Файл: Пирожников, В. Е. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками.pdf

Г л а в а V

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПЛАВКИ В УСТАНОВКАХ

ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА

1. Краткая характеристика и особенности метода электрошлакового переплава

Процесс электрошлакового переплава (ЭШП) в СССР разработан институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР. Этот метод производства высококачественных сталей и сплавов получил широ­ кое признание. На заводах черной металлургии СССР работают десятки печей ЭШП, позволяющих получать слитки различной массы. На ряде заводов имеются специальные цехи или отделения для про­ изводства электрошлакового переплава (ЭШП). Сущность метода заключается в переплаве расходуемых электродов определенного химического состава в металлическом водоохлаждаемом кристалли­ заторе под слоем расплавленного шлака, который служит источником тепла при прохождении через него электрического тока [82].

Имеющиеся промышленные печи ЭШП работают по принципам формирования слитка вытягиванием его из кристаллизатора или заполнением последнего (рис. 77 б, б). В первом случае может быть осуществлена схема непрерывного процесса ЭШП. Однако в метал­ лургической практике наибольшее распространение получил второй способ выплавки электрошлакового слитка, поскольку он обеспечи­ вает большую простоту и надежность ведения плавки.

Повышенная чистота металла при ЭШП достигается совместным действием следующих факторов:

а) рафинирования высокоосновным шлаком, обеспечивающего десульфурацию, интенсивное удаление из металла неметаллических и газовых включений и вредных примесей;

б) перегрева металла, способствующего в свою очередь интенсив­ ному удалению из металла неметаллических включений и газов;

в) принудительной кристаллизации в водоохлаждаемых кристал­ лизаторах, позволяющей получать желаемую макроструктуру слитка с повышенной плотностью и однородностью, избавиться от неметал­ лических включений с низкой адгезией и обеспечить отсутствие зональной ликвации и газовых пузырей.

Техническая эффективность ЭШП оценивается, с одной стороны, степенью загрязненности металла неметаллическими включениями (серой, фосфором, свинцом и др.), с другой стороны, — плотностью и однородностью металла.

Для удаления неметаллических включений и растворенных газов важное значение имеет направленность кристаллизации электро-

160

шлакового слитка, которая определяется объемом и формой метал­ лической ванны. Если глубина последней намного превышает ее диаметр, то кристаллы растут в радиальном направлении, что создает благоприятные условия для захвата неметаллических включений осями растущих дендритов и задержания пузырьков газа. При глу­ бине металлической ванны, равной или меньшей радиуса слитка, направленность кристаллизации является осевой, что способствует удалению неметаллических включений. В то же время при чрезмер­ ном уменьшении глубины ванны, что соответствует малой скорости плавления электрода, металл в жидкой ванне становится вязким, а это приводит к ухудшению условий всплывания включений.

Исследования, проведенные для стали ШХ15, показывают [83], что наилучшее качество металла для этого случая получается при глубине ванны, равной половине диаметра слитка. Интенсивность удаления включений и примесей определяется приведенной поверх­ ностью реагирования, представляющей собой произведение геоме­ трической поверхности на время контакта металла со шлаком. Жидкий металл при ЭШП соприкасается со шлаком во время рас­ плавления на электроде и каплеобразования, капельного переноса жидкого металла через шлак и во время нахождения металла на поверхности жидкой металлической ванны. Исследования показы­ вают [84], что степенью рафинирования металла при капельном пере­ носе можно пренебречь по сравнению со степенью рафинирования на границах электрод—шлак и шлак—металлическая ванна.

в шлак. При недостаточном заглублении капли жидкого металла могут контактировать с атмосферой в кристаллизаторе, при этом возникнут дуги и микродуги между электродом и расплавленным шлаком, резко возрастает окисление металла, приводящее к значи­ тельному увеличению содержания кислородных и окисных неметал­ лических включений в слитке. Необходимое заглубление электрода

вшлак может быть достигнуто при определенной скорости плавления

иприменении определенного количества шлака. Увеличение заглуб­ ления электрода приводит к улучшению условий очищения металла, так как при этом увеличивается приведенная поверхность реагирова­ ния металла на конусе.

Плотность металла и направленность кристаллизации электрошлакового слитка определяется положением фронта кристаллизации,

т. е. глубиной и формой жидкой металлической ванны. Глубина и форма металлической ванны в разной степени зависят от электри­ ческой мощности, силы тока и напряжения, температуры шлака и затравки, скорости плавления и диаметра электрода, химического состава наплавляемого металла, количества шлака и других пара­ метров электрошлаковой плавки.

Характеристиками жидкой металлической ванны являются ее

рактеристикой теплового поля ванны металла. Исследования пока­ зывают [86], что величина Кф, м при постоянных диаметрах кристал­ лизатора и электрода определяется межэлектродным расстоянием.

Коэффициент фронта кристаллизации характеризует направлен­ ность кристаллов в слитке. Для получения определенной направлен­ ности кристаллизации слитка следует иметь некоторую однозначно задаваемую глубину конической части металлической ванны, это опять-таки достигается соответствующим выбором скорости плавле­ ния и межэлектродного промежутка.

Применение переменного тока для питания печей ЭШП повышает металлургические и электротехнические возможности процесса. Следует отметить, что электрошлаковый процесс можно осуществлять не только по однофазной схеме, но и по трехфазной, т. е. с тремя расходуемыми электродами в одном кристаллизаторе.

Переплав трех расходуемых электродов в одном кристаллизаторе по сравнению с однофазным вариантом ЭШП имеет преимущество, которое заключается в большем распаде электрода и, следовательно,

162

равномерном выделении тепла в шлаковой ванне. Это обеспечивает более пологую жидкую металлическую ванну и лучшие условия кристаллизации электрошлакового слитка.

2. Характеристика установок электрошлакового переплава как объекта регулирования

Получение высококачественного металла в установках ЭШП определяется точным соблюдением заданного электрического и тех­ нологического режимов. Функцию управления процессом переплава выполняют системы автоматического регулирования (САР). Технико­ экономические показатели и качество металла в установках ЭШП в значительной степени зависят от параметров САР. Электрошлако­ вый переплав является периодическим процессом, который можно подразделить на три основных периода;

1)разведение шлаковой ванны;

2)переплав электрода;

3)выведение усадочной раковины.

В течение первого периода длительностью около 20—30 мин происходит расплавление шлака, засыпанного в кристаллизатор. Этот период характеризуется наличием электрической дуги, горя­ щей между концом металлического электрода и затравкой на под­ доне. На дне кристаллизатора постепенно накапливается расплав­ ленный шлак. По мере расплавления шлака конец электрода погру­ жается в электропроводную шлаковую ванну, которая шунтирует дугу. Дуговой разряд прекращается и дальнейшее выделение тепла происходит в шлаковой ванне при прохождении электрического тока как по обычному сопротивлению.

Период наведения шлаковой ванны характеризуется весьма нестабильным электрическим режимом, происходят частые обрывы дуги и короткие замыкания. Это объясняется тяжелыми тепловыми условиями горения дуги и непостоянством дугового промежутка. Чтобы обеспечить устойчивый режим во время наведения шлаковой ванны, САР должна иметь достаточную скорость перемещения элек­

возмущений. Особой точности поддержания заданного электриче­ ского режима в этот период не требуется.

Период переплава расходуемого электрода отличается спокойным электрическим режимом, толчки тока отсутствуют. Основным воз­ мущающим воздействием, нарушающим заданный электрический режим, является сплавление электрода. В этот период необходима большая точность поддержания заданных параметров режима пере­ плава. Основное требование, предъявляемое к САР — высокая чувствительность системы, минимальная зона нечувствительности.

Период выведения усадочной раковины характеризуется посте­ пенным уменьшением силы тока установки ЭШП. Электрический режим при этом мало отличается от режима переплава расходуемого электрода. Однако условия регулирования менее благоприятны,