Электрошлаковый переплав

При электрошлаковом процессе тепло выделяется в результате прохождения электрического тока от электрода через шлак к слитку. Расплавленный шлак представляет собой активное сопротивление, в котором, выделяется большое количество тепла. Под действием этого тепла плавится электрод, находящийся в шлаковой ванне. Капли жидкого металла, проходя шлаковую ванну, образуют металлическую ванну, последовательно кристаллизующуюся снизу в водоохлаждаемом кристаллизаторе. По мере оплавления расходуемого электрода восполняется объем металлической ванны, геометрические размеры которой остаются постоянными. В установившемся режиме массовая скорость переплава электрода равна массовой скорости наплавления слитка (q_З = q_С), при этом общая глубина ванны определяется этой скоростью.

Схема ЭШП для различного соотношения сечений электрода d_З, ислитка d_С показана на рис. 10.9. Процесс ЭШП может быть реализован как при постоянном, так и при переменном токе — одно- или трехфазном, повышенной или пониженной частоты. Использовать можно один электрод сплошного или полого сечения, а также два или больше электродов круглого, прямоугольного или квадратного сечений. Кристаллизаторы предусмотрены различной формы сечения и различной длины, неподвижные или короткие подвижные. Шлак при ЭШП выполняет ряд функций: преобразование электрической энергии в тепловую, рафинирование металла от вредных примесей, защита жидкого металла от окисления, обеспечение благоприятных условий кристаллизации слитка, получение высокого качества поверхности слитка и т.д. Наибольшее распространение при ЭШП получили шлаки на основе фтористого кальция с добавками высокопрочных оксидов. При использовании шлака из рафинированного CaF₂ (АНФ-1П) скорость переплава низкая при большом расходе электроэнергии вследствие высокой электрической проводимости этого шлака. Добавки оксидов (Al₂O₃, SiO₂ CaO, MgO и др.) понижают электрическую проводимость флюорита, обеспечивая более высокие технико-экономические показатели и рафинирующую способность процесса. Широкое распространение получил шлак на основе системы CaF₂ − Al₂O₃ (АНФ-6, 70 % CaF₂ − 30 % Al₂O₃). Замена части фтористого кальция глиноземом значительно повышает удельное электрическое сопротивление шлака, что обеспечивает высокую скорость переплава и низкий удельный расход электроэнергии. Широко используются шлаки фторидно-оксидной системы CaF₂ − CaO (АНФ-7, 80 % CaF₂ − 20 % CaO). Основным недостатком этих шлаков является их склонность к гидратации на воздухе, что предъявляет повышенные требования к условиям их хранения и подготовки к использованию.

В последнее время создают бесфторидные шлаки. Так, разработаны шлаки, состоящие из извести и глинозема с небольшими добавками оксида магния. Однако при достаточно высокой рафинирующей способности они не обеспечивают качественную поверхность слитков. В ряде случаев применяют шлаки с высоким содержанием SiO₂ или FeO для получения металла с низким содержанием углерода, фосфора и других примесей. Представляют интерес кислые шлаки разных составов, а также с оксидами редкоземельных элементов и хлоридов.

Оплавляемый конец расходуемого электрода имеет форму конуса, размеры которого зависят от технологических параметров, в частности скорости переплава. Постоянство размеров оплавляемого конца электрода свидетельствует о равномерном плавлении металла по всей поверхности конуса. На оплавляемом торце электрода образуется пленка жидкого металла, которая движется в волновом режиме. Продолжительность течения пленки на электроде не превышает нескольких секунд. Перегрев металла в пленке над температурой плавления незначителен и не превышает 35−50 °С, возрастая с увеличением скорости переплава и диаметра электрода. Толщина пленки жидкого металла на конусе электрода находится в пределах 0,15−0,5 мм. Ее величина определяется диаметром электрода, химическим составом шлака и металла, скоростью переплава и внешним воздействием (ультразвук, электромагнитное и механическое воздействие).

Оторвавшаяся от электрода капля жидкого металла движется через шлаковую ванну в течение 0,1−0,3 с, при этом отсутствует возможность увеличить продолжительность контакта капли со шлаком. При движении через шлак капля дополнительно нагревается на 30−45 °С, а общий перегрев капель, поступающих в металлическую ванну, может достигать 90−100 °С. Образовавшаяся капля имеет диаметр 5−10 мм, возрастающий с увеличением диаметра электрода независимо от состава используемого шлака. В момент касания металлической ванны запас кинетической энергии капли расходуется на преодоление сопротивления поверхности, в результате чего капля углубляется в металл и перемешивается с ним.

Температура шлаковой ванны при ЭШП сравнительно равномерна и является функцией ее сопротивления и величины тока. Многочисленные исследования показывают, что в шлаковой ванне температура равна 1700−1820 °С, при этом она изменяется от 1550 вблизи стенки кристаллизатора до 1620 °С у электрода. Наибольшая температура шлака установлена между электродом и металлической ванной, а перепад температур шлака по высоте и диаметру кристаллизатора может достигать 100−150 °С. При изменении содержания CaF₂ с 70 до 0 % температура шлака повышается с 1720 до 1920 °С вследствие уменьшения его электрической проводимости.

Температуры расплавленного при ЭШП металла в различных зонах существенно различаются. Если на поверхности раздела конус расходуемого электрода − шлак температура близка к температуре плавления металла, то на поверхности раздела шлак − металлическая ванна она достигает 1700−1800 °С.

В шлаковой ванне происходит интенсивное перемешивание. Движущими силами конвективного перемешивания при ЭШП является электромагнитная сила, определяемая произведением векторов плотности тока и магнитной индукции. Плотность тока наибольшая у электрода в шлаковой ванне, что является основной причиной интенсивного движения шлака, особенно сильного непосредственно под электродом, где поток направлен вниз к металлической ванне. Процесс циркуляции шлака состоит из двух вихревых течений от торца электрода и вверх вдоль боковых стенок кристаллизатора. Скорость движения шлака зависит от величины тока, диаметра электрода и разницы площадей электрода и слитка. Низкие коэффициенты заполнения обеспечивают высокую скорость перемешивания. Максимальная скорость шлака достигает 0,1 м/с, что обеспечивает турбулентный характер его движения. Вязкость бесфторидных шлаков более высокая, чем фторидных, что замедляет их движение. Из-за интенсивного перемешивания шлаковой ванны массоперенос внутри шлака при ЭШП не может быть определяющей стадией физико-химических процессов. Доля электрического тока, идущая на стенку кристаллизатора, может влиять на интенсивность перемешивания шлака и на протекание металлургических реакций. Плотность тока в металлической ванне минимальная, поэтому интенсивность движения металла значительно меньше. При частоте тока 50 Гц поверхность металлической ванны совершает быстрые колебания, на которые накладываются волны от падающих капель металла. Однако количество движения, передаваемое каплями, не влияет существенно на движение ванны. Также очень мал перенос количества движения между шлаком и металлической ванной, поэтому перемешивание в металлической ванне значительно слабее, чем в шлаке, и скорость движения металла составляет (3−5)∙10^-3 м/с. Вращение металлической ванны при ЭШП значительно слабее, чем при ВДП. Пропускание тока через соленоид может вызвать дополнительное перемешивание шлаковой ванны.

При ЭШП качество металла улучшается в результате направленной снизу вверх кристаллизации слитка и эффективного рафинирования расплавленного металла от примесей. Экспериментально установлено, что взаимодействие металла со шлаком на стадии капельного переноса занимает подчиненное положение по сравнению с взаимодействием на границе электрод − шлак и жидкая металлическая ванна − шлак. Процессы рафинирования в основном протекают на торце расходуемого электрода или на поверхности жидкой металлической ванны. Две реакционные зоны с различными температурными условиями, развитая поверхность взаимодействия при относительно малом объеме одновременно расплавленного металла, применение шлаков различных композиций обеспечивают возможность проведения необходимых физико-химических процессов. В результате ЭШП значительно повышается чистота стали от серы, кислорода, природа и характер неметаллических включений изменяются: крупные глобулярные и строчечные включения, характерные для обычной электростали, исчезают, а оставшиеся измельчаются и рассредоточиваются. Это является одним из важнейших преимуществ ЭШП. Исследования показывают, что основная часть неметаллических включений удаляется еще на электроде. В жидкой металлической ванне они существуют в растворенном состоянии, диссоциированные на кислород и элемент-раскислитель и находящиеся почти в равновесном состоянии со шлаком. Затем в процессе кристаллизации образуются новые включения, не имеющие отношения к включениям в электроде. Поэтому межфазные явления в системе металл − шлак − включение не влияют на конечную загрязненность стали ЭШП.

При ЭШП может происходить окисление алюминия и кремния, содержащихся в сталях, при этом использование соответствующих шлаков может способствовать восстановлению глинозема и оксида кальция и повышению концентраций в переплавленной стали алюминия или кальция. Количества фосфора и азота при ЭШП изменяются незначительно, а содержание водорода может значительно возрастать. Последнее обстоятельство имеет большое значение для выплавки крупных слитков из конструкционных сталей, а получение низких концентраций водорода (не более 2 см³/100 г) представляет определенные трудности. В связи с этим в настоящее время уделяется большое внимание этой проблеме.

ЭШП при высокой чистоте переплавленной стали обеспечивает хорошую поверхность слитка, бездефектную макроструктуру, высокий выход годного металла, оптимальные технико-экономические показатели при сравнительной простоте оборудования.

Технология ЭШП должна предусматривать создание благоприятных условий для рафинирования, кристаллизации металла и формирования поверхности слитка. В зависимости or поставленных задач может быть подобрана оптимальная масса слитка, а также его сечение. В частности, развитие в последние годы ЭШП для листовых слитков прямоугольного, сечения позволило обеспечить дальнейшее улучшение структуры и повышение чистоты по неметаллическим включениям, повысить плотность металла.

В связи с развитием атомной энергетики возникла необходимость производства крупных кузнечных слитков массой 100−450 т. В связи с этим были созданы электрошлаковые печи на слиток 160−240 т с диаметром кристаллизатора 2700 мм, создаются печи на слиток до 300 т. Электрошлаковый процесс является единственным методом получения таких слитков, позволяя использовать несколько электродов с их заменой по мере переплава.

Электрошлаковая выплавка крупных кузнечных слитков на токе промышленной частоты связана с высокими индуктивными потерями, которые можно свести к минимуму использованием постоянного тока. Однако недостаточная десульфурация и высокое содержание кислорода препятствуют его применению на установке ЭШП. Поэтому крупные печи работают на частоте 4−10 Гц от тиристорных преобразователей, что позволяет получить коэффициент мощности до 0,98.

Гибкость технологических схем ЭШП позволила приступить в последнее время к переплаву металлизованных окатышей, т.е. минуя традиционные сталеплавильные агрегаты.