Содержание
Введение
1. Вакуумные дуговые печи
2. Установкиэлектрошлакового переплава
3. Электронно-лучевые установки
4. Установки плазменно-дугового переплава вводоохлаждаемый кристаллизатор
5. Вакуумныеиндукционные печи
Заключение
Используемая литература
Введение
К плавильному оборудованию цехов специальной электрометаллургииотносятся вакуумные дуговые печи (ВДП), установки электрошлакового переплава(ЭШП), электроннолучевые установки (ЭЛУ), плазменные установки и вакуумныеиндукционные печи (ВИП). Все перечисленные плавильные агрегаты, кроме ВИП, предназначеныдля переплава литых или кованых заготовок в медный водоохлаждаемыйкристаллизатор с целью улучшения качества металла. Особенностью большинства изперечисленных агрегатов является наличие в плавильной зоне вакуума илинейтральной атмосферы (обычно аргона), что позволяет эффективно удалять изпереплавляемого металла газы и неметаллические включения, а также обеспечиватьминимальный угар легирующих элементов.
1. Вакуумные дуговые печи
электросталеплавильныйцех печь оборудование
Промышленное освоение этих печей относится к периоду 1953—1954 гг.Если первые слитки, выплавленные в ВДП, имели диаметр 100—150 мм, то внастоящее время, например в ФРГ, выплавляют стальные слитки диаметром 1500 и1800 мм и массой 50 и 200 т соответственно.
Наибольшее распространение в настоящее время получили ВДП, вкоторых дуга горит между зеркалом расплава и расходуемым электродом,изготовленным из предназначенного для переплава металла. Оторвавшиеся отрасходуемого электрода капли расплавленного и перегретого металла формируются вслиток в металлической водоохлаждаемой изложнице-кристаллизаторе (рис. 1, а). Этообеспечивает направленную кристаллизацию слитка и получение зерен сотносительно мелкой структурой. В результате вакуумного дугового переплава сталейв зависимости от их химического состава содержание кислорода в составенеметаллических включений в металле снижается на 30—65 %, содержание азотауменьшается на 25-30%, водород удаляется полностью, испаряются вредные примесицветных металлов, таких как свинец, висмут, сурьма.
Все это улучшает механические свойства металла: пластичность,усталостную прочность, ударную вязкость. В, ВДП преимущественно используетсяпостоянный ток прямой полярности, при которой переплавляемый электрод служиткатодом, а металл наплавляемого слитка анодом. Это обеспечивает болееустойчивое горение электрической дуги.
Источником тепла в ВДП является мощный электрический разряд, длякоторого характерными являются большая сила постоянного тока и сравнительнонизкое напряжение 20—ЗОВ Межэлектродный промежуток заполняется парамипереплавляемого металла и выделяющимися из него газами.
Процесс плавки в ВДП осуществляется в следующейпоследовательности. На поддон кристаллизатора укладывают затравку(металлическую шайбу). К подвижному штоку, жестко связанному сэлектрододержателем, присоединяют (приваривают) расходуемый электрод.Химический состав металла затравки и расходуемого электрода должен бытьодинаковым. Уплотняют плавильную камеру печи и откачивают вакуумными насосамивоздух. Получив необходимый вакуум (0,06 Па), включают печь, т.е. подают наэлектроды напряжение, и опускают расходуемый электрод к затравке до зажиганиядуги. По окончании плавки печь отключают, разгерметизируют плавильную камеру иизвлекают из кристаллизатора готовый слиток.
/>
Рис. 1. Схема (а) и общий вид (б) дуговой вакуумной печи
типа ДСВ-11-2-Г37
1- расходуемый электрод; 2- рабочая (вакуумная) камера; 3-кристаллизатор;4- слиток; 5- откачная система; 6- проходное вакуумное уплотнение; 7-токоведущий шток; 8- механизм передвижения электрода; 9,10,11- соответственно механизмыподъема, разгрузки и выката кристаллизатора
По принципу действия ВДП с расходуемым электродом разделяются напечи для плавки в глухой кристаллизатор и печи с вытягиванием слитка по мереего наплавления. При выплавке стали преимущественно применяются ВДП с глухимкристаллизатором.
Общий видпромышленной печи ДСВ-11.2-Г37, предназначенной для плавки стального слиткамассой до 60 т, показан на рис. 1,6.
Отечественной промышленностью освоено производство печей серии ДСВдля выплавки стальных слитков массой от 1 до 60 т.
ВДП с глухим кристаллизатором включает следующие основные узлы:вакуум-камеру, кристаллизатор, шток электро-додержателя с механизмом подачипереплавляемой заготовки, механизм подачи кристаллизатора с расходуемымэлектродом в вакуум-камеру и разгрузки слитка из кристаллизатора, вакуумнуюсистему. Одним из основных узлов ВДП является вакуум-камера, в которойразмещается расходуемый электрод. Вакуум-камера представляет собойводоохлаждаемый герметичный сосуд с двойными стенками. К вакуум-камере снизукрепят кристаллизатор, который является наиболее теплонагруженным и взрывоопаснымузлом печи (рис. 1). Он состоит из внутренней гильзы и наружного кожуха, междукоторыми имеется полость для протока воды. Гильза изготовляется из металла свысокой теплопроводностью — меди или хромистой бронзы БрХ-0,8 и имеет толщинустенки 30—40 мм. Наружный кожух кристаллизатора изготовляют обычно из немагнитнойстали. Ширину водяного зазора выбирают такой, чтобы обеспечить достаточнуюскорость воды при отсутствии кипения и выпадения солей жесткости. Максимальнаявеличина удельных тепловых потоков, воспринимаемых стенками кристаллизатора,составляет при выплавке стали 510—1300 кВт/м2.
Геометрические параметры печи зависят от массы и размеров слитка.При переплаве расходуемого электрода получают, как правило, цилиндрическиеслитки, что объясняется простотой их механической обработки при обдиркеповерхности. Наряду с цилиндрическими выплавляют слитки квадратного ипрямоугольного сечений.
Параметрами печи, определяющими ее габариты, особенно по высоте,являются длина слитка и соотношение длины и размеров сечения. На выбор этихпараметров влияют следующие факторы:
1) возможность передела выплавленных слитков методами пластическойдеформации. С этой точки зрения отношение длины слитка к его диаметру не должнопревышать 2,5-3 для слитков, подвергаемых ковке и прессованию. При прокатке насорт это отношение может быть увеличено до 4-5;
2) изготовление расходуемых электродов. Стальные электродыизготавливаются посредством прокатки, ковки или отливки в изложнице илиполунепрерывным методом. Длина их может быть достаточно большой;
3) удаление газов из зоны их максимального выделения. При большойдлине кристаллизатора промежуток между ним и электродом начинает снижатьпроводимость системы откачки и дегазация металла в начале плавки ухудшается.Это особенно заметно при высоком вакууме (0,133—0,00133 Па);
4) производительность печи. Для улучшения этого показателяцелесообразно максимально увеличивать длину, а следовательно, и массу слитка.
Увеличение длины слитка требует увеличения длины кристаллизатора иштока, что приводит к пропорциональному росту высоты цеха, стоимости изготовленияпечи и монтажа ее в цехе. Для стальных слитков, подлежащих ковке илипрессованию, отношение длины к диаметру слитка не должно превышать 2,5-3,0. Длястальных слитков, прокатываемых на сортовую заготовку, это отношение следуетувеличить до 4—5. Масса расходуемого электрода определяется массой слитка иостатка (огарка) электрода после плавки, а размеры электрода — выборомсоотношения диаметра электрода и кристаллизатора. Решающее влияние на диаметррасходуемого электрода обычно оказывает возможность его изготовлениясовременными средствами. При выборе сечения следует учитывать кривизну электродов,возможности центровки и крепления огарка, качество приварки к огарку. Неследует допускать уменьшение зазора между электродом и кристаллизатором менее30—60 мм, увеличивая его при росте диаметра кристаллизатора. При чрезмерномалом зазоре может произойти переброс дуги на стенку кристаллизатора. Следуеттакже учитывать проводимость зазора с точки зрения откачки газов из зоны дуги.
Приведенные соображения показывают, что целесообразно иметьсоотношение диаметров электрода и кристаллизатора максимально близким кединице, ограничивая его лишь возможностями откачки и исключением перебросадуги. На большинстве промышленных печей величина зазора составляет при переплавестали 30—60 мм.
2. Установки электрошлакового переплава
Способ электрошлакового переплава (ЭШП) был впервые разработан вИнституте электросварки имени Е.О. Патона АН УССЕ и внедрен в промышленныхусловиях в 1958 г. Сущность процесса ЭШП состоит в переплаве металларасходуемого электрода в слое электропроводного флюса (шлака), размещенного вводоохлаждаемом металлическом кристаллизаторе, который устанавливается на водоохлаждаемыйподдон (рис. 2)
/>
Рис.2. Принципиальная схема однофазной установки ЭШП (а) ираспределение
теплав шлаковой ванне при использовании флюса АНФ-6 (б): 1 — расходуемый электрод; 2— водоохлаждаемый кристаллизатор; 3 — расплавленный шлак; 4 — слиток; 5 — ванна жидкогометалла; 6 — шлаковый гарнисаж;7 — понижающийтрансформатор; 8 — поддон
Переменный ток проходит через электрод и шлак, который при высокойтемпературе становится электропроводным и разогревается до 1600—2000 °С. Засчет выделения мощности в шлаковой ванне температура последней поддерживаетсяболее или менее постоянной (1700—2000 °С).
Часть тепла шлаковой ванны передается погруженному в нее торцуэлектрода, который оплавляется, а капли металла, проходя через шлак, очищаютсяот вредных примесей. Химический состав применяемых флюсов отличается высокойосновностью. Наплавляемый в водоохлаждаемый кристаллизатор металл формируется вплотный слиток с однородной макроструктурой, отличающейся ровной гладкойповерхностью, которая не требует дополнительной механической обработки(обдирки) перед прокаткой, ковкой. Хорошая поверхность слитка, получаемого вустановках ЭШП, связана с образованием на поверхности кристаллизатора шлаковогогарнисажа.
Высокая основность и температура шлаковой ванны обеспечиваютвысокую степень удаления серы (от 0,015—0,02 до 0,003—0,006%). Кроме того, при электрошлаковомпереплаве из металла удаляются газы и неметаллические включения. Так, еслисталь не содержит нитридообразующих элементов (титана, ниобия), то содержаниекислорода снижается в 2 раза, водорода — в 1,5—2,0 раза, азота — в 1,5—2,5раза, общее содержание неметаллических включений — в 2—Зраза. Необходимоотметить, что степень удаления газов при электрошлаковом переплаве сталименьше, чем при вакуумно-дуговой плавке.
Процесс плавки включает следующие операции: вспомогательные(разгрузка слитка из кристаллизатора, установка расходуемого электрода и соединениеего с головкой электрододержателя), наведение шлаковой ванны, наплавлениеслитка в кристаллизатор и выведение усадочной раковины. Шлаковая ванна можетнаводиться с применением твердого или предварительно расплавленного флюса. Длярасплавления твердого флюса непосредственно в кристаллизаторе применяютспециальные электропроводящие в холодном состоянии смеси. При этом перед загрузкойсмеси на медный поддон кристаллизатора укладывают затравку — шайбу изуглеродистой стали. Расход флюса независимо от способа наведения шлакасоставляет обычно 3-5 % массы слитка.
Таблица 14. Состав и свойства флюсов для установок ЭШП
Марка
флюса Химический состав, %
Температура
плавления,
°С
Плотность,
т/м3
Удельное
электрическое
сопротивление,
Ом • м CaF2 А12О3 СаО MgO АНФ-1П 95 _ 5 _ 1390-1410 2,25 0,0015-0,002 АНФ-6 70 30 — 1320-1340 2,47 0,003-0,0035 АН-291 18 40 25 17 1450 2,64 0,0037-0,004
В конструктивном отношении установки ЭШП относительно просты посравнению с ВДП, так как они работают в основном на воздухе и не требуютгерметичности и сложных вакуумных откачных систем. Установка ЭШП включаетследующие узлы: кристаллизатор, стойку-колонну, по которой с помощьюспециального механизма перемещается каретка элект-рододержателя или кристаллизатор,электрододержатель с механизмом зажима электродов, поддон, тележку дляустановки и отката кристаллизатора, устройство для сифонной заливки шлака в кристаллизатор(рис. 45).
/>
Рис.3. Схема (а) иобщий вид (б) однофазной
одноэлектроднойустановки ЭШП
1— электропечной понижающийтрансформатор; 2 —расходуемый электрод; 3— кристаллизатор; 4 — ванна жидкого шлака; 5 — шлаковая корочка (гарнисаж); 6— слиток; 7 — тележка длявыката слитка; 8— механизм подъема каретки; 9— каретка; 10— механизм передвижения несущейконструкции; 11 — стойка; 12— несущая конструкция
Нижняя часть стойки-колонны используется как канал вентиляционнойсиитемы для отсоса выделяющихся из кристаллизатора газов и пыли.
Установки ЭШП нашли широкое применение в металлургии имашиностроении для получения слитков сплошного сечения цилиндрической,квадратной и прямоугольной форм (табл. 15). Наряду с получением слитковсплошного сечения метод ЭШП применяют, как было сказано выше, для выплавкиполых слитков. Для этого созданы специализированные установки ЭШП. Схемавыплавки полых слитков с расположением электродов в кольцевом зазоре,образуемом наружным и внутренним кристаллизаторами (дорном), является наиболеераспространенной. При выплавке относительно коротких полых слитковцелесообразно иметь внутренний кристаллизатор, подвижный относительно наружногокристаллизатора и поддона. Если внутренний кристаллизатор остается по ходуплавки неподвижным, то в этом случае поддон со слитком и наружнымкристаллизатором должен подниматься вверх (рис. 47, в).
Методом электрошлакового переплава получают также фасонные литыеотливки ответственного назначения. Технологические возможности ЭШП велики, иони еще себя полностью не исчерпали.
3.Электронно-лучевые установки
Электронно-лучевые установки (ЭЛУ) начали получать развитиес середины 50-х годов. Они предназначены для глубокого рафинирования стали исплавов, а также тугоплавких металлов, таких как молибден, ниобий, тантал,цирконий, вольфрам. В электросталеплавильном производстве наибольший эффектполучают при выплавке в ЭЛУ конструкционных высокопрочных, штамповых, некоторыхинструментальных, подшипниковых, коррозионностойких и жаропрочных сталей.
Электронно-лучевой нагрев основан на преобразованиикинетической энергии разогнанных до больших скоростей (от 50 до 100 км/с) электронов в тепловуюпри их соударении с поверхностью нагреваемого объекта, которым в плавильныхустановках является металл. При этом электрическая энергия превращается втепловую в очень тонком поверхностном слое металла, от которого теплораспространяется вглубь теплопроводностью и конвекцией, если нагреваемый металлнаходится в жидком состоянии. Источником электронов является нагретый дотемпературы > 2000 °С катод, который выполняется из вольфрама. Нагрев катодаобеспечивает процесс термоэлектронной эмиссии. Катоды могут быть прямого или косвенногонагрева. При прямом нагреве катод в виде проволоки нагревается принепосредственном пропускании через него тока от индивидуального накальноготрансформатора. При косвенном нагреве катод нагревается излучением отспециального нагревателя, получающего питание от накального трансформатора.Катод косвенного нагрева выполняется в виде сферической или эллипсоидальнойповерхности, что обеспечивает наиболее эффективное формирование электронноголуча. Это обусловливает преимущества катодов косвенного нагрева по сравнению скатодами прямого нагрева.
Ускорение электронов осуществляется поддействием электрического поля высокого напряжения постоянного тока (ускоряющеенапряжение), которое прикладывается с одной стороны к катоду (минус), а сдругой — к аноду (плюс). Поток электронов от катода к аноду определяет собойвеличину так называемого анодного тока. В плавильных ЭЛУ величина ускоряющегонапряжения составляет 5—40 кВ. Соуда- -рение электронов, имеющих большиескорости, с анодом вызывает рентгеновское излучение, аналогичное тому, котороевозникает в рентгеновских трубках. Это излучение оказывает вредноебиологическое воздействие на обслуживающий ЭЛУ персонал. Поэтому еслиускоряющее напряжение превышает 20 кВ, то принимаются меры по защите персоналаот рентгеновского излучения. При напряжении до 40 кВ уста-, новки размещают встальном кожухе с толщиной стенок не менее 15 мм, а гляделки выполняют изсвинцового стекла толщиной 40 мм. При более высоком ускоряющем напряженииприменяют защиту из свинцовых листов. Формирование потока электронов в виденаправленного луча и нагрев металла осуществляются в глубоком вакууме(10~2-10_3 Па). Для того, чтобы сосредоточить весь поток электронов в нужномнаправлении, применяют фокусирующие и отклоняющие устройства, которые основанына взаимодействии летящих с большой скоростью электронов с электрическим илимагнитным полем. Благодаря этим устройствам удается сконцентрировать потокэлектронов в относительно узкий пучок (луч) и осуществить его развертку наповерхности нагреваемого металла по различным желаемым траекториям.
Устройство для получения электронов,сообщения им больших скоростей и сбора потока электронов в луч с выведением егов плавильное пространство называется электронной пушкой.
ЭЛУ предназначены для переплава металлав виде заготовок в медный водоохлаждаемый кристаллизатор. В качестве исходнойшихты возможно применение также скрапа, гранул, стружки. Слитки формируются вкристаллизаторе с постепенным их вытягиванием. Поверхность слитка имеет низкоекачество, что связано с образованием «короны» вследствие испарения ввакууме элементов и их оксидов и осаждения паров и брызг металла на стенкахкристаллизатора. Все установки электронно-лучевого нагрева имеют мощныевакуумные системы, которые более сложны, чем на других установках (например,ВДП, ВИП), и которые требуют трехступенчатой системы удаления газов с помощьюмеханических форвакуумных, механических или паромасляных и высоковакуумныхпаромасляных насосов.
Установки ЭЛУ по сравнению с ВДПобладают значительно большими возможностями по дегазации металла и удалению изнего неметаллических включений. Объясняется это тем, что в ЭЛУ ванна жидкогометалла в верхней части слитка может выдерживаться в вакууме более длительноевремя, а перегрев металла легко осуществляется в любых целесообразных пределах.Электронный луч позволяет создавать высокую плотность мощности на поверхности'металла (Ю2-109 Вт/см2), которая легко и плавно может регулироваться. В ЭЛУможно управлять процессом кристаллизации слитка за счет изменения скоростиплавки, подводимой мощности и развертки луча на поверхности жидкого металла. ВЭЛУ источник энергии вынесен из' пространства, где осуществляется технологическийпроцесс, и его мощность в отличие от ВДП и ЭШП можно регулировать независимо оттого, что происходит в рабочей камере". Это обеспечивает значительнобольшую гибкость в управлении процессом переплава металла, чем при ВДП и ЭШП.
Вместе с тем следует отметить, чтоширокое применение ЭЛУ в электросталеплавильном производстве сдерживается рядомфакторов, к числу которых относятся: низкие производительность и КПД, сложностьизготовления и высокая стоимость высоковольтных источников питания постоянноготока, сложность изготовления отдельных узлов, необходимость применения сложногои мощного вакуумного оборудования и использования высококвалифицированногообслуживающего персонала. Так, при одинаковой мощности 150-200 кВт массоваяскорость плавки в ВДП составляет 5—10 кг/мин, а в ЭЛУ — 0,4-0,5 кг/мин, т.е. в10-20 раз меньше, общий КПД электронно-лучевой плавки составляет только ~ 10 %.
Для плавильных установокэлектронно-лучевого нагрева наибольшее распространение получили агрегаты саксиальными пушками, единичная мощность которых доходит до 7500 кВт (рис. 50).ЭЛУ с аксиальными пушками характеризуются наличием сильно сфокусированногоконусообразного электронного луча, 'формируемого в пространстве, отделенном отплавильной камеры установки. У мощных аксиальных пушек промышленных плавильныхустановок имеется массивный катод косвенного нагрева, который разогревается дорабочей температуры посредством бомбардировки его электронами отвспомогательного катода К1, выполненного в виде вольфрамовойспирали, нагреваемой за счет прохождения через нее тока от самостоятельногонакального трансформатора. Основной катод К представляет собой вогнутую снизу вольфрамовую линзудиаметром 2,5-4,0 см, что обеспечивает формирование сходящегося электронноголуча. Между вспомогательным и основным катодами приложено напряжениепостоянного тока 3,5-5,0 кВ (основной катод в данном случае по отношению квспомогательному катоду, играет роль анода). Основной анод/1 имеетспецифическую форму, которая обеспечивает прохождение всего электронного пучкаполностью через анодное отверстие. Ускоряющее напряжение 30-40 кВприкладывается к основному катоду (минус) и основному аноду (плюс). Выйдя изосновного анода, пучок электронов попадает в лучепровод Л, соединяющий катоднуюкамеру пушки с плавильной камерой ЭЛУ. Длина электронного луча от основногокатода до поверхности жидкого металла в кристаллизаторе на промышленныхустановках с аксиальными пушками достигает 1-2 м. Назначение лучепроводазаключается в защите катодного узла пушки от попадания в него газов изплавильной камеры. С этой целью лучепровод имеет самостоятельную системуоткачки. Таким образом, в ЭЛУ с аксиальными пушками имеются три автономныесистемы откачки: катодного узла, лучепровода, плавильной камеры. Благодаряэтому в зоне формирования электронного луча поддерживается стабильное остаточноедавление в пределах 5 • 10 2-5 • 10 3 Па, исключаются попадание паров металла ивероятность электрических пробоев, что в конечном счете обеспечивает надежнуюработу катода, стойкость которого составляет сотни часов. Проходя черезлучепровод, электронный пучок расширяется, поэтому для его дополнительногосжатия проводят магнитную фокусировку с помощью магнитных линз М (соленоидов).
В плавильных ЭЛУ с аксиальными пушками,предназначенными для переплава, заготовки могут подаваться вертикально илигоризонтально. Равномерное оплавление заготовок в ряде случаев обеспечиваетсяих вращением. Кристаллизаторы применяются медные водоохлаждаемые. Дляоблегчения вытягивания слитка кристаллизатор в верхней части имеетцилиндрическую форму, а в нижней он расширяется в виде конуса. Механизмвытягивания слитка представляет собой водоохлаждаемый шток с закрепленной нанем затравкой. Шток проходит через вакуумное уплотнение под плавильную камеру,где он соединяется с приводом механизма вытягивания.
В плавильной камере размещаютсяпереплавляемая заготовка, электронные пушки и кристаллизатор. Стенки камерыделаются двойными водоохлаждаемыми. В камеру вварены патрубки для ее соединенияс вакуумной системой. Гляделки для визуального наблюдения за процессомпереплава снабжены поворотным диском с промежуточными защитными стеклами,которые по мере запыления заменяют. Характеристика ЭЛУ, предназначенных дляпереплава стали и сплавов, приведена в табл.16. Установка ЕМО-1200,предназначенная для получения стального слитка массой до 18т, показана на рис.4.
/>
Электроннолучеваяпечь типа ЕМО-1200 с горизонтальной подачей заготовок
1 — электронная аксиальная пушка; 2 — слиток;кристаллизатор; 4— подача заготовок; 5 — вакуумные насосы
4.Установки плазменно-дугового переплава вводоохлаждаемый кристаллизатор
Установки указанного типа предназначены для переплавазаготовок металла, а также гранул и порошка в условиях нейтральной атмосферы — аргона с помощью низкотемпературной — плазмы. Плавка в инертной атмосфере равноценнараскислению и дегазации жидкого металла в вакууме, если парциальное давлениеазота, водорода, паров воды и оксида углерода в атмосфере печи достаточно мало.Наличие водоохлаждаемого кристаллизатора, в котором формируется слиток впроцессе тгереплава заготовки (гранул, порошка), обеспечивает возможностьполучения плотной мелкозернистой структуры металла. Сохраняя достоинстваустановок вакуумно-дугового (ВДП) и электронно-лучевого переплава (ЭЛУ),установки плазменно-дугового переплава (ПДП) в кристаллизатор отличаютсяпростотой конструкции, большей безопасностью в эксплуатации. Плазяатроны этихустановок выполняются только с металлическими катодами из вольфрама. Схемыплазменных яечей для переплава в кристаллизатор с вертикальным и радиальнымразмещением плазматронов показаны на рис. 5.
/>
Рис.5.Схемы плаз-менно-дуговых печей с вертикальным(а) и радиальным (б) размещением плазма-тронов
1 —источник питания; 2 — рабочая камера; 3 — плазма-трон; 4 —переплавляемая заготовка; 5 — кристаллизатор; 6 —слиток
Особенностью указанных печей является их оборудованиесистемой рециркуляции, плазмообразующего газа производительностью до 50 м3/ч и вакуумнойсистемой для удадения воздуха из плавильной камеры. Установки ИЭС им.Е.О.Патона нашли применение для переплава жаропрочных и прецизионных сплавов, атакже подшипниковых, конструкционных и коррозионностойких сталей с вытягиваниемслитка по мере его наплавления из кристаллизатора. Ниже приведена техническаяхарактеристика плазменных печей для переплава в кристаллизатор:Установка .... У-461 У-468 У-550 У-600 Мощность плазматронов, кВт 160 240 2000 1800 Напряжение питания плазматронов, В 40-80 40-80 До 200 До 200 Число плазматронов, шт 4 6 6 6 Максимальный диаметр слитка, мм 100 150 630 650 Максимальная масса слитка, кг 30 130 3500 5000 Скорость вытягивания слитка, мм/мин 0,5-30,0 1,0-10,0 1,5-15,0 2,0-20,0 Высота установки, м 3,52 5,26 10,0 19,35
Площадь плавильной камеры с рабочей
площадкой, м2 10,5 10,5 48,0 48,0
К основнымдостоинствам плазменной печи для плавки в кристаллизатор относятся: возможностьвыплавки слитков различного профиля при дозированной подаче флюса в центрметаллической ванны; наличие перемешивания жидкой ванны за счет воздействия нанего потоков плазмообразующего газа; наличие защитной атмосферы нейтральногогаза.
/>
Рис. 6. Схема (а) иобщий вид (tf)многоплазматронной переплавной плазменно-дуговой печи типа У-600
1 —расходуемая заготовка; 2 — рабочая камера; 3 — плазматроны; 4 — слиток; 5 — кристаллизатор; 6 -механизм вытягивания слитка; 7 — механизм подачи и вращениязаготовки
5. Вакуумные индукционныепечи
Вакуумные индукционныепечи (ВИП) предназначены для плавки и рафинирования высоколегированных сталей,жаропрочных и прецизионных сплавов с низким содержанием углерода с таким расчетом, чтобы во время плавкиподдерживалось остаточное давление 10-1—10-2 Па. ВИП работают на отходахсобственного металлургического производства и чистых металлических материалах.Крупные ВИП иногда вместо твердой завалки используют жидкий полупродукт,выплавленный в других агрегатах (обычно ДСП). По сравнению с другимиплавильными установками специальной электрометаллургии ВИП имеет следующиепреимущества:
1) жидкий металл можно длительное времявыдерживать в вакууме. Это обеспечивает глубокую дегазацию, раскисление иочищение стали от неметаллических включений и примесей цветных металлов;
2) можно выплавлять любые сложные похимическому составу стали и сплавы, наличие электромагнитного перемешиванияметалла создает благоприятные условия для быстрого растворения легирующихдобавок;
3) простота регулирования мощности идозировки энергии обеспечивает быстрый перегрев металла до требуемого уровня свысокой точностью.
К недостаткам ВИП относятся: загрязнениеметалла материалом тигля, холодные шлаки, низкая стойкость тигля (20—50 плавокна промышленных печах).
Электрический КПД вакуумной индукционнойпечи при плавке сталей составляет η = 0,7÷0,8.
В индукционных тигельных печах, ккоторым относится ВИП, происходит естественная циркуляция расплавленногометалла, обусловленная электродинамическими усилиями. Циркуляция металлавозникает при взаимодействии вихревых токов, протекающих в жидком металле, стоком индуктора… Равнодействующая сила, направленная от индуктора на металл,приходится на среднюю часть тигля. Это приводит к возникновению в расплаве такназываемой двухконтурной циркуляции, когда расплав в верхней части ванны выдавливаетсявверх, а в нижней — вниз, образуя самостоятельные контуры движения металла(рис. 55, а). В результате в центре тигля поверхность металлаподнимается, образуя выпуклый мениск.
Интенсивное перемешивание металлаиграет- положительную роль, ускоряя процессы растворения легирующих добавок ивыравнивая температуру в объеме ванны. Наличие мениска относится кнежелательным явлениям, так как шлак перемещается к стенкам тигля, способствуяускоренному разъеданию его футеровки, а в центре металл оголяется, что приводитк увеличению потерь тепла и ухудшению условий протекания реакций между шлаком иметаллом. Эффект перемешивания металла возрастает с понижением частоты иснижается при переходе к более высоким частотам.
Электрическое питание вакуумных индукционныхпечей осуществляется от машинных высокочастотных генераторов,. ти-ристорныхпреобразователей частоты и ламповых генераторов (применяются на лабораторныхпечах). КПД машинных генераторов составляет 70-85%, ламповых 50-70%,тиристорных преобразователей 90-95 %.
Особенностиконструкции вакуумных индукционных плавильных печей
По Принципу работы вакуумныеиндукционные печи (ВИП) выполняются двух типов — периодического иполунепрерывного действия.
Печи периодического действия имеют однувакуум-камеру, где после эвакуации воздуха производится плавка металла споследующей его разливкой в изложницу или форму. После разливки металла печьразгерметизируют для удаления изложницы со слитком, осмотра и ремонта тигля,загрузки шихты. При этом либо отводится в сторону или снимается крышка корпуса,либо отводится корпус вакуумной камеры. После извлечения слитка, чистки тигля изагрузки в тигель новой порции шихты в вакуум-камеру устанавливают порожнююизложницу, печь закрывают, производят откачку воздуха и начинают очереднуюплавку.
Печи полунепрерывного действия имеют тривакуум-камеры: плавильную, загрузочную и разливочную. Иногда разливочная камеразаменяется камерой изложницы. Тогда металл разливают в плавильной камере.Загрузочная и разливочная камеры (или камеры изложницы) отделены от плавильнойкамеры шлюзовыми затворами шиберного типа. Это позволяет проводить, в печи безразгерметизации не одну плавку, а серию плавок, количество которых определяетсястойкостью футеровки тигля (одной кампании тигля).
В печах полунепрерывного действияблагодаря наличию шлюзовых затворов одновременно с плавкой металла в вакууме вплавильной камере в загрузочной камере при атмосферном давлении устанавливаетсякорзина с новой порцией шихты. В разливочной камере в это же время проводятся операциипо извлечению изложниц с залитым в них металлом и установкой изложниц подразливку. Загрузочная и разливочная камеры отделены от внешней средытехнологическими затворами шиберного типа. После проведения всех необходимыхопераций загрузочная и разливочная камеры герметизируются с помощью затворов ииз них эвакуируется воздух. Печи полунепрерывного действия получили широкоераспространение благодаря ряду преимуществ по сравнению с печами периодическогодействия — более высокой производительности из-за отсутствия откачки воздуха изплавильной камеры перед каждой плавкой, более высокой стойкости тиглявследствие уменьшения периодического охлаждения и нагрева при разгерметизацииплавильной камеры, исключения времени на остывание изложниц или форм перед удалениемих из плавильной камеры, уменьшения окисления металла и его загрязнения из-занапуска воздуха в плавильную камеру.
Современная индукционная вакуумная печьполунепрерывного действия вместимостью 2,5 т (ИСВ-2.5-НИ) конструкции ВНИИЭТОпоказана на рис. 7.
/>
Схемавакуумной индукционной электропечи ИСВ-2.5НИ полунепрерывного действиявместимостью 2,5 т конструкции ВНИИЭТО
Печь состоит из плавильной камеры 1сцилиндрической частью 8, внутри которой расположен индуктор стиглем 2. Наклон печи осуществляется цепныммеханизмом 3. Загрузочная камера 7, внутри которой располагается саморазгружающаяся корзина 5, отделена от плавильной камеры вакуумным затвором 4.Корзина сшихтой 5 перемещается с помощью канатногомеханизма 6. Печь снабжена восьмисекционным дозатором 9длязагрузки в тигель по ходу плавки раскислителей и легирующих добавок. Дляудобства обслуживания печи в верхней части корпуса снаружи установлена площадка10. Зачистка тигля производится ломиком 11,расположеннымна глухой крышке 12. Камера изложниц 13прямоугольнойформы соединена с плавильной камерой через вакуумной затвор. Рядом с камеройизложниц установлен специальный стенд, предназначенный 'для установки тележки сизложницами 14 перед их закатыванием в плавильнуюкамеру и после выката их из печи. Печь снабжена самоходной тележкой 15для откатакрышки 16 плавильной камеры 1. Изложницы между плавильной камерой икамерой изложниц перемещаются на тележке с помощью механизма, приводимого вдействие от электропривода. Вакуумная система снабжена форвакуумными ибустерными насосами, которые обеспечивают откачку воздуха из плавильной камеры,камеры загрузки, камеры изложниц и дозатора.
Заключение
Вданном реферате были рассмотрены оборудование и основы технологиипроектирования электросталеплавильных цехов, а также особенности эксплуатации иконструкции плавильного оборудования электросталеплавильных цехов и цеховспециальной электрометаллургии.
К плавильному оборудованию цехов специальной электрометаллургииотносятся вакуумные дуговые печи (ВДП), установки электрошлакового переплава(ЭШП), электроннолучевые установки (ЭЛУ), плазменные установки и вакуумныеиндукционные печи (ВИП). Все перечисленные плавильные агрегаты, кроме ВИП,предназначены для переплава литых или кованых заготовок в медныйводоохлаждаемый кристаллизатор с целью улучшения качества металла. Особенностьюбольшинства из перечисленных агрегатов является наличие в плавильной зоневакуума или нейтральной атмосферы (обычно аргона), что позволяет эффективноудалять из переплавляемого металла газы и неметаллические включения, а такжеобеспечивать минимальный угар легирующих элементов.
Используемая литература
Никольский Л.Е., 3инуровИ.Ю. «Оборудование электросталеплавильныхцехов» Учеб. пособие для вузов. — М.: Металлургия, 1993.- С.272