Электродуговой электрошлаковый и индукционный переплав сталей

Обновлено: 15.05.2024

Процесс разработан электрошлакового переплавав СССР институтом электросварки им. Е.О. Патона АН СССР, первая промышленная печь пущена в 1958 г. на заводе «Днепроспецсталь».

Характерной особенностью ЭШП является отсутствие электрической дуги. Электрическая цепь между расходуемым электродом и наплавляемым слитком, к которым подается разность потенциалов, замыкается через слой расплавленного шлака. Шлак в твердом виде ток не проводит, а в жидком состоянии становится электропроводным, но при этом обладает высоким электросопротивлением. На этом участке электрической цепи выделяется значительная часть тепла: Q = kT_lR_x.

Шлак нагревается до температуры 1700 - 2000°С, в результате чего начинает оплавляться погруженный в него конец расходуемого электрода. Металл электрода в виде капель перетекает в жидкую ванну в кристаллизаторе и спустя некоторое время затвердевает.

При нормальном течении процесса ЭШП оплавляющийся торец электрода имеет форму правильного конуса, на вершине которого образуется капля. Отрыв капли происходит в момент, когда гравитационные и динамические силы превысят силы межфазного натяжения. После отрыва капля проходит межэлектродный промежуток за 0,1 - 0,3 с.

Важнейшее влияние на металлургические процессы и электротехнические параметры переплава оказывают состав и свойства шлаков (флюсов).

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 шлаку предъявляют особые требования по химическому составу, физическим и физико-химическим свойствам.

Основные требования сводятся к следующему:

1) Состав шлака должен обеспечивать протекание определенных физико-химических процессов, связанных с рафинированием металла от нежелательных растворенных примесей и неметаллических включений, защиту активных легирующих элементов (Al, Ti и др.) от окисления, стабильность химического состава по высоте наплавляемого слитка.

2) При рабочих температурах теплопроводность шлака должна составлять порядка 1 - 6 Ом -1 см -1 . Слишком высокая проводимость шлака может не обеспечить необходимую концентрацию тепла, а слишком малая - привести к дуговому разряду.

3) Шлак должен быть легкоплавким, иметь высокую температуру кипения и мало изменять вязкость в широком интервале температур, т.е. быть «длинным». Такой шлак образует ровную тонкую корочку гарнисажа и позволяет получить слиток с весьма хорошей поверхностью. Использование тугоплавких «коротких» шлаков приводит к а, а появлению ряда поверхностных дефектов.

4) Шлаки должны отличаться высоким межфазным натяжением на гуру границе с металлом и обладать высокой адгезией к неметаллическим тур, включениям. Это способствует хорошему отделению шлака от металла, предотвращает его запутывание в металлической ванне и обеспечивает хорошее отслоение корочки шлака от поверхности слитка, а также способствует извлечению шлаком неметаллических включений.

Составы шлаков при ЭШП различны; чаще всего используют шлак, состоящий из CaF₂ с добавками СаО, А1₂О₃, SiO₂. Проходя через такой шлак, капли металла очищаются от серы; в них снижается содержание неметаллических включений, а в кристаллизаторе образуется плотный качественный слиток.

Электрошлаковый переплав позволяет получать наплавляемый слиток высокого качества за счет снижения содержания вредных примесей, особенностей кристаллической структуры и однородности по химическому составу.

В настоящее время установлены следующие преимущества электрошлакового переплава перед другими способами получения стали:

1) Хорошее качество слитка, отсутствие усадочной раковины и пористости.

2) Меньшее количество и меньший размер включений.

3) Однородность структуры и химического состава.

4) Высокий выход годного.

5) Возможность регулируемого снижения содержания серы, кислорода, а в некоторых условиях и азот; возможность сохранения легирующих элементов, которые могут быть окислены, таких как кремний и титан.

6) Возможность корректирования состава металла путем применения соответствующего флюса.

7) Общее улучшение характеристик пластичности и ударной вязкости.

8) Улучшение свариваемости.

9) Обеспечение такого качества поверхности, которое исключает необходимость в зачистке поверхности при горячей обработке.

10) Облегчение условий отливки электродов по сравнению с разливкой слитков для непосредственной прокатки.

11) Возможность управления направлением и скоростью затвердевания.

12) Возможность регулирования крупности зерен и величины карбидов, особенно в быстрорежущих инструментальных сталях.

13) Расплавленный металл защищен от атмосферно-
го окисления.

Такое большое число преимуществ процесса ЭШП является следствием большого числа степеней свободы, свойственного этому процессу. Важность степеней свободы в технологии стала приобретать все большее значение по мере усложнения требований к современным продуктам.

Оборудование ЭШП проще и дешевле, чем при ВДП.

Недостатком ЭШП является невозможность организовать в открытом агрегате удаление водорода. В связи с этим широкое распространение получили дуплекс-процессы ВИП–ЭШП и ЭШП-ВДП.

Конструктивно-технологические особенности.

Процесс ЭШП разработан в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН Украины. Практическое распространение метода ЭШП началось с 1958 г. на металлургическом заводе «Днепроспецсталь».

Принципиальная схема электрошлакового переплава представлена на рисунке 5.6

1 – источник питания;2 – слиток; 3 – лунка расплава;4 – кристаллизатор; 5 – электрод; 6 – вакуумная камера; 7 – шлаковая ванна

Рисунок 5.6 - Схема электрошлакового переплава

Существует два типа установок ЭШП: с расходуемым электродом и с нерасходуемым электродом. Суть процесса при этом остается неизменной: капли металла проходят через слой жидкого шлака (через шлаковую ванну). Нерасходуемые электроды, используемые для поддержания требуемой температуры в шлаковой ванне, бывают графитовые или металлические водоохлаждаемые. Проходя через слой жидкого шлака, капли металла попадают или в кристаллизатор, или в огнеупорный тигель. В последнем случае плавка ведется в так называемых установках с керамическим тиглем. Для производства стальных слитков обычно используют процесс с расходуемым электродом и охлаждаемым кристаллизатором.

Расходуемые электроды получают, выплавляя предварительно металл нужного состава в обычном сталеплавильном агрегате (чаще в дуговой сталеплавильной печи) и разливая его на слитки или непрерывно-литую заготовку. Для получения расходуемых электродов необходимых размеров (по сечению) слитки могут подвергаться прокатке или ковке. Получаемые ЭШП слитки имеют обычно развес до 5–6т. В отдельных случаях (например, при получении заготовок для последующего изготовления роторов турбин электростанций) отливаются ЭШП слитки массой 60т и более. В СССР была разработана специальная электрошлаковая технология, позволяющая отливать слитки массой до 300т. Большие слитки массой 200– 300 т (для роторов турбин, валов судовых двигателей и т. п.) выплавляют редко, и заводам нерационально иметь у себя крупные агрегаты для того, чтобы использовать их только несколько раз в году. Поэтому для производства сверхкрупных слитков Институтом им. Е. О. Патона совместно с рядом заводов создан способ, получивший название порционной электрошлаковой отливки (ПЭШО). В отличие от обычного ЭШП, основанного на переплаве расходуемых электродов, способ ПЭШО предусматривает получение слитков непосредственно из жидкого металла. В водоохлаждаемой изложнице с помощью нерасходуемых электродов расплавляется смесь шла-кообразующих компонентов. При этом в изложнице образуется слой жидкого шлака (шлаковая ванна), обладающий высокой рафинирующей способностью (рисунок 5.7, а). Через слой шлака заливают первую порцию стали, полученной в печи, емкость которой равна части емкости изложницы. В период заливки металла погруженные в шлак электроды автоматически поднимаются (рисунок 5.7, б).

Рисунок 5.7 - Схема порционной электрошлаковой отливки

После заливки первой порции металла ведут электрошлаковый обогрев зеркала металла. За счет подводимой мощности зеркало должно оставаться жидким по всему сечению изложницы. При этом залитый металл постепенно затвердевает в направлении снизу вверх, и к моменту заливки следующей порции металла под слоем жидкого шлака остается небольшой объем жидкого металла (рисунок 5.7, в). Металл следующей порции аналогичным образом заливают в изложницу, и он смешивается с остатком жидкого металла первой порции (рисунок 5.7, г). Этот процесс повторяют несколько раз до заполнения всей изложницы. После заливки последней порции металла постепенно снижают электрическую мощность, подводимую к шлаковой ванне, с тем чтобы предотвратить образование усадочной раковины в головной части слитка (рисунок 5.7, д). Интенсивная обработка металла рафинирующим шлаком обеспечивает высокую чистоту металла слитка по сере и неметаллическим включениям. Направленная снизу вверх последовательная кристаллизация металла в изложнице при постоянном наличии сравнительно небольшого объема жидкого металла и высокого градиента температур в металлической ванне ограничивает развитие в слитке зональной ликвации и исключает образование в нем дефектов усадочного и ликвационного происхождения.

Другим технологическим приемом, позволяющим получать высококачественные крупные слитки, является технология, названная ЭШП с расходуемым электродом, согласно которой у отлитого по обычной технологии крупного слитка удаляется осевая зона (здесь металл обычно поражен дефектами вследствие ликвации вредных примесей, неметаллических включений, скопления газов и т. п.). Образовавшуюся таким образом полость в слитке с помощью ЭШП заполняют доброкачественным металлом.

Разновидностью ЭШП является электрошлаковая отливка (ЭШО), для получения которой жидкий металл заливается в водоохлаждаемые кристаллизаторы через слой жидкого шлака. Кристаллизация в этом случае протекает при электрошлаковом обогреве головной части слитков.

а – однофазная; б – трехфазная в одном кристаллизаторе; трехфазная в трех кристаллизаторах

Рисунок 5.8 – Основные виды электрошлакового переплава

Установки ЭШП могут работать и на переменном, и на постоянном токе. Применение постоянного тока было вызвано возможностью использовать электролиз расплава и таким образом добиться очистки металла от некоторых примесей (серы, кислорода, водорода и др.), а также использовать одно и то же оборудование для ЭШП и ВДП. Отечественные установки ЭШП работают на более дешевом переменном токе. Практика показала, что переплав на переменном токе способствует более глубокому рафинированию металла, в частности от серы. Печи ЭШП могут быть однофазными и трехфазными.

Конструкции ЭШП имеют различные схемы перемещения электрода, кристаллизатора и слитка:

1) кристаллизатор и поддон неподвижные, электрод опускается по мере его оплавления. В конструкциях таких печей кристаллизатор имеет большую высоту, чем слиток;

2) кристаллизатор неподвижен, опускаются по ходу плавки электрод и слиток;

3) слиток неподвижен, электрод и кристаллизатор перемещаются навстречу друг другу.

В печах 2-го и 3-го типа применяется короткий кристаллизатор.

Кристаллизатор. Кристаллизатор является наиболее ответственной частью печи. Именно в кристаллизаторе происходит плавление металла, его рафинирование и формирование слитка. Температура шлака во время плавки достигает весьма высоких значений, что обусловливает тяжелые условия работы кристаллизатора. При этом работа кристаллизатора осложняется тем, что через него протекает электрический ток большой силы. Кристаллизаторы разделяются по форме поперечного сечения или фасонного профиля. Вследствие высокой тепловой нагрузки все кристаллизаторы охлаждаются водой.

Поддон является основанием кристаллизатора и, как правило, охлаждается водой. Верхнее основание изготавливают из медного листа толщиной 10 - 40 мм. Кожух - сварной из нержавеющей стали; к нему приварены патрубки для входа и выхода воды. Поддон устанавливается на специальную тележку.

Расходуемый электрод. Чаще всего металл для расходуемого электрода ЭШП получают в ДСП, но экономически в ряде случаев выгоднее выплавлять его в мартеновских печах или конвертерах. Электроды изготавливают методом ковки, прокатки, литья на МНЛЗ и в специальные изложницы. Электроды изготавливают круглого, квадратного и прямоугольного сечения.

Механизм перемещения электродов. Механизм перемещения электродов состоит из электродной тележки, электрододержателя (чаще всего в виде консоли) и привода. В конструкциях отечественных ЭШП применяются в основном электромеханический реечный или цепной механизм перемещения электрода и кристаллизатора. Диапазон регулирования рабочих скоростей привода кристаллизатора 0,02 - 2 м/ч.

Преимущество электрошлакового переплава

Развитие машиностроения, металлургии, горнодобычи, нефтяной, газовой промышленности, нефтехимии, газотурбостроения, авиакосмической техники, ядерной энергетики требует производства специальных сталей и сплавов, способных работать в разнообразных условиях: от температур, близких к абсолютному нулю, до температур в несколько тысяч градусов; в агрессивных средах; при высоких давлениях, при значительных ударных, статических и вибрационных нагрузках и т.д. При этом постоянно возникает необходимость в создании новых металлических сплавов, обладающих специальными свойствами.

Специалистами компании ЭПОС-Инжиниринг были разработаны целые линейки оборудования для решения этих важнейших металлургических задач, что обеспечило заказчикам весомые преимущества перед конкурентами.

Металлургическое качество металла – одна из важнейших характеристик, обусловливающих его работоспособность в конструкции детали или изделии. Многие ответственные детали, узлы и конструкции в настоящее время изготавливаются только из металла высокого качества. К такому виду продукции относятся: подшипники, коленчатые валы, валы-шестерни, прокатные валы, качественный инструмент, штампы и другие детали, от которых требуется высокая прочность, повышенное сопротивление контактной усталости или усталости при повторно-переменных изгибающих нагрузках; сосуды высокого давления, малочувствительные к концентраторам напряжений; роторы паровых и атомных генераторов и другие большегрузные детали энергетического машиностроения с высоким сопротивлением хрупкому разрушению в больших сечениях; нефтехимическая аппаратура, стойкая против коррозии под напряжением в различных агрессивных средах, а также многое другое. Для получения стали высокого качества необходимо, чтобы она соответствовала высокому стандарту чистоты, имела контролируемое содержание и состав неметаллических включений, газов и других вредных примесей, чтобы слиток был, как выражаются, «плотный».

Обычные методы производства сталей и сплавов, даже при достигнутом существенном их усовершенствовании, не могут в полной мере обеспечить уровень качества металла, отвечающий требованиям, выдвигаемым новыми отраслями техники. Решение этой задачи оказалось возможным с появлением но¬вых способов получения слитков, эти способы составляют область спецэлектрометаллургии. Наиболее широкое практическое применение ввиду экономичности и высокой эффективности, получил способ электрошлакового переплава (ЭШП).

Установки ЭШП (электрошлаковый переплав) позволяют значительно повысить качество металла, что вызвано действием следующих факторов:

Отсутствует контакт жидкого металла с футеровкой и воздухом, это позволяет исключить загрязнение металла во время переплава;
Пленочный характер плавления и капельный перенос жидкого металла способствует его интенсивному взаимодействию с рафинирующей средой и очистке металла от газов, примесей и неметаллических включений;
Одновременно и медленно протекающие процессы плавления металла и его затвердевания в водоохлаждаемом кристаллизаторе создают условия для получения квазистационарной жидкометаллической ванны небольшого объёма, что определяет возможность получения роста кристаллов перпендикулярно границе жидкой и твердой фаз, всплывания включений и отсутствие дефектов усадочного и ликвационного характера;
Широкая регулировочная способность по тепловому режиму позволяет обеспечить заданную форму жидкой металлической ванны (а, следовательно, и фронта кристаллизации), что дает возможность получать неизменную по высоте слитка структуру, оптимальную по необходимым свойствам металла с учетом дальнейшего передела слитков.

Сегодня всё большее распространение получают такие методы электрошлаковой технологии, как электрошлаковый переплав в водоохлаждаемый кристаллизатор (ЭШП) и электрошлаковое тигельное литьё (ЭШЛ), электрошлаковая сварка.

Схема процесса электрошлакового переплава, проводимого в кристаллизаторе

Электрошлаковый переплав – это процесс, при котором расходуемый металлический электрод, изготовленный из металла обычного производства, переплавляется в ванне электропроводного синтетического шлака. Электрический ток проходит от электрода в шлак. Под действием джоулева тепла, выделяющегося в жидком шлаке при прохождении через него электрического тока, электрод плавится. Капли жидкого металла, проходя через шлаковую ванну, образуют металлическую ванну, которая, последовательно затвердевая снизу вверх в охлаждаемом кристаллизаторе, образует слиток. По мере сплавления расходуемый электрод подается в шлаковую ванну, непрерывно восполняя объем кристаллизующейся металлической ванны.

Плавящийся металл обрабатывается шлаком, предварительно подобранного химического состава, в трех зонах: на рабочей поверхности электрода, находящейся в шлаке, стекающей пленке металла, на поверхности капель при их прохождении через шлаковую ванну и на поверхности жидкометаллической ванны.

Температурный режим процесса поддерживается за счет управления вводимой мощностью. Все это позволяет избирательно рафинировать практически любые металлы и сплавы. В результате при переплаве стальных слитков содержание серы можно снизить в 2-5 раз, кислорода и неметаллических включений – в 1,5-2,5 раза. Кроме этого, качество получаемого слитка улучшается за счет направленной кристаллизации, обеспечиваемой условиями непрерывного подвода тепла сверху (от электродного металла и шлаковой ванны) при отводе тепла в слиток и стенку кристаллизатора, образованием между слитком и стенкой кристаллизатора шлакового гарниссажа, уменьшающего теплоотвод в горизонтальном направлении и позволяющего получать слитки с гладкой поверхностью.

В результате при ЭШП получают плотные, свободные от дефектов ликвационного и усадочного происхождения слитки с минимальным развитием химической и физической неоднородности. Кроме того, значительно возрастает общая чистота металла.

Установки электрошлакового переплава и литья EPOS-ESR-C

Электрошлаковая тигельная плавка или электрошлаковое литьё (ЭШЛ, ЭШТЛ) – активный металлургический процесс, позволяющий точно, как в классическом ЭШП, эффективно рафинировать переплавляемые металлы и сплавы. Благодаря тому, что перед окончанием тигельной плавки весь металл находится в расплавленном состоянии, существенно упрощаются методы стабилизации химического состава сплава, особенно при наличии в нем легкоокисляющихся элементов. Вопреки установившемуся мнению, он может быть даже более экономичным, в сравнении с индукционным переплавом, при несравненно лучшем качестве отливки.

Принцип работы

Принцип работы:

Переплавляемый электрод устанавливается в электрододержатель установки электрошлакового литья. Далее в плавильный тигель установки засыпается часть шлака, и осуществляется “холодный старт”, либо «жидкий старт» путем заливки предварительно расплавленного флюса в плавильную ёмкость, затем досыпается оставшаяся часть шлака, необходимая на плавку, и осуществляется пуск процесса переплава электрода. Для наведения ванны может быть использовано несколько электродов, в зависимости от параметров исходного сырья. Специальные формы для центробежного или кокильного литья изготавливаются под деталь и группу деталей индивидуально, после выбора изготавливаемых литьем изделий. Рабочая поверхность форм предварительно покрывается огнеупорным слоем по технологии, разработанной организацией, эксплуатирующей установку.

Перед плавкой на машину центробежного литья устанавливается подготовленная форма, включается подогрев формы газовой горелкой, температура формы контролируется датчиком, входящим в состав установки ЭШЛ, после нагрева форма закрепляется.

Технология производства изделий на установке электрошлакового тигельного литья (ЭШЛ) состоит из последовательных операций – подготовки электрода заданной марки стали, подготовки тиглей, флюса, форм для центробежной отливки, электрошлаковой плавки, разливка в центробежную машину, термообработки отливок (отжиг, отпуск), контроля готовых отливок.

Затем форма раскручивается механизмом вращения машины. Наклон тигля на слив осуществляется с помощью механизма наклона тигля (кантователя), входящего в состав электропечи.

После предварительной кристаллизации металла в форме, привод вращения останавливается, с помощью крана форма извлекается из машины и устанавливается на поддон для выбивки отливки. Форма разбирается, изделие помещается в корзину для охлаждения или передается на термообработку.

Разобранная форма переносится на участок для разобранных форм.

Указанная технология позволяет получать отливки сложной формы, по качеству не уступающие отливкам, получаемым на установках электрошлакового литья в водоохлаждаемый кокиль (кристаллизатор).

Предлагаемое оборудование ЭШЛ-ЭПОС

Серийные установки электрошлакового литья ЭШЛ-ЭПОС собственного производства компании «ЭПОС-Инжиниринг» предназначены для получения в тигле жидкого металла ЭШП до 2000 кг, с последующей разливкой в машину центробежного литья.

Установки могут быть поставлены, как совместно с машиной центробежного литья, так и как отдельное оборудование, предназначенное для накопления ванны металла под слоем шлака или электрошлакового переплава в водоохлаждаемый кристаллизатор.

Управление печью выполнено на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК) SIMATIC S7, фирмы SIEMENS. Оборудование системы АСУТП смонтировано в шкафу автоматики и на оборудовании печи.

Установки могут иметь до двух рабочих постов и попеременно работать на левый или правый тигель. В зависимости от выбранного поста, электрододержатель установки, вместе со стойкой (колонной), разворачивается и позиционируется в выбранное рабочее пространство. В свою очередь, тигель установлен в соответствующий кантователь, который при разливке, путем наклона тигля, производит заливку накопленного в тигле металла ЭШП в машину для получения отливок методом вращения. Предварительно в центробежную машину устанавливается соответствующая металлическая форма, фиксируется, и к моменту разливки раскручивается.

Предлагаемые установки электрошлакового тигельного литья в качестве дополнительной опции также предполагают использование нерасходуемого графитового электрода вместо переплавляемого. При такой схеме переплава графитовый электрод служит для подвода электроэнергии к ванне шлака и разогрева шлака, а переплавляемый материал в виде стружки или небольших кусков подается отдельно вручную плавильщиком, либо при помощи специального дозирующего устройства. Такая схема более удобна для реализации переплава отходов мех. обработки изделий.

На нашем оборудовании центробежного литья, кроме фигур вращения, можно получить полые крестовины, сгоны, колена, тройники, и иные изделия сложной формы, в том числе слитки переменного сечения.

Электрошлаковые печи (ЭШП и ЭШЛ) данной серии являются надежными, недорогими и высокоэффективными устройствами для получения высококачественных отливок из рядовых, легированных и высоколегированных сталей и сплавов.

Печи электрошлакового переплава с подвижным кристаллизатором – EPOS-ESR-R

Электрошлаковый переплав, подвижный кристаллизатор, Т-образный кристаллизатор, слитки до 10 т, ресурсосберегающие технологии, современная система управления и контроля, «сухой» трансформатор.

Назначение:

Установки ЭШП-ЭПОС предназначены для электрошлакового переплава различных марок сталей с получением слитков круглого сечения диаметром до 800 мм, в том числе полых цилиндрических слитков с осевым отверстием до 300 мм, высотой до 4000 мм.

Электрошлаковый переплав на предлагаемых установках может осуществляться по методу вытяжки слитков круглого сечения с помощью подвижного короткого кристаллизатора или сплавления переплавляемого электрода в глухой кристаллизатор (изложницу). Для получения полых цилиндрических слитков кристаллизатор снабжен водоохлаждаемым дорном для формирования осевого отверстия.

Для заготовок переплавляемых электродов может использоваться стальной прокат круглого и квадратного сечения, сваренный между собой, для формирования электрода нужных параметров. Могут быть использованы отработавшие ресурс изделия (оси, ролики, валы) необходимого диаметра (или сваренная методом ЭШС сборка). Дополнительно установки могут быть оснащены дозирующем устройством подачи сыпучей шихты, к примеру стружки, которая может использоваться в качестве сырья как совместно с расходуемым электродом, так и отдельно.

Источник питания установки электрошлакового переплава представляет собой силовой электропечной трансформатор, подключенный к внешней питающей двухфазной сети напряжением 10 кВ или 6 кВ, частотой 50 Гц, установленной мощностью в соответствии с сечением получаемого слитка.

Описание установки

Несущей конструкцией установки электрошлакового переплава «ЭШП-ЭПОС» является вертикальная колонна, по которой перемещаются верхняя каретка электрода и нижняя каретка кристаллизатора. Механизмы перемещения кареток расположены непосредственно на платформе кареток (как противовесы консольных нагрузок). Подвеска и передвижение кареток по стойке производится с помощью реечных механизмов с электроприводами. Каретки перемещаются по колонне на роликовых опорах. Установка переплавляемого электрода в электрододержатель с гидроотжимом производится фронтально краном.

Каждая установка рассчитана на работу с несколькими типами кристаллизаторов, с возможными диаметрами получаемых слитков от 200 мм до 800 мм. Кристаллизаторы Т-образной, цилиндрической или прямоугольной формы. Кристаллизаторы Т-образной формы в верхней части имеют шлаковую надставку, что позволяет использовать переплавляемый электрод, близкий или больший по отношению к сечению получаемого слитка, и уменьшить общие габариты установки, исключить смену электрода во время плавки.

Над кристаллизатором устанавливается бортовой газоотсос для равномерного удаления газов, выделяющихся в процессе работы установки, от рабочей зоны. Для удобства обслуживания и уборки слитка вне рабочей зоны установки, установка снабжена тележкой поддона.

Установка, помимо получения слитка методом вытяжки с подвижным кристаллизатором, предполагает возможность использования стационарного (глухого) кристаллизатора, в том числе – переменного сечения, а также различной формы сечения (квадрат, прямоугольник, многоугольник и т.д).

Каждый подвижный кристаллизатор представляет собой набор секций, концентрически собранные в единую конструкцию, которая, в свою очередь, закрепляется на нижней подвижной каретке установки электрошлакового переплава.

Движение кристаллизатора во время процесса ЭШП осуществляется автоматически, в соответствии с алгоритмом, на основании сигналов соответствующих датчиков, с поддержанием уровня ванны жидкого металла. Нижняя подвижная каретка может быть также использована при съеме кристаллизатора со слитка при плавке в кристаллизатор-изложницу.

Установки оснащаются современной системой автоматического управления и контроля за параметрами плавки, разработки компании ООО «ЭПОС-Инжиниринг».

Производство стали в электропечах

В настоящее время для выплавки стали широко применяют электропечи. Основными достоинствами электропечей являются:

возможность быстрого нагрева металла, что позволяет вводить в печь большое количество легирующих добавок;
возможность создать окислительную, восстановительную, нейтральную или вакуумную атмосферу, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений;
возможность плавно и точно регулировать температуру металла.

Поэтому электропечи используют для выплавки высоколегированных, конструкционных, специальных сталей и сплавов.

Плавильные печи

Основное количество электростали выплавляют в дуговых печах. Доля стали, выплавляемой в индукционных печах, в общем объеме выплавки невелика.

Дуговая плавильная печь

Дуговая электропечь состоит из рабочего пространства с электродами и токоподводами и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение электродов и загрузку шихты (рисунок 24). Плавку стали ведут в рабочем пространстве печи, ограниченным куполообразным сводом, снизу сферическим подом и с боков стенками. Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух. Она может быть основной (магнезитовой, магнезитохромитовой) или кислой (динасовой). В съемном своде расположены три цилиндрических электрода из графитизированной массы, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх или вниз, автоматически регулируя длину дуги. Печь питается трехфазным переменным током.

Шихтовые материалы загружают на под печи сверху в открываемое рабочее пространство. После их расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Плавление и нагрев шихты осуществляется за счет тепла электрических дуг, возникающих между электродами и жидким металлом или металлической шихтой.

Для управления ходом плавки в печи имеются рабочее окно и отверстие для выпуска по желобу готовой стали (летка). С помощью поворотного механизма печь может наклоняться в сторону сталевыпускного отверстия или рабочего окна. Вместимость дуговых печей может составлять 0,5 – 400 т. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных – с кислой.
В основной дуговой печи можно осуществить плавку двух видов:

без окисления примесей методом переплава шихты из легированных отходов;
с окислением примесей на углеродистой шихте.

Плавка без окисления примесей

Шихта для такой плавки должна иметь низкое содержание фосфора и меньше, чем в выплавляемой стали, марганца и кремния. Производят нагрев и расплавление шихты. По сути это переплав. Однако в процессе плавки часть примесей окисляются (алюминий, титан, кремний, марганец).

После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак. При необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Затем проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак мелкораздробленный ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Плавкой без окисления примесей выплавляют стали из отходов машиностроительных заводов.

Плавка с окислением примесей

Плавку применяют для производства конструкционных сталей и ведут на углеродистой шихте. В печь загружают шихту, состоящую из стального лома (~90%), чушкового передельного чугуна (до 10%), электродного боя или кокса для науглероживания металла и известь (2-3%) . Затем опускают электроды, включают ток и начинают плавку. Шихта под действием тепла дуги плавится, металл накапливается на подине печи. Во время плавления шихты кислородом воздуха, оксидами шихты окисляются железо, кремний, фосфор, марганец и частично углерод. Оксид кальция и оксиды железа образуют основной железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла.

После прогрева металла и шлака до температуры 1500 – 1550 °С в печь загружают руду и известь и проводят период кипения. Когда содержание углерода будет меньше заданного на 0,1%, кипение прекращают и удаляют из печи шлак. Затем проводят удаление серы и раскисление металла, доведение химического состава до заданного. Раскисление проводят осаждением и диффузионным методом. После удаления железистого шлака в печь подают раскислители (силикокальций, силикомарганец) для осаждающего раскисления. Затем в печь загружают известь, плавиковый шпат, шамотный бой для получения высокоосновного шлака. После расплавления флюсов и образования высокоосновного шлака на его поверхность вводят раскислительную смесь для диффузионного раскисления (известь, ферросилиций, плавиковый шпат, молотый кокс). Углерод кокса и кремний ферросилиция восстанавливают оксид железа в шлаке и содержание его в шлаке снижается.

В этот период создаются условия для удаления из металла серы, что объясняется высоким содержанием СаО в шлаке (около 60%), низким содержанием FeO (менее 0,5 %) и высокой температурой металла. Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимости в печь вводят ферросплавы для получения заданного химического состава металла. Затем выполняют конечное раскисление стали и выпускают из печи в ковш.
В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали. Это конструкционные, инструментальные, жаропрочные и жаростойкие стали.

Индукционная плавильная печь

Печь состоит из водоохлаждаемого индуктора, внутри которого находится тигель с металлической шихтой (рисунок 25). Через индуктор от генератора высокой частоты проходит переменный ток повышенной частоты. Ток создает переменный магнитный поток, пронизывая куски металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи, нагревающие металл до расплавления и необходимых температур перегрева. Тигель может быть изготовлен из кислых и основных огнеупоров. Емкость тигля составляет до 25 т.

В соответствии с заданным химическим составом металла при загрузке тщательно подбирают состав шихты. Необходимое для этого количество ферросплавов загружают на дно тигля вместе с шихтой. После расплавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, а также для защиты его от насыщения газами.

При плавке в кислой печи после расплавления и удаления шлака наводят новый шлак с высоким содержанием SiO2. Металл раскисляют ферросилицием, ферромарганцем и алюминием перед выпуском его из печи. В печах с кислой футеровкой выплавляют конструкционные стали, легированные другими элементами.

В печах с основной футеровкой выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, никеля, титана, алюминия.
Индукционные печи имеют ряд преимуществ перед дуговыми. Основными их них являются:

отсутствие электрической дуги, что позволяет выплавлять сталь с низким содержанием углерода, газов и малым угаром элементов;
наличие электродинамических сил, которые перемешивают металл в печи способствуют выравниванию химического состава, всплыванию неметаллических включений;
небольшие размеры печей позволяют помещать их в камеры, где можно создать любую атмосферу или вакуум.

К недостаткам этих печей можно отнести:

недостаточная температура шлака для протекания металлургических процессов между металлом и шлаком;
малая стойкость футеровки, что приводит к частым ремонтам и остановкам.

Поэтому в индукционных печах выплавляют сталь из легированных отходов методом переплава или методом сплавления чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов.

Читайте также: