Способ электрошлакового переплава некомпактных материалов

Способ электрошлакового переплава некомпактных материалов

Реферат

 

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, конкретно к электрошлаковому переплаву некомпактных отходов (стружки, металлической пыли, шлама и др.). Целью изобретения является обеспечение стабильного электрошлакового процесса. Перед переплавом на поверхности нерасходуемого металлического охлаждаемого электрода выше уровня шлаковой ванны в месте контакта с переплавляемой металлошихтой намораживают неэлектропроводный шлаковый гарнисаж. Способ позволяет сократить потери легирующих с 20-30 до 0,5-4,5%.

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, в частности к электрошлаковому переплаву, и предназначено для переплава стружки, металлической пыли, шлама и других некомпактных материалов. Максимальное использование и возвращение в производство металлических отходов, особенно высоколегированных металлов и сплавов, представляет важную народнохозяйственную задачу. В особом положении находится переработка и использование стружки. Анализ показывает, что в подготовленном (компактированном) виде перерабатывается всего 15% стружки. В результате использования стружки в неподготовленном виде безвозвратные потери ее составляют за счет угара при переплаве от 20 до 30% Несмотря на широкое применение в промышленности прогрессивных методов обработки, позволяющих увеличить коэффициент использования металла в машиностроении, в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение количества стружки. Например, при обработке отдельных деталей из легированных сталей и сплавов отходы в виде стружки составляют 80-85% Наряду с переработкой стружки не менее актуальной задачей является переработка отходов в виде пыли, шлама и др. образующихся при абразивной, электроконтактной и искровой обработке. Разработка и применение рациональных методов переработки и переплава отходов в виде стружки, пыли, шлама и др. (особенно высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов имеет огромное народнохозяйственное значение. В настоящее время основным металлургическим методом переработки стружки является переплав ее в дуговых электропечах небольшой емкости. Переплав в дуговых печах имеет ряд серьезных недостатков. Это прежде всего высокий угар металла (до 20%) и содержащихся в нем легирующих элементов, а также низкое качество металла из-за повышенной концентрации серы, газов и неметаллических примесей. Известен переплав стружки высоколегированных сталей и сплавов в открытой индукционной печи с целью получения специальных заготовок, предназначенных для дальнейшего переплава в электрошлаковых и вакуумных печах. Однако, при этом качество металла ниже, чем в случае переплава заготовок, выплавленных из сталей металлошихты. Это объясняется повышенной загрязненностью заготовок из-за протекания окислительных процессов при переплаве стружки в открытой индукционной печи. Разработанный электрошлаковый переплав содействовал развитию поисков эффективных способов переработки стружки на основе электрошлакового процесса. В этой связи представляет интерес переплав стружки компактируемой в расходуемый электрод шнековым толкателем и переплав стружки с помощью нерасходуемого электрода. Недостатками способа переплава стружки, компактируемой в расходуемый электрод шнековым толкателем, являются, во-первых, большие трудности с компактированием подачей шнеком стружки жаропрочных сплавов, а во-вторых, трудности с передачей токов большой величины через такой электрод. Способ электрошлакового переплава некомпактных материалов (стружки, пыли, шлама и др.) с нагревом шлаковой ванны нерасходуемыми электродами (то есть с независимым источником нагрева) обладает целым рядом преимуществ перед электрошлаковым переплавом расходуемого электрода (зависимый источник нагрева; подводимая мощность, скорость плавления, температура шлака тесно взаимосвязаны). Важным достоинством способа ЭШП с нерасходуемыми электродами является возможность раздельного регулирования мощности, подводимой к шлаковой ванне, и скорости загрузки шихты. Это позволяет в широких пределах изменять температуру, количество и состав шлака, энергетические показатели процесса и параметры теплообмена. Недостатком этого способа являются высокие потери тепла с поверхности шлаковой ванны (до 20% от подводимой мощности). Устранить этот недостаток возможно за счет увеличения скорости загрузки шихты выше скорости ее проплава и поддержание за счет этого на поверхности шлаковой ванны слоя из непроплавленной шихты, который закроет зеркало шлаковой ванны. К тому же, если зону тепловыделения в шкале сместить в верхние объемы шлаковой ванны, то значительно возрастает производительность проплава. Однако, через слой металлошихты на поверхности шлаковой ванны возможны короткие замыкания тока между электродами или электродами и кристаллизатором. Прожег кристаллизатора вызовет попадание воды в шлаковую ванну. Если электрошлаковый процесс вести по схеме электрод-электрод с расстояниями между электродами меньше, чем между электродом и кристаллизатором, то дуговые разряды будут возникать между электродами. На графитовых электродугах это не опасно, а если процесс ведется нерасходуемыми металлическими электродами (для жаропрочных сплавов с низким содержанием углерода, чтобы не допустить науглероживания металла), то возникновение дуговых разрядов приведет к прожогу электрода. Целью изобретения является предотвращение возникновения дуговых разрядов между нерасходуемыми охлаждаемыми металлическими электродами или электродами и кристаллизатором и обеспечение стабильного электрошлакового процесса. Поставленная цель достигается тем, что на поверхности нерасходуемого металлического охлаждаемого электрода выше уровня шлаковой ванны в зоне контакта с переплавляемой металлошихтой намораживают неэлектропроводный шлаковый гарнисаж. Сущность изобретения заключается в следующем. После наведения в кристаллизаторе шлаковой ванны (любыми известными способами) в нее погружаются нерасходуемые металлические охлаждаемые электроды, при этом на электроды подают напряжение в 2-3 раза меньше, чем рабочее напряжение, при котором будет вестись электрошлаковый переплав шихты. На охлаждаемых электродах, погруженных в шлаковую ванну, намораживается шлаковый гарнисаж. Затем на электроды подают рабочее напряжение и электроды частично вынимают из шлаковой ванны. В шлаке остается лишь незначительная его часть. За счет более высокого напряжения, и следовательно большей удельной мощности на поверхности электрода, шлаковый гарнисаж на электроде в шлаковой ванне расплавляется и этой частью электрода ведется электрошлаковый процесс. На оставшейся же части выше уровня шлаковой ванны остается гарнисаж. При загрузке металлошихты сверху на шлак не происходит короткого замыкания тока через металлошихту, так как электроды изолированы шлаковым гарнисажем. Для того, чтобы шлаковый гарнисаж был не электропроводным, необходимо поддерживать его температуру ниже 0,8 температуры плавления шлака. Так как известно, что примененные при ЭШП шлаки, особенно фторидные, в твердом состоянии вблизи температур затвердения обладают достаточной электропроводностью для передачи тока. На охлаждаемом металлическом электроде, поднятом из шлаковой ванны за счет хорошего охлаждения, практически всегда обеспечивается температура ниже 0,8 температуры плавления шлака. При ведении электрошлакового процесса нерасходуемыми металлическими охлаждаемыми электродами для регулирования процесса и поддержания заданного режима приходится поднимать электроды из шлаковой ванны. Для того, чтобы не произошло при подъеме контакта части электpода находятся в шлаке и непокрытой гарнисажем с металлошихтой и не возник дуговой разряд перед подъемом электрода на 3-5 с снижается напряжение, электрод поднимается на нужную высоту, а затем вновь повышается напряжение. Этого времени вполне достаточно, чтобы при снижении напряжения (и удельной мощности на поверхности электрода) на электроде наморозился шлаковый гарнисаж, который при подъеме электрода изолирует его от металлошихты. При повышении напряжения шлаковый гарнисаж на части электрода, находясь в шлаке, расплавляется. Необходимо еще отметить, что за счет большого теплосодержания и температуры шлаковой ванны шлаковый гарнисаж, намораживаемый на электроде при уменьшении напряжения, имеет температуру выше 0,8 температуры плавления шлака и хорошо проводит ток. Как только электрод поднимается и не будет сказываться влияние шлаковой ванны, гарнисаж на охлаждаемом электроде (особенно в месте контакта с электродом) сразу же остынет ниже 0,8 температуры плавления и будет неэлектропроводным. При обратном погружении электрода в шлаковую ванну гарнисаж за счет тепла шлака прогревается выше 0,8t плавления шлака, через него начинает идти ток. И уже за счет тепла шлака и тепла выделяющегося в гарнисаже при прохождении через него тока гарнисаж расплавляется. Таким образом, за счет описанных выше приемов на нерасходуемом металлическом охлаждаемом электроде выше уровня шлаковой ванны в месте контакта с переплавляемой металлошихтой можно намораживать неэлектропроводный шлаковый гарнисаж, изолирующий электрод в этом месте. Одной из основных особенностей шлакового гарнисажа на охлаждаемых электродах, которая отличает его от гарнисажа, намораживающегося на кристаллизаторах печей ЭШП, является то, что гарнисаж имеет плотное и надежное сцепление с поверхностью электрода и не разгружается от механических воздействий, производимых металлошихтой. Разработанные нами нерасходуемые металлические электроды для ведения электрошлакового процесса на рабочей поверхности имеют покрытие из тугоплавких материалов, стойких при работе в шлаках в условиях высоких температур и больших токовых нагрузок. Это в основном вольфрам, молибден и металлокерамика на их основе. Когда на таком электроде намораживается шлаковый гарнисаж, то на электроде появляются и исчезают точки ярко светящегося шлака. Условно, такой процесс называют "микрошлаковым". Контакт гарнисажа с электродом происходит в отдельных точках на микронеровностях. В этих местах и протекает ток. Шлаковый гарнисаж под действием тока прогревается, его электропроводность увеличивается и растет ток. Такой процесс передачи тока протекает лавинообразно и возникает то в одном, то в другом месте, где гарнисаж подплавляется и обеспечивается более плотный контакт с материалом электрода. В отличие от кристаллизаторов печей ЭШП, где "микрошлаковый" процесс вызывает подплавление меди на небольшом участке, на электродах с покрытием из вольфрама или молибдена в результате высокой температуры их плавления подплавления не происходит, а за счет расплавления шлака улучшается его контакт с электродом. Намороженный на медных охлаждаемых электродах шлаковый гарнисаж при подъеме электрода из шлака растрескивается и разрушается при небольшом силовом воздействии металлошихты. На электродах с покрытием из вольфрама или молибдена он имеет плотное и прочное сцепление с электродом и не разрушается при больших механических воздействиях шихты. Отличительной особенностью заявляемого способа электрошлакового переплава неконтактных материалов от прототипа является то, что при ведении электрошлакового процесса нерасходуемыми металлическими электродами на поверхности электрода выше уровня шлаковой ванны в месте контакта с металлошихтой намораживается неэлектропроводный шлаковый гарнисаж, надежно изолирующий электрод и имеющий с ним прочное сцепление. Преимущества заявляемого способа перед прототипом заключаются в следующем. Исключается возникновение дугового разряда между электродами или электродом и кристаллизатором. Обеспечивается стабильный электрошлаковый процесс. Электрошлаковый переплав можно вести с насыпанным на поверхность шлаковой ванны слоем шихты, что уменьшает потери тепла излучением с поверхности шлаковой ванны и обеспечивает повышение производительности проплава. П р и м е р. Опыты по переплаву металлошихты с нагревом шлаковой ванны нерасходуемыми металлическими охлаждаемыми электродами были проведены в лаборатории ИЭС им. Е.О.Патона, а затем результаты перенесены на промышленную установку на заводе "Электросталь". Переплавляли стружку жаропрочных сплавов, металлическую пыль и шлам, образующиеся после силовой зачистки слитков. Переплав вели в кристаллизаторе диаметром 400 мм. Наплавляли шихтовые слитки массой от 450 до 500 кг. Ток к шлаковой ванне подводили нерасходуемыми металлическими охлаждаемыми электродами диаметром 100 мм с покрытием из молибдена. Работы по переплаву некомпактных отходов жаропрочных сплавов проводятся ИЭС им. Е.О.Патона, заводом "Электросталь", ВИАМ и ЦНИИЧМ. За счет переплава в кристаллизаторе, с применением нерасходуемых металлических охлаждаемых электродов, рафинирование металла шлаком, восстановления окислов легирующих элементов из шлака удалось сократить потери легирующих с 20-30% (переплав с дуговой или индукционной печи) до 0,5-4,5% (0,5% стружка, 4,5% различные виды пыли и шлама) и получить шихтовую заготовку высокого качества. Применение предлагаемого способа переплава некомпактной металлошихты наряду с перечисленными преимуществами позволило за счет уменьшения потерь тепла излучением с поверхности шлаковой ванны, стабилизации электрошлакового процесса повысить на 20-30% производительность проплава и обеспечить более высокую надежность работы нерасходуемых электродов. Переплав металлошихты осуществляли следующим образом. В флюсоплавильной печи выплавляли 35 кг шлака и сливали его в кристаллизатор. В кристаллизаторе электрошлаковый процесс вели нерасходуемыми электродами. Вначале на электроды подавали напряжение 36 В и опускали их в шлаковую ванну. Глубина погружения составила 110 мм при глубине шлаковой ванны порядка 130 мм. Сила тока на электроде составляла 4000 А. Шлак был следующего химического состава, CaF₂ 65-70; CaO 5-10; Al₂O₃ 20-25. Через 5 мин электрод подняли из шлаковой ванны на 70 мм и увеличили напряжение до 60 В. Ток на электроде вначале при подъеме упал до 1000 А, а затем через 3 мин вырос до 4500 А. Это рабочие режимы ведения процесса. На электроде выше уровня шлаковой ванны на расстоянии 70 мм был наморожен шлаковый гарнисаж толщиной от 1,5 мм у поверхности шлаковой ванны до 3,0 мм на высоте 70 мм. Гарнисаж имел довольно плотное и прочное сцепление с поверхностью электрода. После выхода на рабочие режимы начинали загрузку металлошихты. При переплаве стружки ее загружали со скоростью выше скорости ее плавления и на поверхности шлаковой ванны был слой из стружки 30-50 мм. Дуговых разрядов не наблюдали, электрошлаковый процесс протекал стабильно. По мере наплавления слитка шлаковая ванна поднималась и увеличивалось погружение электрода в шлак. При токе 5500 А и заглублении электрода на 55 мм на 3-5 с переключали ступень трансформатора на напряжение 36 В и поднимали электрод. За это время шлаковый гарнисаж, который расплавлялся при подъеме шлака, вновь успевал наморозиться на электроде. После подъема электрода вновь увеличивали напряжение до 60 В.

Формула изобретения

СПОСОБ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА НЕКОМПАКТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, преимущественно стружки, металлической пыли, шлама, включающий нагрев с помощью нерасходуемого электрода шлаковой ванны и загрузку на ее поверхность переплавляемых материалов со скоростью выше скорости их плавления в шлаке, отличающийся тем, что, с целью обеспечения стабильного электрошлакового процесса, перед загрузкой шихты на нерасходуемом металлическом охлаждаемом электроде выше уровня шлаковой ванны в месте контакта с переплавляемым материалом намораживают слой неэлектропроводного шлакового гарнисажа.