Дуговой шлаковый переплав расходуемого электрода

17.07.2018
В Институте электросварки им. Е.О. Патона разработан новый способ переплава металлического расходуемого электрода электрической дугой, горящей между поверхностью жидкой шлаковой ванны и концом переплавляемого электрода. Этот способ получил название дугового шлакового переплава (ДШП).

О возможности осуществления дугового разряда между металлическим электродом и поверхностью жидкого шлака известно давно. Так, в работе изучался электрический разряд между металлическим проводником и электролитом. Имеются сведения о переплаве расходуемого электрода дугой постоянного тока, горящей на шлак, в камерной печи, которая по существу является печью для вакуумно-дугового переплава. Из-за сложной конструкции камерной печи данная технология не нашла промышленного применения.

В дуговом шлаковом режиме на переменном токе применяют подпитку головной части слитков ЭШП. Однако трансформаторы, которые используются на печах ЭШП, имеют в основном низкое вторичное напряжение (40-90 В), вследствие чего устойчивого дугового процесса в этих условиях достичь не удается.

Проведенные нами опыты показали, что при повышении напряжения до определенного уровня обеспечивается вполне устойчивый дуговой процесс.

Новый способ ДШП объединяет в себе положительные стороны электрошлакового и вакуумно-дугового переплавов. От ЭШП заимствованы простое, дешевое оборудование (бескамерные печи и источники переменного тока); жидкая шлаковая ванна, обеспечивающая рафинирование металла; условия, способствующие формированию хорошей поверхности слитков и позволяющие получать слитки различной формы. В то же время, как при ВДП, в качестве источника нагрева используется электрическая дуга, обеспечивающая высокую концентрацию энергии в зоне плавления металла, а следовательно, высокий КПД тепловой мощности. Имеется возможность удаления из металла водорода. Кроме того, процесс дугового шлакового переплава отличается от ЭШП и ВДП лучшим соотношением электрических параметров (низкие токи и высокие напряжения).

Дуговой шлаковый переплав характеризуется следующими особенностями: процесс осуществляется на переменном токе; электрический режим переплава отличается высокими значениями рабочего напряжения (выше 100 В) и низкими значениями тока (в 2-2,5 раза меньшими, чем при ЭШП); используются обычные, простые по конструкции бескамер-ные печи ЭШП; переплав осуществляется в герметичном кристаллизаторе с регулируемой атмосферой. Герметизация кристаллизатора обеспечивается при помощи флюсового затвора простейшей конструкции.

Первые опыты по дуговому шлаковому переплаву проводили в ИЭС им. Е.О. Патона на электрошлаковой печи У-360. Питание печи осуществляли от двух последовательно соединенных трансформаторов ТШП 10000/1, имеющих на вторичной обмотке четыре ступени напряжения 40,0; 50,7; 60,8; 72,4 соответственно. Таким образом, максимальное напряжение источников питания могло достигать 144 В.

В качестве расходуемых электродов использовали круглые полые и сплошные штанги из стали 35 диаметром 140 мм. Внутренний диаметр полых электродов составлял 20 мм. Их применение позволяло подавать непосредственно в зону плавления газ (аргон либо азот) и изучать влияние того или иного газа на характер электрического разряда, особенности плавления электрода и качество получаемого металла.

Схема дугового шлакового переплава приведена на рис. 1. Опытные слитки выплавляли в круглом кристаллизаторе 0250 мм и квадратном 230 мм. Переплав осуществляли под флюсом АНФ-6, который предварительно расплавляли в графитовом тигель-ковше и затем заливали в кристаллизатор. Высота шлаковой шапки в опытных плавках колебалась в пределах 80...120 мм. В конце плавки отключали напряжение, замеряли длину дугового промежутка и раздевали полученный слиток. Технологические параметры опытных плавок приведены в табл. 1.

Как показали опыты, устойчивый дуговой процесс при выбранном соотношении размеров электрода и кристаллизаторов имеет место при напряжении 105...115 В и токе 2...3 кА.

При дуговом шлаковом переплаве происходит испарение компонентов флюса, преимущественно CaF2 (табл. 2). На стенках кристаллизатора образуется порошкообразный рыхлый конденсат толщиной до 1,5...2 мм и довольно прочная «корона» из компонентов шлака высотой 70...100 мм. Толщина этой короны достигает 3...4 мм. Следует отметить, что, несмотря на значительное испарение компонентов шлака, в частности CaF2, в процессе переплава состав применяемого флюса меняется незначительно и, следовательно, свойства его сохраняются.

Подача азота или аргона в зону плавления электрода не оказывает существенного влияния на электрический режим переплава, а также на характер и скорость плавления электрода.

Замена полых электродов сплошными также не вносит каких-либо существенных изменений в параметры процесса. Это свидетельствует о том, что при данных расходах газа и электрическом режиме имеет место обычный электрический дуговой разряд.

На рис. 2 показан внешний вид конца полого электрода после его переплава в дуговом режиме с подачей через полость азота и без подачи газа. Какой-либо заметной разницы в характере оплавления электрода нет. Огарки электродов имеют плоские торцы, хотя с увеличением напряжения наблюдается тенденция к образованию вогнутой формы оплавленного торца.

Слитки, выплавленные в дуговом режиме (рис. 3), покрыты слоем гарнисажа, толщина которого составила 1,5...2 мм, и имеют гладкую поверхность — такую же, как и при ЭШП.

Наличие жидкой шлаковой ванны в данном случае, также как и при ЭШП, способствует равномерному нагреву поверхности жидкой металлической ванны. Благодаря этому обеспечивается хорошее формирование слитков различного сечения (круглых, квадратных, прямоугольных и т. п.). Это является одним из существенных преимуществ нового процесса по сравнению с вакуумно-дуговым переплавом.

От верхней части опытных слитков были отобраны пробы на химический анализ металла (табл. 3).


Как следует из таблицы, при ДШП имеет место рафинирование металла от серы, в том числе и при создании в кристаллизаторе инертной атмосферы. Угар легкоокисляющихся элементов, таких, как кремний и марганец, практически отсутствует.

Слитки ЭШП и ДШП (см. табл. 1) выплавляли с примерно одинаковой производительностью, с тем чтобы можно было сравнить некоторые технико-экономические показатели.

На рис. 4 представлена макроструктура этих слитков. В том и другом случаях металл плотный, без каких-либо дефектов. Однако глубина жидкой металлической ванны при выплавке слитков методом ДШП значительно меньше, что также является весьма важным преимуществом нового процесса. Данный факт можно объяснить тем, что при ДШП значительная доля тепла выделяется в дуговом промежутке и расходуется в основном на плавление металла и перегрев верхних слоев жидкой шлаковой ванны, в то время как при ЭШП тепловая мощность выделяется непосредственно в слое жидкого шлака, вблизи поверхности раздела шлака и металла.

Сравнительные данные об удельных затратах электрической мощности в процессе выплавки опытных слитков в режиме ЭШП и ДШП, приведенные в табл. 1, свидетельствуют о том, что при дуговом шлаковом переплаве на каждую тонну выплавляемого металла затрачивается в среднем на 30 % меньше электрической энергии, чем при ЭШП.

Выводы


1. Разработанный и опробованный в ИЭС им. Е.О. Патона новый процесс — дуговой шлаковый переплав (ДШП) объединяет в себе ряд положительных сторон процессов ЭШП и ВДП. От ЭШП заимствованы простое оборудование, наличие жидкой шлаковой ванны, источник переменного тока. Использование же электрической дуги в качестве источника тепла обеспечивает высокую концентрацию тепловой мощности в зоне плавления металла и благоприятные условия кристаллизации металла.

2. Дуга переменного тока, горящая при ДШП между поверхностью относительно глубокой шлаковой ванны и металлическим электродом, обеспечивает выгодное соотношение электрических параметров (низкий ток, высокое напряжение).

3. Применяемый при ДШП герметичный кристаллизатор позволяет относительно легко поддерживать в плавильной полости регулируемую атмосферу.

4. Процесс дугового шлакового переплава позволяет получать слитки любой желаемой формы с хорошей поверхностью при меньшей, по сравнению с ЭШП, удельной затратой мощности. Качество металла слитков ДШП при этом удовлетворительное.