Устройство и работа электрошлаковой установки

Методические указания к

Лабораторной работе № 13

 

Электрошлаковый переплав

 

 

по дисциплине

 

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

 

Направление подготовки:

Специальность:

Форма обучения очная

 

 

Тула 2017 г.

 

 

Методические указания к лабораторным работам составлены ассистентом Е.А. Страховой и обсуждены на заседании кафедры СЛиТКМполитехнического института

Протокол № 1  от «29» августа 2016 г.

Зав. кафедрой ______________________А.А. Протопопов

 

Методические указания к лабораторным работам пересмотрены и утвержденына заседании кафедры СЛиТКМ политехнического института,

протокол №___ от «» ____________________________ 20___ г.

Зав. кафедрой ______________________А.А. Протопопов

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Ознакомление с устройством и работой электрошлаковой печи и технологией электрошлакового переплава.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Сущность процесса

Электрошлаковый переплав – один из способов повышения качества металлов и сплавов. Заключается в том, что металл в виде расходуемого электрода переплавляется в ванне электропроводного синтетического шлака под действием тепла, выделяющегося в шлаке при прохождении через него электрического тока (рис. 1). Расходуемый электрод представляет собой выплавленное в мартеновской, дуговой, вакуумно-индукционной печи или кислородном конвертере и прокатанное изделие из металла (круглый пруток).

а                                                  б

Рис. 1. Схема электрошлакового переплава с одним (а) и двумя (б)

расходуемыми электродами: 1 – расходуемый электрод;

2 – шлаковая ванна; 3 – металлическая ванна; 4 – слиток

 

В соответствии с законом Джоуля-Ленца количество тепла, выделяемого током при его прохождении через шлак, можно определить по формуле:

,

где Q – количество тепла, Дж; J – сила тока, А; R – сопротивление проводника, Ом;  – время прохождения тока, с.

Полную мощность P (Вт), выделяемую в шлаке, определяют по формуле:

,

где U – полное падение напряжения на шлаковой ванне, В.

Не вся мощность, выделяемая в шлаке, расходуется на нагрев металла и шлака, часть её затрачивается на электролиз шлака. Мощность, выделяемую в шлаке и идущую на нагрев металла и шлака, можно определить из уравнения:

,

где – падение напряжения в приэлектродной области, идущее на электролиз шлака (для шлака на фторидной основе =19 В).

В процессе электрошлакового переплава температура шлака, состоящего из CaF₂, CaO, SiO₂, Al₂O₃ и других компонентов, превышает 2500 ºC. Капли жидкого электродного металла проходят через слой шлака и образуют под ним слой металла, из которого при последовательном затвердевании в водоохлаждаемом кристаллизаторе формируется слиток. По мере оплавления расходуемый электрод подаётся в шлаковый слой, непрерывно восполняя объём кристаллизующегося металла. Шлак является рафинирующей средой. Последовательная и направленная кристаллизация способствует удалению из металла неметаллических включений и пузырьков газа.

Изменяя состав и температурный режим процесса, осуществляют избирательное рафинирование металла. В результате содержание серы снижается в 2- 5 раз, кислорода и неметаллических включений в 1,5 - 2,5 раза. Слиток характеризуется плотной направленной микроструктурой, однородностью, свободен от дефектов литейного и усадочного происхождения.

Устройство и работа электрошлаковой установки

Электрошлаковая установка представляет собой печь сопротивления, в которой тепловыделяющим элементом является жидкий шлак, нагревающийся с помощью проходящего через него электрического тока. Тепло передаётся погруженному в шлак торцу электрода конвекцией и теплопроводностью.

Печь (рис. 2) имеет механизм для подачи расходуемого электрода в шлаковую ванну, поддон, на котором установлен кристаллизатор для формирования слитка, или механизм для перемещения кристаллизатора и слитка с поддоном во время плавки.

 

а                б                           в

Рис. 2. Схемы конструкций электрошлаковых печей: а – с неподвижным

слитком и кристаллизатором и опускающимся по мере оплавления электродом; б – с неподвижным кристаллизатором и опускающимся походу плавки слитком и электродом; в – с неподвижным слитком, поднимающимся по ходу плавки кристаллизатором и опускающимся электродом (1 – колонна,

2 – электрододержатель, 3 – расходуемый электрод,

4 – кристаллизатор, 5 – поддон)

 

Электрошлаковая печь питается переменным током промышленной или пониженной частоты или (редко) постоянным током. Мощность печного трансформатора 5 - 10 МВА. Обычно это печи периодического действия; имеются “мини-печи” непрерывного действия. Различают одно- и трехфазные, одно- и многоэлектродные, специальные и универсальные электрошлаковые печи.

Шлак, предварительно расплавленный во флюсоплавильной электропечи с графитовой футеровкой и графитовым электродом, заливают в кристаллизатор, включают электрический ток и начинают подавать расходуемый электрод в шлаковую ванну. После наплавления слитка заданной длины включают ток, сливают из кристаллизатора жидкий шлак, поднимают кристаллизатор и снимают с поддона слиток.

Удельный расход электроэнергии 1000 - 1500 кВт×ч/т, расход флюса до 5% массы слитка, расход воды на охлаждение кристаллизатора, поддона, электрододержателя, токоведущих частей до 500 м³/ч.

Производительность электрошлаковой печи G (кг/ч) подсчитывается по эмпирической формуле:

,

где D – сторона квадрата (для блюмингового слитка), широкая грань (для слябингового слитка) или диаметр круглого слитка, мм.

Способом электрошлакового переплава получают слитки массой от десятков граммов до 200 тонн практически любой нужной формы, определяемой формой кристаллизатора, Помимо слитков, производят фасонные отливки (коленчатые валы, зубчатые колёса и др.). Электрошлаковый переплав применяется как в черной, так и в цветной металлургии.