Плазменнодуговая печь УП-100 для плавки кусковой титановой шихты

17.07.2018
При производстве титановой продукции образуется значительное количество титановых отходов, большая часть которых используется нерационально. Около 60 % отходов титана используется для производства ферротитана и титановой губки. Это обусловлено тем, что существующая технология производства слитков не позволяет вовлекать в шихту более 30 % отходов от общего веса шихты. Институт электросварки им. Е.О. Патона в течение десяти лет занимается проблемой утилизации титановых отходов путем их непосредственной переработки в слитки. Проведенные фундаментальные исследования в области плазменнодуговой плавки титана, конструкторские и технологические разработки позволили создать ряд схем, которые дают возможность вовлекать в шихту до 100 % титановых отходов. Одна из них реализована на Коммунарском металлургическом заводе, где в течение пяти лет успешно эксплуатируется плазменнодуговая печь У-599 для выплавки слитков-слябов сплава ТВ-4К из 100 % отходов (листовой обрези). В другой схеме заложены более широкие возможности. В качестве шихты используются отходы литья, губка, листовая обрезь и стружка. Эта схема реализована на Запорожском титано-магниевом комбинате. Совместными усилиями ИЭС им. Е.О. Патона, ЗТМК и Института титана в этом году завершили строительство и ввели в эксплуатацию плазменнодуговую печь УП-100, схема которой показана на рисунке. Плазменнодуговая печь УП-100 имеет следующие технические характеристики:

Печь включает следующие основные узлы и агрегаты: плазмотроны, плавильную камеру, кристаллизаторы, механизм вытягивания слитков, шихтовые бункера, вибропитатели, тележку, систему рециркуляции, систему водоснабжения, систему гидропривода, источники питания плазмотронов, систему блокировок и аварийной сигнализации. В печи УП-100 в качестве источника тепла использованы плазмотроны переменного тока типа ПДМ-13РМ, разработанные в ИЭС им. Е.О. Патона. Плазмотрон состоит из водоохлаждаемого корпуса, сопла, катодного узла и защитного устройства. На печи установлено шесть плазмотронов. Шихта переплавляется плазмотронами одновременно в двух кристаллизаторах. Применение переменного тока позволило объединить плазмотроны в две группы — по три на каждый кристаллизатор.

Одним из основных узлов печи является плавильная камера, в которой осуществляются технологические операции по выплавке слитка. Она служит для изоляции жидкого титана от воздействия кислорода, азота и водяных паров воздуха. Плавильная камера работает в очень жестких температурных условиях вследствие тепловых нагрузок от излучения плазменных дуг и расплавленного титана.

В процессе плавки на внутренней поверхности камеры осаждаются гигроскопичные хлориды магния. Они являются причиной образования агрессивных соединений, вызывающих коррозию стенок камеры. Поэтому в качестве материала для ее изготовления выбрали коррозионно-стойкую нержавеющую сталь марки 1Х18Н10Т. Корпус камеры представляет собой сварную оболочку, состоящую из цилиндрической обечайки с эллиптической крышкой в верхней части и фланцем в нижней части. Камера полностью охлаждается водой. К фланцам, расположенным на цилиндрической части камеры, крепятся корпуса вибропитателей, патрубок системы рециркуляции и смотровая система. Нижний фланец камеры служит для присоединения к ней плиты с двумя кристаллизаторами и механизма вытягивания слитка. На фланце установлено разрезное кольцо, которое поворачивается вокруг вертикальной оси камеры. Оно предназначено для фиксации гидрозамков. Поворот кольца осуществляется гидроцилиндром. На крышке камеры имеется шесть отверстий для установки плазмотронов с механизмами регулировки. Механизмом регулировки производится юстировка плазмотрона относительно зеркала ванны для обеспечения равномерного плавления шихты. Механизм регулировки имеет вакуумное уплотнение, которое состоит из набора колец вакуумной резины, фторпластовых и металлических колец. Через это уплотнение плазмотрон вводится в плавильную камеру. Перемещение плазмотрона над поверхностью ванны обеспечивается вращением втулки относительно корпуса. Осевое перемещение вдоль вертикальной оси производится электроприводом. Наблюдение за плавкой осуществляется через смотровую систему. Смотровое окно имеет корпус, кварцевые и свинцовые стекла, привод для смены и чистки стекол. Изображение процесса плавки через окно с помощью объективов «Гелиос-42» и системы зеркал проецируется на экран. Он установлен в пультовом отсеке и вместе с зеркалами собран в специальном металлическом кожухе. Изображение плавки передается в цвете и в натуральную величину.

Одним из наиболее ответственных узлов печи является кристам лизатор. Он предназначен для расплавления в нем шихты, выдержки жидкого металла и формирования поверхности слитка в процессе плавки.

На печи УП-100 предусмотрена установка двух круглых кристаллизаторов одинакового диаметра. Высота кристаллизатора составляет 280 мм. Такая высота обеспечивает образование прочной корочки затвердевшего металла на боковой поверхности слитка при скорости его вытягивания до 40 мм/мин.

Кристаллизаторы установлены на общей плите. Расстояние между ними — 20 мм. Тепловая нагрузка каждого кристаллизатора весьма неравномерна. Его верхний пояс испытывает сильное тепловое воздев ствие, обусловленное контактом с жидким металлом и излучением плазменных факелов обеих групп плазмотронов. В нижней части кристаллизатора, где слиток в результате усадки отделился от его стенок, тепловые потоки меньше.

Через верхнюю часть кристаллизатора отводится 50...70 % мощности, расходуемой на плавление шихты. Кристаллизаторы охлаждаются водой, которая подводится к каждому из них раздельно.

Уровень жидкого металла в кристаллизаторе поддерживается на расстоянии 15...20 мм от верхнего его торца. По мере наполнения кристаллизатора жидким металлом производится вытягивание слитка специальным механизмом. Он позволяет вытягивать два слитка одновременно или каждый отдельно. Механизм вытягивания состоит из следующих основных узлов: камеры слитков, приводов, штоков, поддонов, гидрозамков, холодильников, стяжек-колонн. Камера слитков конструктивно выполнена в виде цилиндрической обечайки с эллиптическим днищем в нижней части. Для ее изготовления выбрана коррозионностойкая сталь 1Х18Н10Т. К верхней части камеры приварен фланец, на котором расположены 12 гидрозамков для присоединения механизма вытягиваная к плавильной камере. На боковой поверхности камеры закреплены три направляющие, которые обеспечивают строго вертикальное перемещение механизма вытягивания при сборке печи. В нижней части установлены два люка, предназначенные для чистки камеры и обслуживания поддона в нижнем его положении. Перемещение штоков производится с помощью приводов, которые представляют собой червячно-цилиндрический редуктор с электродвигателем постоянного тока. Число оборотов двигателя регулируется в пределах 150...1500 об/мин. На верхней части штока установлен водоохлаждаемый медный поддон с затравкой из переплавляемого материала. Крепление затравки к поддону выполнено с помощью специальных захватов. Охлаждение слитков производится в двух холодильниках, находящихся в камере слитков. Они выполнены из двух труб различного диаметра, сваренных в нижней и верхней части. Высота холодильника равна высоте наплавляемого слитка.

Шихта, предназначенная для переплава, загружается в ячеистые бункера. Печь снабжена двумя бункерами емкостью по 800 кг каждый. Бункер состоит из следующих основных узлов: корпуса, кассеты, крышки, траверсы, привода перемещения траверсы, промежуточной воронки, гидроцилиндров, предохранительных люков. Бункер выполнен в виде цилиндрической обечайки из нержавеющей стали. Верхний торец обечайки закрывается эллиптической крышкой. К верхней части корпуса приварен фланец, на котором расположены 12 гидрозамков. Подъем и опускание крышки выполняются гидроцилиндром.

На фланце крышки установлены два полукольца с гидроцилиндром. С помощью этих полуколец и гидрозамков производится герметичное соединение крышки бункера с его корпусом. Внутри бункера устанавливается кассета. Она имеет 12 ячеек, в которые загружается шихта. В нижней части ячейки перекрываются крышками, которые удерживаются в закрытом положении специальными крючьями. Открывание ячеек происходит с помощью траверсы. Время полной разгрузки шихты из ячеек в зависимости от скорости плавки составляет 1...6 ч.

Вибропитатель служит для подачи поступающей из бункера шихты в кристаллизатор. В состав вибропитателя входят: корпус, вибролоток и привод. Корпус вибропитателя представляет собой водоохлаждаемую трубу, которая одним концом через фланец крепится к корпусу плавильной камеры. Другой фланец корпуса закрыт диафрагмой из вакуум ной резины. Диафрагма состоит из двух слоев резины. Между слоями для увеличения жесткости установлен титановый диск. Это позволяет производить загрузку шихты как при пониженном, так и при повышенном давлении в плавильной камере. Через диафрагму выведен шток вибро-лотка. Вибролоток подвешен в корпусе питателя на двух серьгах. Он изготовлен из нержавеющей стали. Это предотвращает загрязнение выплавляемого титанового слитка железом. Насыщение жидкого титана железом происходит при использовании в качестве материала для вибро лотка углеродистой стали. Внутри трубы расположен вибролоток. Часть вибролотка, заведенная в плавильную камеру и подверженная тепловому воздействию плазменных факелов, изготовлена медной и имеет водяное охлаждение. Частота колебаний вибролотка регулируется изменением числа оборотов электродвигателя. Шихта может подаваться в кристаллизатор непрерывно и порциями. Порционная подача осуществляется в автоматическом режиме по заданной программе.

Установка рециркуляции газа предназначена для непрерывного питания газом источников нагрева (плазмотронов) во время плавки. Установка обеспечивает многократное использование газа с очисткой его от газовых и механических примесей. Она включает следующие основные узлы и агрегаты: компрессорные установки, вакуумные насосы, ресиверы-газосборщики, реакторы поглощения водорода, блок осушки газа и теплообменник, блоки регуляторов давления, шкаф газовых приборов, фильтры, запорно-регулирующую арматуру.

Печь УП-100 позволяет выплавлять слитки непосредственно из кусковой шихты, минуя стадию прессования электродов. Выплавленные в этой печи слитки используются на ЗТМК в качестве расходуемых электродов в вакуумных гарнисажных литейных печах типа «Нева».

Применение плазменнодуговой печи УП-100 в условиях ЗТМК для получения слитков — расходуемых электродов позволяет получить экономический эффект 340 тыс. руб. в год.

Другие новости по теме: