Файл: Сергеев, А. Б. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали.pdf

уменьшения общего сопротивления штока его часто выполняют в виде биметаллической конструкции: на­ ружная стальная труба несет механическую нагрузку,

чи электрода в ходе плавки. Вакуумная система обыч­

разрежения и паро-масляных насосов, создающих рабо­ чее давление порядка 10~3 мм рт. ст. Системой трубопро­ водов, снабженных вакуумными затворами, насосы сое­ динены' с камерой печи.

В состав агрегата входит также источник постоянно­ го тока — машинный преобразователь или полупровод­ никовый выпрямитель. От этого источника ток подается к печи при помощи шин и гибких кабелей. Последние применяют для подвода тока к штоку, а также и к каме­ ре печи на печах некоторых типов.

Для наблюдения за плавкой используют два перис­ копа, установленные над смотровыми отверстиями. Изображение зоны плавления (вид сверху) можно прое­ цировать на экран или наблюдать непосредственно че­ рез окуляр перископа. Применяют также и телевизион­ ные системы.

9

Вакуумные дуговые печи оснащают приборами конт­ роля и сигнализации. Непрерывно контролируют такие параметры, как сила тока, напряжение, глубина ваку­ ума, давление и температура охлаждающей воды. Рабо­ ту всех узлов вакуумной системы контролируют с по­ мощью особой мнемонической схемы, в которую вклю­ чены сигнальные лампочки, загорающиеся при соответ­ ствующих состояниях насосов или затворов. В схеме имеется автоматическая блокировка, предупреждающая неверные операции.

Автоматическое управление вакуумной дуговой плав­ кой состоит прежде всего в поддержании на заданном уровне рабочей силы тока, а также длины дугового промежутка. Эти функции выполняются автоматичес­ кими регуляторами, причем длина дуги стабилизируется за счет подачи расходуемого электрода вниз по мере его оплавления.

Система стабилизации сравнивает действительное на­ пряжение на дуге с заданным п подает на двигатель ме­ ханизма перемещения электрода напряжение, пропор­ циональное отклонению.

Кроме описанных узлов, в зависимости от общей конструкции печи в ее состав могут входить и другие де­ тали и механизмы, в частности устройства, обеспечива­ ющие установку электрода в кристаллизатор и извлече­ ние из него готового слитка (механизм опускания и пе­ ремещения кристаллизатора или подъема и поворота верха печи) и т. д. Подробное описание конструкции ва­ куумных дуговых печей приведено в работах [2—5], по­ этому ограничимся лишь кратким анализом тех ее из­ менений, которые произошли за последнее время и ока­ зали существенное влияние на условия эксплуатации пе­ чей и на их производительность.

Можно выделить несколько факторов, предопреде­ ливших быстрое совершенствование и упрощение конст­ рукции вакуумных дуговых печей, применяемых для вы­ плавки стали.

Прежде всего, таким фактором явилось сознание того, что при переплаве стали пет опасности взрыва пе­ чи, существующей при плавке титана и его сплавов. Стремление обеспечить взрывобезопасиость1 заставляло сооружать громоздкие стальные или железобетонные

1 Эта проблема подробно рассмотрена п работе [5].

10

каркасы, что неизбежно накладывало отпечаток на конструцию печи в целом.

В качестве второго фактора, влияющего в последние годы на модернизацию вакуумных дуговых печей, сле­ дует назвать стремление максимально повысить их про­ изводительность. По мере накопления опыта переплава стали выяснилось, что, как правило, невозможно интен­ сифицировать собственно процесс переплава, не ухуд­ шив при этом качество получаемого слитка. Следова­ тельно, рост производительности печи данного размера возможен лишь за счет сокращения вспомогательных операций — так называемого межплавочного простоя. Естественно, что достичь этого можно было лишь путем целенаправленного изменения конструкций печей.

На конструкцию печей, особенно на системы пита­ ния, токоподвода, охлаждения и автоматического управ­ ления, повлиял, кроме того, и рост требований к качест­ ву переплавленного металла, к стабильности и воспроиз­ водимости условий переплава от слитка к слитку.

Благоприятное влияние на совершенствование конст­ рукции вакуумных дуговых печей оказало непрерывное увеличение спроса на металл вакуумной наплавки и свя­ занное с ним строительство большого числа новых агре­ гатов. Оно осуществлялось в течение 60-х годов в СССР

и за рубежом и продолжается в настоящее время. Это, безусловно, облегчало быструю проверку новых конст­ руктивных решений, создало условия для закрепления положительного опыта.

Направления, в которых видоизменялась конструк­ ция вакуумных дуговых печей, молено проследить, срав­ нив характеристику установок, сооруженных зарубеж­ ными фирмами в течение 60-х годов (табл. 1).

Из табл. 1 видно, что начиная с 1964 г. строились лишь так называемые двухстендовые печи, на которых целый ряд операций (извлечение слитка, чистка кри­ сталлизатора, установка электрода) выполняется не во время простоя печи, а в ходе плавки на втором стенде. Наиболее рациональными оказались установки со ста­ ционарными кристаллизаторами (табл. 1, тип 4—6). Они требуют сравнительно небольших площадей, высо­ ты здания и глубины приямков, состоят из малого чис­ ла деталей, что упрощает их изготовление и эксплуата­ цию. Заметным преимуществом таких печей являются стационарные подводы охлаждающей воды к кристал-

11

лена в приямке. После оконча­ ния плавки камера вместе с механизмом перемещения элек­ трода снимается краном и ста­ вится на стенд. Гильза кристал­ лизатора извлекается из приям­ ка, освобождается от слитка и с установленным в нее новым электродом вновь опускается в приямок

13

лпзатору. В результате продолжительность простоя ме­ жду двумя смежными плавками составляет па этих пе­ чах, по данным [13], всего 20 мин.

В последнее время все большее распространение по­ лучают н так называемые агрегаты непрерывного плав­ ления. В их состав входят две отдельных камеры печи с системой токоподвода, крепления и перемещения элек­ трода и кристаллизатором. Остальное оборудование, т. е. источник питания, вакуумная система, приборы автома­ тического управления, попеременно подключается то к одному, то к другому стенду и благодаря этому оно работает почти 100% времени. Быстрота переключения токоподвода и других систем обеспечивается использо­ ванием специальных водоохлаждаемых гидравлических устройств и быстродействующих соединений для вакуумпроводов и автоматики. Все это позволяет начать плав­ ку на втором стенде примерно через 1 мин после выклю­ чения дуги на первом [13].

Применение установок описанного типа особенно вы­ годно в тех случаях, когда переплавляемый металл тре­ бует длительного охлаждения в вакууме или в защитной атмосфере.

Следует особо рассмотреть существующие тенденции к увеличению размеров вакуумных дуговых печей. Мак­ симальная масса получаемого слитка к 1960 г. составля­ ла 6 т. В 1961 г. на заводе фирмы «Мидвэйл Хеппенстолл» (Филадельфия, США) построена печь для слитка массой 27 т. После реконструкции в этой печи получают 45-т слитки диаметром 1520 мм [6, 7]. Позднее на этой же установке были получены и более крупные слитки — 50 и 56 т [8, 9]. Однако за прошедшее с тех пор десяти­ летие в капиталистических странах не было построено ни одной более крупной печи, несмотря на то что фирма «Гереус», например, еще в 1964 г. располагала проекта­ ми агрегатов, рассчитанных на получение слитков мас­ сой 100 и 200 т [14]. Обновление и расширение парка вакуумных дуговых печей за рубежом происходило в те­ чение этого периода главным образом за счет строитель­ ства установок с кристаллизаторами диаметром 800— 1270 мм для слитков массой 10—32 т. Такие печи обеспе­ чивают достаточно высокую производительность при умеренных затратах на горячую деформацию слитков. Дальнейшее увеличение диаметра кристаллизаторов мо­ жет привести не только к росту этих затрат, но и к опре­

14

деленному ухудшению качества металла в связи с изме­ нением условий затвердевания.

Не исключено также, что создание новых крупных установок в какой-то степени сдерживает пример дейст­ вующих в настоящее время сверхмощных агрегатов и, в частности, уже упоминавшейся 45-т печи. Выигрыш производительности, получаемый на этой печи благода­ ря повышенной скорости плавления, в значительной сте­ пени снижается длительным межплавочным простоем, вызванным несовершенством конструкции. Так, по дан­ ным [15], слиток массой 43 т наплавлялся в течение 38 ч,

азатем еще примерно столько же времени охлаждался

вкристаллизаторе. Хотя средняя скорость плавления составляла 1,15 т/ч, производительность печи, вычислен­ ная с учетом межплавочного простоя, вряд ли превышает 0,5—0,6 т/ч. Такая же производительность может быть достигнута на современной двухстендовой печи с кри­ сталлизатором диаметром ~800 мм.

Описанные тенденции к увеличению размеров и изме­ нению конструкции печей ВДП наблюдались и в СССР.

Были созданы новые агрегаты повышенной мощности и производительности. Определилось в некоторой сте­ пени разграничение оптимального размера печей для ма­ шиностроительных и металлургических предприятий. На заводах тяжелого машиностроения, где существует по­ требность в слитках большого сечения, целесообразно устанавливать более крупные печи, в то время как для металлургических заводов, поставляющих металл в виде сортового проката или небольших поковок, нередко ока­ зываются удобнее слитки диаметром 500—800 м.

Стабильность процесса переплава, а следовательно,

икачество получаемого металла во многом зависят от способа автоматического регулирования плавки. В связи с этим как в СССР, так и за рубежом уделяют много внимания созданию надежных систем управления ваку­ умной дуговой печью. Основными функциями этих си­ стем является поддержание на заданном уровне силы тока и длины дугового промежутка. Это обеспечивает необходимое постоянство скорости плавления электрода

итепловых условий как в зоне плавления, так и в ванне жидкого металла. Считают [11], что точное регулирова­ ние длины дуги позволяет улучшить использование теп­ ловой энергии, в результате чего при одной и той же скорости плавления мощность уменьшается на 5—10%.

15