Плавильные печи сопротивления

Плавильные печи сопротивления до недавнего времени не использовались при производстве черных металлов, по­скольку сравнительно высокая температура плавления ста­ли требует и высокотемпературных материалов для изго­товления нагревательных элементов сопротивления, а самые жароупорные из них могут надежно работать до 1250 – 1350°С. Только графитовые нагревательные элементы по­лучили распространение в печах сопротивления косвенного действия (так называемых печах Таммана) для плавки черных металлов в лабораторных условиях.

Разработка Институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР процесса электрошлакового переплава (ЭШП) стали и широкое внедрение этого процесса в про­мышленность создали основу для использования в черной металлургии плавильных печей типа сопротивления с жид­ким рабочим телом. Принцип действия ЭШП основан на расплавлении расходуемого электрода за счет тепла, выде­ляющегося при протекании электрического тока через элек­тропроводную шлаковую ванну, в которую погружен элек­трод (рис. 159). При расплавлении электрода образуется лунка жидкого металла в верхней части слитка, затвердевающего в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе. Для того, чтобы включить такую установку, либо залива­ют на дно кристаллизатора жидкий шлак, либо (реже) на поддон кристаллизатора помещают затравку (стальную пластину), и электрод, подлежащий переплаву, опускают и засыпают твердым шлаком. После этого подают напряже­ние, температура быстро возрастает и шлак плавится.

По мере расплавления шлака электрод приподнимают и режим стабилизируется. Тепло выделяется при протека­нии электрического тока через жидкий шлак, разогревая его до 1750 – 2000°С. Происходят нагрев и оплавление элек­трода, погруженного нижним концом в шлаковый расплав. Оторвавшиеся капли металла, проходя через слой химиче-. ски активного шлака, очища­ются от серы, неметалличес­ких и газовых включений.

Шлак также защищает об­разующийся слиток от контак­та с атмосферой воздуха. Дли­на слитка постепенно растет по мере затвердевания рас­плава в кристаллизаторе. При этом на боковой поверхности слитка образуется тонкая шла­ковая корочка, обеспечиваю­щая изоляцию слитка от кри­сталлизатора и гладкую, не требующую затем обдирки его поверхность.

Стабильное протекание процесса поддерживается с по­мощью автоматического регу­лятора, управляющего меха­низмом подачи расходуемого электрода в шлаковую ванну и изменяющего подводимое напряжение.

Таким образом, установка ЭШП в период стабилизиро­ванного режима работает как печь сопротивления, в кото­рой рабочим телом служит слой шлакового расплава. В ка­честве шлака применяют смеси, состав которых зависит от технологии плавки. Основой этих смесей является CaF₂ с добавками А1₂О₃ и СаО.

Печи ЭШП питаются переменным током промышленной частоты через понижающие трансформаторы (преимущест­венно однофазные). При одноэлектродной однофазной схе­ме питания (рис. 160, а) ток подводится к электроду и под­дону. Недостаток этой схемы проявляется по мере повы­шения мощности установки ЭШП, так как повышается индуктивность короткой сети, сопровождающаяся понижени­ем коэффициента мощности (уменьшается cos j).

Для производства крупных слитков применяют двухэлектродные или бифилярные установки ЭШП (рис. 160, б), в которых ток подводится к двум расходуемым электродам.

При этом происходит одновременная плавка в одном кри­сталлизаторе двух изолированных один от другого электродов, которые присоединены к концам вторичной об­мотки однофазного трансформатора. Цепь в этом случае также замыкается через расплавленный шлак, в котором выделяется тепло за счет протекания электрического тока.

При этом cos j повышает­ся, а расход электроэнергии снижается.

Удельный расход элек­троэнергии в установках ЭШП весьма высок и составляет 4400 – 5850 кДж/кг (1,2 – 1,6 кВт×ч/кг), по­скольку велики потери тепла с водой, охлаждающей кри­сталлизатор, и излучением от зеркала жидкого шлака, имеющего очень высокую температуру.

Таким образом, ЭШП как процесс плавки металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе является несовершенным в теплотехническом отношении. Он оправдан в тех случа­ях, когда к слитку предъявляют очень высокие требова­ния. Поэтому ЭШП используется для вторичного рафини­рующего переплава высококачественных сталей. Посредст­вом этого процесса получают слитки круглого (в том числе полые цилиндры), квадратного и прямоугольного сече­ний с массой до 160 т.

По сравнению с вакуумногдуговым переплавом важным преимуществом ЭШП являются сравнительная простота его оборудования и значительно более низкая стоимость установки, а недостатком — меньшая степень очистки ме­талла от газовых включений.