Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Электропроводность жидких шлаков не только представляет интерес для изучения их структуры, но и имеет значение для протекания процессов в электросталеплавильных агрегатах. Можно, например, отметить электрошлаковый переплав, при котором нагрев ванны происходит за счет тепла, выделяемого при прохождении тока через шлак.
Электропроводность жидких шлаков может быть обусловлена движением электронов или ионов или одновременно теми и другими частицами. Ионная проводимость в отличие от электронной связана с массопереносом в расплаве и с развитием электродных реакций, т. е. электролизом. Это позволяет определять долю каждой из проводимости по результатам определения выхода по силе тока. Как известно, этот выход равен отношению фактически полученного при электролизе продукта к количеству его, отвечающему закону Фарадея.
Шлаки сталеплавильных процессов обладают преимущественно ионной проводимостью. Значительная доля электронной проводимости бывает лишь при высоком содержании в шлаке закиси железа, для которой такой вид проводимости характерен. Влияние закиси железа на выход по силе тока и соответственно на характер проводимости железо-силикатного расплава исследовал Г. Дердж. При повышении содержания кремнезема в шлаке более 10% происходит резкое увеличение выхода по силе тока, т. е. увеличивается доля ионной проводимости.
Изменение характера и количества ионов определенного сорта может вызвать изменение проводимости. Поэтому электропроводность шлака изменяется с его составом. Известно, например, что частичная замена FeO или МпО в шлаке на СаО в расплавленных силикатах понижает их электропроводность. Это, по-видимому, объясняется меньшей подвижностью относительно крупных катионов Са2+ по сравнению с Fe2+ и Мп2+.
Влияние состава на электропроводность шлаков системы СаО—А12О3—CaFa, представляет особый интерес для электрошлакового переплава.
Проводимость таких шлаков возрастает при обогащении расплавов фтористым кальцием.
С повышением температуры электропроводность шлаков возрастает, причем зависимость эта имеет экспоненциальный характер:
χ = В exp (Eχ/RT),
где В — постоянная, характерная для данного электролита; Eχ—энергия активации.
ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОМ ПЕРЕПЛАВЕ
Электрошлаковый переплав (ЭШП), разработанный институтом им. Е. О. Патона АН УССР, возник в результате усовершенствования электрошлаковой сварки. При сварке деталей под слоем флюса металл сварного шва часто по свойствам превосходит металл электрода. Это послужило основанием для разработки способов переплава электродов большого сечения под специально подобранными флюсами, обеспечивающими наиболее эффективное рафинирование металла, и обеспечило внедрение этого метода в металлургическое производство для получения металла высокого качества.
Характерной особенностью процесса ЭШП является отсутствие электрической дуги. Электрическая цёпь между расходуемым электродом и наплавляемым слитком, к которым подводится разность потенциалов, замыкается через слой расплавленного шлака. Шлак, как известно, в твердом виде ток вообще не проводит, а в жидком состоянии становится электропроводным, но обладает высоким сопротивлением. На этом участке электрической цепи выделяется много тепла, шлак нагревается до температуры 1700—2000° С, в результате чего оплавляется погруженный в него конец расходуемого электрода. Металл электрода в виде отдельных капель перетекает в ванну кристаллизатора и спустя некоторое время кристаллизуется там в условиях направленного сверху вниз отвода тепла и высокого градиента температуры, создаваемого подогревом ванны шлаком сверху и охлаждением поддона и кристаллизатора водой.
При нормальном течении процесса ЭШП оплавляющийся торец электрода имеет форму правильного конуса, на вершине которого образуется только одна капля. На каплю электродного металла действует несколько сил: сила тяжести и электродинамические силы (пинч-эффект), отрывающие ее от электрода, и силы межфазного натяжения, противодействующие отрыву. Отрыв капли происходит в момент, когда гравитационные и динамические силы превысят силы межфазного натяжения. По сравнению с другими переплавными процессами при ЭШП на каплю действует выталкивающая сила, равная весу вытесненного шлака, поэтому масса отрывающейся капли в случае ЭШП больше, чем при других процессах капельного переплава.
После отрыва капля движется вертикально и практически независимо от глубины погружения электрода, электротехнических параметров процесса и свойств шлака проходит межэлектродный промежуток за 0,1—0,3 с. Падающая капля под действием кинетических сил погружается в объем жидкой ванны и вызывает волнообразное колебание поверхности ванны. В результате всплесков ванны в шлак попадают мелкие брызги металла.
Наиболее вероятным местом большинства реакций является поверхность контакта шлака с пленкой жидкого металла на конусе. В то же время процессы, требующие высокой температуры, например удаление серы, протекают в основном на поверхности раздела ванна — шлак, где достигается максимальная температура металла. Взаимодействие металла со шлаком на стадии капельного переноса вследствие малой геометрической поверхности контактирования, малого времени жизни и незначительного перегрева (примерно на 10° С выше температуры металла в пленке) имеет подчиненное значение. Условия кристаллизации металла при ЭШП в общем аналогичны условиям кристаллизации слитка в водо-охлаждаемом кристаллизаторе при других переплавных процессах (ВДП, ЭЛП, ПДП), но наличие над ванной жидкого металла слои перегретого шлака и образование теплоизолирующей корочки твердого шлака на стенках кристаллизатора способствуют более ярко выраженному осевому отводу тепла.
По характеру затвердевания металла слиток ЭШП можно разделить по высоте на три зоны:
По мере наплавления слитка его тепловое сопротивление увеличивается, в результате чего появляется цилиндрическая часть ванны и возрастает доля тепла, отводимого к стенкам кристаллизатора. При чрезмерно глубокой ванне роль радиального отвода тепла возрастает и в верхней части слитка ЭШП могут появиться те же дефекты радиальной кристаллизации, что и в слитках ВДП.
3. Зона выведения усадочной раковины. Постепенным уменьше
нием скорости плавления и подогревом шлака после прекращения
плавления электрода можно полностью исключить образование
усадочных дефектов и получить практически горизонтальную по
верхность верхней части слитка.
Таким образом, повышение качества металла при ЭШП обеспечивается рафинированием его сильно перегретым активным шлаком и осевой последовательной кристаллизацией. Степень рафинирования металла и структура наплавляемого слитка определяются физико-химическими свойствами шлака и металла и тепловым состоянием жидкой ванны, которое в свою очередь определяется электротехническими параметрами процесса, геометрией электрода и кристаллизатора и рядом других факторов.
Важнейшее влияние на металлургические процессы и электротехнические параметры переплава оказывают состав и свойства шлаков (флюсов). В настоящее время наибольшее распространение получили десульфурирующие фтористые флюсы на основе CaF2 с добавками прочных окислов, а также шлаки системы СаО—А12О3. Для глубокого окисления в процессе переплава углерода, фосфора и других примесей используют шлаки с высоким содержанием закиси железа или марганца. В некоторых случаях применяют также шлаки на основе хлоридов или кислые шлаки.
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 нему предъявляют жесткие требования по химическому составу, физическим и физико-химическим свойствам. В основном эти требования сводятся к следующим:
Кроме того, шлаки для ЭШП не должны содержать дефицитные компоненты, должны легко дробиться, не быть слишком гигроскопичными или очень дорогими.
Чаще всего ЭШП применяют для глубокой десульфурации металла, рафинирования от неметаллических включений и получения плотной однородной структуры. В связи с этим наиболее широко используют десульфурирующие шлаки.
Высокой десульфурирующей способностью обладает СаО, но катионы Са2+ образуют с анионами 02~ прочные связи, обусловливающие высокую температуру плавления шлаков на их основе и значительное изменение вязкости при изменении температуры. Поэтому чаще используют шлаки на основе более дефицитного плавикового шпата, к которому для увеличения обессеривающей способности добавляют СаО.
Но CaF2 и СаО обладают высокой проводимостью. Для увеличения электрического сопротивления к ним целесообразно добавлять глинозем, что вызывает образование в расплаве крупных анионов AI3O7"", АЮ!~, АЬО~ и уменьшение проводимости расплава. Шлак, содержащий 25—30% А12О3 и 60—70% CaF2, плавится при температуре примерно 1300° С, а при ЭШП находится в сильно пере-гретом состоянии, благодаря чему становится очень активным.
Нежелательными примесями в шлаках при ЭШП являются лог-ковосстановимые окислы (железа, марганца, хрома, кремния и др.), так как при переплаве металла, содержащего высокоактивные легирующие элементы, окислы восстанавливаются этими элементами, в результате чего содержание титана и алюминия уменьшается по высоте слитка. При наличии над ванной свободного кислорода окислы переменной валентности (окислы железа, марганца, титана и др.) служат, кроме того, переносчиками кислорода из атмосферы в металлическую ванну. На поверхности раздела шлак—атмосфера низшие окислы окисляются до высших, которые затем попадают на границу раздела шлак—металл. Там они вновь восстанавливаются до низших окислов, отдавая кислород металлу. «Перекачиванию» кислорода из атмосферы в металл способствует циркуляция шлака и обновление атмосферы.
Качество переплавленного металла во многом зависит от теплового состояния металлической ванны, тесно связанного с тепловым состоянием шлаковой ванны. К числу факторов, особенно сильно влияющих на тепловое поле, относятся диаметр электрода, химический состав шлака, сила тока и напряжение.
Ванна становится более плоской с увеличением диаметра расходуемого электрода и напряжения на шлаковой ванне и с уменьшением силы тока и сопротивления шлака. При малом отношении диаметра электрода к диаметру кристаллизатора увеличивается неравномерность выделения тепла в шлаковой ванне, основное количество которого выделяется под электродом, и возрастает глубина ванны в осевой части слитка. То же происходит и при уменьшении напряжения, т. е. при уменьшении межэлектродного промежутка. Влияние длины межэлектродного промежутка носит экстремальный характер, так как при чрезмерном удалении конца электрода от поверхности металлической ванны снижается температура металла и качество его ухудшается. Следовательно, имеются оптимальные значения длины межэлектродного промежутка, величина которого мало зависит от состава металла и шлака, а определяется главным образом диаметром электрода. При диаметрах электродов более 150 мм оптимальная длина промежутка равна примерно половине диаметра электрода.
Увеличение силы тока и сопротивления шлака при неизменных прочих условиях сопровождается увеличением скорости плавления и приводит к увеличению глубины ванны и более сильно выраженной радиальной кристаллизации.
КОНСТРУКЦИЯ УСТАНОВОК ЭШП
ЭШП осуществляют, как правило, на воздухе, поэтому по сравнению с установками ВДП, ЭЛП и ПДП установки ЭШП более просты.
Типовая однофазная установка ЭШП (рис. 156) состоит из стойки колонны, по которой при помощи специальных механизмов перемещаются каретки электрододержателя и кристаллизатора, электро-додержателя с механизмом зажима электрода, кристаллизатора, поддона, источника питания и токоподвода, системы охлаждения поддона и кристаллизатора, приборов контроля и управления.
Стойку выполняют обычно в виде пустотелой колонны, в верхнем! части которой перемещается контргруз, связанный с электрододер-жателем тросом, перекинутым через блок; контргруз служит для
Рис. 156. Бифилярная установка для ЭШП стали:
1 — механизм перемещения электродов; 2 — трос контргруза; 3 — стойка; 4 — каретка; 5 — электрододержатель; 6 — кристаллизатор; 7 — тележка; 8 — поддон; 9 — механизм
перемещения кристаллизатора; // — токоподвод; 12 — трансформатор
уравновешивания части веса электрода с электрододержателем, нижняя же часть его используется как канал вентиляционной системы, предназначенной для отсоса выделяющихся из кристаллизатора газов и пыли.
Конструкция кристаллизаторов установок ЭШП в общем аналогична конструкции кристаллизаторов вакуумных дуговых печем, Более равномерное выделение тепла в шлаковой ванне по сравнению с тепловыделением от дуги и тепловая инерция шлаковой ванны создают более благоприятные условия для прогрева металла при ЭШП, что позволяет переплавлять металл не только в круглые, но и в квадратные и прямоугольные кристаллизаторы. Имеются также установки с укороченным кристаллизатором; в них в процессе переплава либо затвердевающий слиток вытягивается из неподвижного кристаллизатора, либо слиток остается неподвижным, а по мере его направления кристаллизатор перемещается вверх. Установки с укороченным кристаллизатором предназначены, как правило, для получения крупных слитков массой в десятки и сотни тонн.
Передельные слитки наплавляют преимущественно в глуходон-ные кристаллизаторы, снизу закрываемые поддонами, аналогичными по устройству поддонам дуговых вакуумных печей. Сверху на кристаллизатор устанавливается коробка (на рисунке не показана), связанная через прорезь в колонне с вентиляционной системой и предназначенная для улавливания выделяющихся из кристаллизатора газов и уменьшения подсоса в кристаллизатор атмосферного воздуха.
Поддон располагается на тележке, перемещающей после окончания плавки и подъема кристаллизатора поддон со слитком в зону действия мостового крана.
Многие новые установки оборудованы устройствами для сифонной заливки шлака в кристаллизатор, устраняющими необходимость в начале переплава расплавлять шлак в кристаллизаторе. В этом случае увеличивается производительность установки и улучшается строение нижней части наплавляемого слитка.
Установки ЭШП могут работать и на переменном, и на постоянном токе. ПримененЙЕГпостоянного тока было вызвано главным образом желанием использовать электролиз расплавленной ванны и та-ким образом добиться очистки металла от некоторых примесей (серы, кислорода, водорода и др.), а также использовать одно и то же оборудование для ЭШП или ВДП. Отечественные установки ЭШП работают на более дешевом переменном токе. Практика показала, чтопереплав на переменном токе способствует и более глубокому рафинированию металла, в частности от серы, что связано с явлением электрокапиллярной вибрации — изменением величины межфазного натяжения на границе металл — шлак при смене полярности. Это изменение вызывает вибрирование поверхности раздела и облегчает переход серы в шлак.
Установки ЭШП на отечественных заводах питаются от силовых трансформаторов. Процесс можно осуществлять по однофазной или трехфазной схеме с расплавлением трех электродов в одном или • трех разных кристаллизаторах. Большинство установок работает по однофазной схеме.
Недостаток обычных однофазных установок заключается в неравномерности загрузки фаз силовой цепи и невозможности выполнить скомпенсированный (бифилярный) токоподвод на участке электрод—кристаллизатор, в результате чего эти установки характеризуются большим индуктивным сопротивлением. Индуктивность трехфазных печей с одним кристаллизатором и расположением электродов по вершинам равностороннего треугольника меньше, но в них нельзя получать слитки прямоугольного и квадратного сечений. Расположение трех электродов в ряд для получения квадратного или прямоугольного слитка, а также переплав электродов в разные кристаллизаторы нарушает компенсацию токоподвода, приводит к переносу мощности между фазами и неравномерному плавлению электродов. Установку приходится отключать после расплавления одного электрода, когда значительная часть двух других еще не переплавлена.
Рис. 157. Схема прохождения тока в электрошлаковых установках с обычным (а и б)
и бифилярным (в) токоподводом:
а — с изоляцией кристаллизатора от поддона; 6 — без изоляции при подвисании слитка; в — с бифилярным токоподводом
В последние годы разработаны установки ЭШП по так называемой бифилярной однофазной схеме. По этой схеме в одном кристаллизаторе переплавляют два электрода одинакового сечения, включенных последовательно и подаваемых в шлаковую ванну с одинаковой скоростью одним электрододержателем с двумя изолированными токоподводами, а к поддону подключают нулевую точку трансформатора. Тем самым обеспечивается бифилярность токоподвода на всех участках, включая и расходуемые электроды, и достигается значительное снижение индуктивности короткой сети. В этом случае значительно увеличивается производительность установки и на 25—30% снижается расход электроэнергии. Это достигается не только в результате улучшения параметров короткой сети, но и вследствие более благоприятного распределения температуры в шлаковой ванне. При ЭШП, проводимом по обычной схеме, значительная доля тока проходит на кристаллизатор (рис. 157, а и б), а выделяющееся при этом тепло уносится охлаждающей водой. При работе по бифилярной схеме основное количество тепла выделяется между электродами и полнее используется на плавление и перегрев металла (рис. 157, е), а по цепи электрод — тело слитка — поддон проходит лишь незначительная часть тока, устраняющая «разбаланс», появляющийся вследствие возможной разницы площади конусов электродов. Это стабилизирует тепловое состояние ванны и устраняет опасность «пробоев» между слитком и кристаллизатором, возникающих при нарушении шлакового гарниссажа и приводящих к появлению дефектов на поверхности слитка.
В последнее время появились многоэлектродные печи ЭШП, позволяющие наплавлять слитки диаметром до 3 м и массой до 250—
Рис. 158. Схематическое изображение многоцелевой трехфазной установки для получения одновременно трех слитков (а) и биметаллической заготовки для прокатных валков (б)
300 т. Потребность в таких слитках невелика, поэтому эти печи целесообразно использовать также для получения обычных передельных слитков.
В СССР разработаны конструкции многоцелевых трехфазных установок, позволяющих получать один слиток массой до 250 т или одновременно 3 или 6 сплошных или полых слитков массой от 70 до 3,5 т (рис. 158). Несколько (6 или 7) неподвижных электродов с суммарным сечением, равным сечению получаемых слитков, переплавляют в перемещающийся по ходу плавки вверх короткий кристаллизатор с широкой верхней частью, в которой находится шлаковая ванна, и с более узкой нижней, в которой формируются наплавляемые слитки. Эти печи можно использовать для получения одной или нескольких заготовок биметаллических или однородных валков прокатных станов или других литых изделий несложной формы (рис. 158, б). Наружный слой металла таких заготовок получают переплавом расходуемых электродов, а центральная часть может быть наготовлена из другого металла. ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕПЛАВА
К электродам для ЭШП предъявляют не такие высокие требования, как к электродам для ВДП, что объясняется более высокой стабильностью теплового режима и возможностью компенсировать попадание в шлак небольшого количества окалины раскислением шлака по ходу переплава. Тем не менее в установках ЭШП не допускается кривизна электродов более 5 мм на 1 м длины, наличие на поверхности глубоких рванин, плен, поперечных трещин и других дефектов, могущих привести к отколу и падению в ванну кусков электрода. Поверхность электродов, как правило, подвергают сплошному травлению или зачистке, а грубые поверхностные дефекты вырубают или зачищают.
К электродам перед их подачей на установку приваривают инвентарную головку (огарок) с захватом для транспортировки краном . в вертикальном положении. Краном электрод подвозят к электродо-держателю установки и на весу зажимают в головке электродо-держателя.
Кристаллизатор и поддон очищают от остатков шлака, корольков металла и налета. На поддон укладывают затравочную шайбу. Если температура охлаждающей воды ниже температуры в цехе, то на поддоне и кристаллизаторе может осаждаться влага; в этом случае перед началом плавки их насухо протирают ветошью.
Существуют две разновидности технологии начала процесса: с твердым или жидким стартом.
В первом случае шлак расплавляют непосредственно в кристаллизаторе. Для этого на затравочную шайбу укладывают несколько витков стружки и засыпают некоторое количество термитной смеси, состоящей из алюминиевомагниевого порошка и калиевой селитры. В качестве наполнителя, тормозящего сгорание смеси, используют рабочий флюс.
Электрод опускают до соприкосновения со стружкой и в зазор между электродом и кристаллизатором засыпают рабочий флюс (3—4% от массы плавки). При подаче напряжения цепь замыкается по стружке, по которой проходит большой силы ток. Стружка оплавляется и воспламеняет термитную смесь. За счет экзотермического тепла реакции и возникающей между электродом и поддоном дуги плавится рабочий флюс. В момент, когда жидкий шлак замкнет цепь между электродом и поддоном, процесс из дугового переходит в электрошлаковый. Внешне это~проявляется в прекращении бросков тока.
Более современна плавка с жидким стартом, когда электрод сразу опускают на определенное расстояние от поддона и к поддону и электроду подводят напряжение. После этого сифоном заливают в кристаллизатор расплавленный в специализированной печи шлак. В момент касания шлака поверхности электрода цепь замыкается и в ней появляется ток. Процесс сразу начинается в электрошлаковом режиме. Спустя 10—15 мин от начала плавки процесс переводят на рабочий режим. При правильно подобранном режиме переплава торец электрода имеет форму правильного конуса с основанием, равным диаметру электрода (или форму правильной призмы при переплаве квадратных и прямоугольных электродов). Если подача электрода превышает скорость плавления, то его торец приобретает округлую форму, а электрод погружается в шлак неоплавив-шейся цилиндрической частью. При подаче электрода со скоростью, меньшей скорости плавления, основание конуса становится меньше сечения электрода, а по горизонтальному поясу электрода на поверхности шлаковой ванны могут появиться электрические дуги.
В процессе переплава допускаются броски тока до 25% от среднего значения и кратковременные (до 30 с) отклонения силы тока от нормального до нуля. Благодаря тепловой инерции шлаковой ванны эти отклонения не представляют такой опасности, как в случае ВДП.
К концу плавки уменьшается длина электрода и, следовательно, его сопротивление. Для поддержания постоянной скорости плавления это требует соответствующей корректировки электрического режима, проводимой по заранее разработанной программе. В конце плавки, не отключая питание установки, прекращают подачу электрода, выдерживают его до оплавления погруженной в шлак части, это сопровождается постепенным снижением силы рабочего тока до нуля. В некоторых случаях между торцом электрода и поверхностью шлаковой ванны возможно появление дуговых разрядов. В этот момент трансформатор отключают, а огарок электрода поднимают.
После окончания плавки слиток выдерживают в кристаллизаторе до полного затвердевания металла и шлака. В зависимости от массы слитка длительность этой выдержки может достигать нескольких часов.
КАЧЕСТВО МЕТАЛЛА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЭШП
Электрошлаковый переплав обеспечивает получение слитков с осевой или радиально-осевой плотной структурой без ликвационных и усадочных дефектов. После переплава содержание кислородных включений уменьшается в 2—3 раза, и включения становятся более мелкими и более равномерно распределяются по всему слитку. Переплав позволяет получать металл, практически не загрязненный сульфидными включениями. В заметных количествах при переплаве удаляются легкоплавкие цветные металлические примеси — свинец, сурьма и др.
В результате повышения чистоты металла повышаются его технологические и эксплуатационные свойства, особенно пластичность, механические свойства в поперечном направлении, длительная прочность при высокой температуре, полируемость, свариваемость и др. Повышение технологической пластичности после ЭШП позволяет дополнительно легировать металл и тем самым увеличивать характеристики жаропрочности.
К несомненным преимуществам ЭШП по сравнению с другим наиболее распространенным способом переплава ВДП относится более простая конструкция установки, возможность работы на переменном токе, высокое качество поверхности слитка, не требующего предварительной обработки перед прокаткой, возможность получения квадратных, прямоугольных слитков или отливок более сложной конфигурации. Стоимость тонны металла ЭШП примерно в 1,5 раза меньше стоимости металла ВДП.
ЭШП лучше других способов рафинировочного переплава подходит для массового производства. В ряде случаев целесообразно сочетать достоинства ЭШП с ВДП, переплавляя металл последовательно на установках ЭШП и в вакуумных дуговых печах.
Первая установка ЭШП, позволявшая получать круглые слитки массой до 300 кг, была установлена на заводе «Днепроспецсталь» в 1958 г. В настоящее время методом ЭШП получают круглые и квадратные слитки для металлургического передела массой до 7 т, прямоугольные листовые слитки массой 10—15 т, кузнечные слитки массой в десятки и сотни тонн, а также различные литые изделия — заготовки для прокатных валков, баллонов высокого давления,
корпусов вентилей, задвижек и другой арматуры для трубопроводов высокого давления. На металлургических заводах у нас в стране и в некоторых других странах работают и строят новые цехи, специализирующиеся только на ЭШП. Методом ЭШП повышают качество не только стали, но и других металлов: бронз, титана и др.