Электрошлаковый переплав

У.Э.Дакуорт, Дж.Хойл.

Металлургия, 1973 г.

Жидкий шлак таким образом непрерывно перемещается кверху. Там, где поднимающийся шлак встречается со стенками охлаждаемого кристаллизатора, он затвердевает, что обеспечивает наличие сплошной корочки твердого шлака между кристаллизатором и затвердевающим слитком. При раздевании слитка она шелушится с поверхности, характеризующейся прекрасным качеством.

Процесс во многом аналогичен вакуумно-дуговому переплаву (ВДП): сплошной слиток образуется в результате постепенного затвердевания металла в вертикальном направлении. При соответствующем снижении силы тока к концу операции обеспечивается полное отсутствие усадочной раковины и осевой пористости.

Рафинирование осуществляется вследствие реакции между металлом и шлаком, происходящей в три стадии:

а) при образовании капли на конце электрода;

б) при прохождении отдельной капли через шлак;

в) после накопления жидкого металла в ванне, образующейся на верхней части слитка.

При соответствующем выборе шлаков химическая реакция может быть усилена. Возможно, например, снижение содержания серы до очень низкого уровня. Удалению неметаллических включений может способствовать их флотация и химическая реакция со шлаком. Шлаки могут быть подобраны также таким образом, чтобы воспрепятствовать удалению элементов, которые нужно сохранить.

Имеется много методов работы, которые будут описаны ниже. В основном же для осуществления процесса нужны трансформатор, охлаждаемый кристаллизатор и устройство для подачи и управления электродом.

ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА

В настоящее время установлены следующие преимущества электрошлакового переплава перед другими способами получения стали:

Хорошее качество слитка, отсутствие усадочной
раковины и пористости.

Меньшее количество и меньший размер включений.

Однообразность структуры и химического состава.

4. Отсутствие слоистости и зональной ликвации.

5. Высокий выход годного из исходного жидкого металла до готовой продукции.

6. Возможность регулируемого снижения содержания таких нежелательных элементов, как сера, кислород, а в некоторых условиях и азот; возможность сохранения легирующих элементов, которые могут быть окислены, таких как кремний и титан.

7. Возможность корректирования состава металла путем применения соответствующего флюса.

8. Общее улучшение характеристик пластичности и ударной вязкости.

9. Значительное улучшение свойств в поперечном направлении.

10. Улучшение свойств при повышенных температурах.

11. Улучшение свариваемости.

12. Обеспечение такого качества поверхности, которое исключает необходимость в зачистке поверхности при горячей обработке.

13. Превосходные характеристики горячей обработки.

14. Уменьшение объема горячей обработки, требующейся для достижения заданной металлургической структуры в центральной части готового продукта.

15. Облегчение условий отливки электродов по сравнению с разливкой слитков для непосредственной прокатки.

16. Возможность управления направлением и скоростью затвердевания.

17. Возможность регулирования крупности зерен и величины карбидов, особенно в быстрорежущих инструментальных сталях.

18. Улучшение коррозионной стойкости.

19. Расплавленный металл защищен от атмосферного окисления.

Такое большое число преимуществ процесса ЭШП является следствием большого числа степеней свободы, свойственного этому процессу. Важность степеней свободы в технологии стала приобретать все большее значение по мере усложнения требований к современным продуктам.

Сравнение со степенями свободы, свойственными другому основному конкурирующему процессу вторичного рафинирования — процессу ВДП, показывает, что ЭШП обладает большим числом степеней свободы, чем ВДП, и, следовательно, способен решать больше проблем и обеспечивать значительно больше преимуществ готовому продукту.

Наличие большего числа степеней свободы при ЭШП является результатом большого числа возможных комбинаций химического состава шлаков, более гибких условий питания электроэнергией и большей свободы выбора характеристик электродов. Эти параметры процесса будут кратко обсуждены ниже и более подробно — в последующих главах книги.

ХАРАКТЕРИСТИКА ШЛАКА

Основные требования к шлаку заключаются в том, что он должен плавиться при температуре, значительно ниже той, при которой рафинируется металл, и должен быть стабильным при рабочей температуре процесса. шлак должен, конечно, обладать электропроводностью. Другими важными критериями являются теплопроводность, вязкость и поверхностное натяжение. Предпочтительно, чтобы летучесть шлака была низкой, так как в противном случае потребуется дорогостоящее экстракционное оборудование большого объема. Химическая активность шлака должна соответствовать степени очистки и требуемому химическому составу.

Обычно в качестве составляющих шлака используют фтористый кальций, известь, окись магния, глинозем и кремнезем, но возможно также добавление фтористого магния, фтористого бария, окиси титана и окиси циркония. Изменяя количество этих составляющих, можно изменить температуру плавления, стабильность, электропроводность и вязкость шлака, и это в свою очередь может изменить скорость расплавления, температуру шлака, размеры капель и другие факторы, влияющие на степень очистки.

Шлак служит средой, в которую содержащиеся в металле включения удаляются в результате химической реакции или растворения и в которой осуществляется необходимое регулирование содержания кислорода, серы и других элементов. Если шлак не обладает достаточной химической активностью, то требуемой чистоты достичь не удастся; если эта активность будет слишком высокой, то будут удалены те элементы, которые должны быть сохранены.

Шлак выполняет также ряд вспомогательных функций. Затвердевая на стенках кристаллизатора, он препятствует непосредственному контакту между расплавленным металлом и материалом кристаллизатора, изолируя таким образом металл электрически и термически от кристаллизатора и помогая также обеспечить гладкую поверхность слитка; шлак защищает расплавленный металл от непосредственного атмосферного окисления, создает резервуар тепла выше расплавленного металла, который предотвращает образование усадочной раковины и внутренней усадки; воздействуя на шлак, можно влиять не только на химический состав, но также и на структуру слитка.

Имеется также возможность корректирования химического состава некондиционного металла путем ввода добавок в процессе переплава. Кроме того, размеры и форму зерен можно регулировать как физическими, так и химическими средствами.

ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА ШЛЛКА

Для расплавления при процессе ЭШП необходимо, чтобы шлак был полностью жидким и его температура превышала температуру плавления (температуру ликвидуса) переплавляемого металла.

Температура, достигнутая в шлаковой ванне, является по существу функцией сопротивления этой ванны и тока, проходящего через нее. Напряжение (20—50 в) должно быть не более чем достаточным для прохождения тока. Слишком высокое напряжение, вызывающее искрение на поверхности шлаковой ванны, может быть вредным для рафинирования в результате высоких потерь на окисление металла.