ванны при ВДП обычно не намного превышает темпе­ ратуру плавления металла (на 60—100° С).

После установки электрода в кристаллизаторе и его центровки кристаллизатор присоединяют к камере печи. Если электрод при­ варивают к переходному зажиму в печи, то предварительно в камере создают вакуум, электр ододержатель опускают и зажигают дугу между нижним торцом зажима и электродом. Под действием дуги наплавляется жидкий металл, и электрододержатель опускают до упора, после чего ток выключают. Жидкий металл сваривает элек­ трод с зажимом. При внепечной сварки электрод с помощью приварен­ ного зажима крепится на электрододержателе, после чего печь отка­ чивают.

Зажигание дуги производят при уменьшенном токе, а после образования лунки жидкого металла печь переводят на рабочий ток. В связи с интенсивным охлаждением металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе в наплавляемом слитке на протяжение всего про­ цесса остается только лунка жидкого металла.

С целью уменьшения отходов металла с головной частью слитка из-за наличия в ней усадочной раковины, в конце переплава при­ бегают к операции выведения усадочной раковины. В этот момент скорость кристаллизации металла несколько меньше скорости пла­ вления электрода, что обеспечивает постепенное заполнение обра­ зующейся усадочной раковины металлом.

После полного затвердевания слитка вакуум в печи нарушают, отсоединяют кристаллизатор со слитком и приступают к очистке печи. При наличии двух кристаллизаторов второй, заранее подго­ товленный кристаллизатор, ставят в печь и плавку начинают

3 2 5

вновь. Для печи с кристаллизатором диаметром 320 мм продолжитель­ ность отдельных операций примерно следующая: подготовка печи к плавке 20—30 мин, загрузка и крепление электрода при внепечной сварке 15—25 мин, откачка 35 мин, плавление 4 ч 30 мин—5 ч 30 мин, выведение усадочной раковины 40 мин. Максимальная годовая про­ изводительность печи составляет 895 т.

Неприятным явлением при ВДП является возможность пропла­ вления стенки кристаллизатора. Попадание воды под жидкий металл может привести к взрыву. Возможность проплавления кристаллиза­ тора практически исключается при поддержании стабильного элек­ трического режима. Необходимо следить за тем, чтобы длина дуги была меньше расстояния от поверхности электрода до стенки кристал­ лизатора.

Наиболее эффективным средством устранения взрыва при пропла­ влении кристаллизатора является оснащение печи мощной вакуум­

На стенках кристаллизатора во время плавки образуется корона из брызг металла и конденсатов паров примесей. Корона заливается жидким металлом и неполностью расплавляется. На поверхности слитка образуется грубая корка, которую приходится снимать на глубину 5—10 мм на токарных станках.

С увеличением длины дуги и силы тока корона быстрее распла­ вляется, поверхность слитка улучшается. Длина дуги, равная

В ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫХ ПЕЧАХ

В электроннолучевых печах, оборудованных шлюзами для пере­ плавляемых заготовок, подача заготовок может быть осуществлена непрерывно без нарушении вакуума в рабочей камере. Последнюю операцию в этом случае необходимо проводить только при извлече­ нии слитка из кристаллизатора. Для качества наплавляемого слитка важным моментом является правильно выбранная схема развертки электронного пятна, так как от этого зависит создание оптимальных условий кристаллизации слитка. Температура поверхностных слоев металла в кристаллизаторе в основном определяется удельной плот­ ностью подводимой энергии и в меньшей степени она зависит от ско­ рости наплавления, распределение температуры по поверхности наплавляемого металла зависит от характера развертки луча. Так, например, при развертке по спирали на глубине 10 мм температура металла оказалась равной 1725, 1697 и 1655° С в центре на половине радиуса и на расстоянии 10 мм от края соответственно.

В процессе ЭЛП рафинирование металла происходит главным образом в результате дегазации и испарения примесей с открытой поверхности жидкого металла и в результате всплывания неметалли­

326

ческих включений. Испарение металла способствует удалению неже­ лательных цветных металлов до весьма низких концентраций и, кроме того, эффективно снижается также содержание азота. Однако при этом происходит и испарение легирующих элементов (марганца, хрома и др.), что является нежелательным явлением. Скорость испа­ рения определяется температурой поверхности ванны.

При сравнительно низкой температуре металла потери на испа­ рение составляют 2—4%, при более высокой температуре они воз­ растают до 5—7%, а при неправильном режиме могут достигать более 10%. Так, концентрация марганца при исходном ее значении 0,5—0,6% может понизиться в процессе электроннолучевого пере­ плава до 0,1 %.

В многопушечной установке ЭЛП в связи с более равномерным распределением температуры по поверхности металла в кристалли­ заторе испарение меньше, чем в однопушечных. Однако в много­ пушечных установках степень рафинирования металла меньше.

4. ВЫПЛАВКА МЕТ В ПЛАЗМЕННО-ДУГОВЫХ ПЕЧАХ

Переплав в водоохлаждаемом кристаллизаторе. При плазменно­ дуговом переплаве (ПДП) в печи с медным водоохлаждаемым кри­ сталлизатором перед плавкой заготовку подают в печь через люк камеры слитка и специальными захватами подвешивают ее над кристаллизатором. Затем откачивают воздух из камеры до давления порядка 1,3 Н/м2 (10"2 мм рт. ст.). После промывки камеры аргоном возбуждают плазмотрон. Процесс переплава ведут при давлении газа от нормального до избыточного в зависимости от марки стали. В зависимости от марки стали выбирают также тип плазмообразую­ щего газа, в качестве которого используют либо чистый аргон, либо смесь аргона с азотом (при переплаве азотсодержащих сталей), либо смесь аргона с водородом (при переплаве нефлокеночувствительных сталей).

В процессе плавки заготовка непрерывно подается в зону пла­ вления, а слиток вытягивается из кристаллизатора с заданной по­ стоянной скоростью. Уровень жидкой ванны в кристаллизаторе под­ держивается постоянным с помощью регулирующего устройства.

Все агрегаты печи оборудованы дистанционным управлением.

Переплав в плазменных печах с керамическим тиглем. В этих печах в рабочем пространстве создается высокотемпературный, от­ носительно длинный, плазменный шнур, простирающийся от плаз­ мотрона, установленного на своде, до ванны. Обычно содержание кислорода в печи поддерживается низким, иногда меньше 1%. По­ следнее обстоятельство обеспечивает более высокое усвоение леги­ рующих примесей из шихты по сравнению с открытыми дуговыми печами. Например, усвоение хрома составляет 95—100%. Поэтому при выплавке стали в плазменных печах можно увеличивать долю легированных отходов в шихте.

327

В то же время в плазменной печи встречаются затруднения с фор­ сированием окислительного периода, например, путем продувки ванны кислородом, так как из-за интенсивного образования брызг может быстро выйти из строя плазмотрон. По изложенным причинам плазменные печи с керамическим тиглем целесообразно использо­ вать для выплавки легированных сталей и сплавов методом пере­ плава с высоким содержанием легированных отходов в шихте.

После расплавления и отбора проб металла и шлака часть шлака скачивают и начинают восстановительный период. Технология вы­ плавки при этом аналогична применяемой при выплавке стали в открытых дуговых печах. Следует отметить, что в связи с низким содержанием кислорода в атмосфере печи навести безжелезистый шлак в плазменной печи легче, чем в открытой печи.

5. СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ПЕРЕПЛАВА СТАЛИ

Электрошлаковый, вакуумно-дуговой, плазменно-дуговой и элек­ троннолучевой переделы являются дополнительными в технологи­ ческом цикле производства стали. Такой же операцией является

ивакуумно-индукционный переплав, если используется специально выплавляемая заготовка.

Естественно, что любая дополнительная операция связана с уве­ личением затрат. Стоимость указанных способов передела колеблется

вшироких пределах и зависит в первую очередь от степени освоения

иобъема производства, а также от стоимости применяемых мате­ риалов. Так, например, в условиях завода «Днепроспецсталь» с уве­ личением объема производства стоимость переплава снизилась почти

вдва, а в дальнейшем, в три раза.

Крупным резервом снижения стоимости передела при использо­ вании предварительно подготавливаемого электрода является за­ мена кованого или катаного электрода на литой. При ЭШП себестои­ мость стали в значительной степени зависит от стоимости флюса. Поэтому выбор рационального состава флюса, многократное его использование, если позволяет качество металла, также является резервом снижения стоимости электрошлакового переплава.

Для оценки целесообразности внедрения новых способов произ­ водства металла необходимо учитывать и экономическую эффектив­ ность, которую получает потребитель при изготовлении изделий из этого металла. В настоящее время не вызывает сомнения, что качество металла новых способов производства значительно лучше, чем обычного металла. Так, подшипники из обычной электростали марки ШХ15 при испытаниях разрушались через 28—29 ч, такие же подшипники из стали ШХ15, полученной ЭШП, простояли 300 ч и были сняты с испытаний без разрушений.

Имеются сведения, что после ВДП стали ШХ15 стойкость под­ шипников возрастает в 2—2,5 раза по сравнению с обычной сталью. Вакуумный переплав полируемых сталей для изготовления валков прокатных станов с зеркальной поверхностью уменьшает на 30—

328

60% время обработки поверхности, а матрицы для холодного прес­ сования выдерживают в 2—6 раз больше циклов, чем матрицы из обычной стали.

Механические свойства и длительная прочность жаропрочных сплавов после ЭЛП превышают требования технических условий и от свойств металла ВДП отличаются несущественно, в то же время технологическая пластичность сплавов после ЭЛП выше, чем после ВДП. Пластичность сплавов ЭЛП по сравнению с металлом открытой выплавки при температурах горячей деформации получается более высокой.

Новые способы передела дают большую экономию в результате значительного сокращения и даже ликвидации брака на последую­ щих операциях в металлургических переделах и в машиностроении. Большое народнохозяйственное значение имеет и тот факт, что при изготовлении деталей машин и механизмов из сталей и сплавов новых способов производства значительно возрастает стойкость и по­ вышается их надежность в эксплуатации.

Для правильной оценки развития того или другого нового способа передела важно провести технико-экономические сравнения между ними. Подобное сравнение было проведено на Челябинском металлур­ гическом заводе с участием Челябинского НИИМа. Сравнивали свойства и стоимость конструкционных, сталей (18Х2Н4ВА, 40ХНМА и 35Х2ГСМА), выплавленных в открытой электродуговой печи, на установке ЭШП, в вакуумно-индукционных печах, а также комби­ нированными методами: ЭШП—ВДП, вакуумные индукционные печи — вакуумно-дуговой переплав. Для ЭШП и ВДП использовали электроды круглого и квадратного сечения, изготовленные из элек­ тростали. Анализ полученных результатов позволяет следующим образом ориентировочно расположить различные способы выплавки по возрастанию эффективности воздействия на качестве металла: ЭШП, ВДП, вакуумно-индукционная плавка, комбинированные методы. Стоимость передела находится в обратном соотношении, т. е. наиболее высокая при комбинированных методах и наименьшая при электрошлаковом переплаве.

6. КОМБИНИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ

При работе электропечей на твердой завалке все периоды плавки проводят в одном агрегате. При комбинированных процессах первые периоды плавки (расплавление и окисление примесей) проводят в другом сталеплавильном агрегате: в мартеновской печи или в кон­ вертере. Электропечь в этом случае служит только для окончатель­ ной доводки металла. Продолжительность плавки и расход электро­ энергии при комбинированных процессах уменьшаются, а произво­ дительность электропечи возрастает в два-три раза. Однако комби­ нированные процессы имеют и существенные недостатки: 1) произ­ водительность сталеплавильных агрегатов в целом уменьшается; 2) появляются организационные трудности синхронизации работы различных сталеплавильных агрегатов. В то же время в большинстве

329