Спосіб отримання порожнистих злитків електрошлаковим переплавом та пристрій для його здійснення

Реферат: Винахід належить до електрометалургії і стосується способу отримання порожнистих переважно подовжених злитків ЕШП (електрошлаковою переплавкою) круглого перетину та пристрою для його здійснення. Характерною особливістю способу є те, що через стінку водоохолоджуваного дорну до шлаку в процесі лиття порожнистого злитка підводять струм. Заявлений пристрій містить струмоведучий водоохолоджуваний кристалізатор, виконаний з ізольованих один від одного струмопідвідної секції, розміщеної в області шлакової ванни, і неструмоведучої секції, що формує зовнішню поверхню злитка, водоохолоджуваний дорн для формування внутрішньої порожнини злитка. Дорн виконаний секційним, а саме з ізольованих одна від одної струмопідвідної секції, розміщеної в області шлакової ванни, і неструмоведучої секції, що формує внутрішню поверхню злитка, і кожна з вище згаданих секцій дорну знаходиться на рівні розміщення відповідних секцій кристалізатора. В стінці струмопідвідної секції водоохолоджуваного дорну по його периметру розміщений струмопідвідний елемент, виконаний у вигляді кільця з можливістю контакту з шлаковою ванною в процесі плавки. Технічний результат: можливість формувати стабільну гомогенну мікро-, макроструктуру литого металу злитка з високим рівнем фізико-механічних властивостей. UA 99329 C2 (12) UA 99329 C2 UA 99329 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі електрометалургії, зокрема до способу отримання порожнистих переважно подовжених злитків ЕШП (електрошлаковим переплавом) круглого перетину та пристрою для його здійснення, і може бути використаний у виробництві різних великогабаритних порожнистих злитків, застосовуваних в енергетичному, металургійному і нафтохімічному машинобудуванні (корпусів атомних і нафтохімічних реакторів, роторів, товстостінних циліндрів, бандажів прокатних валків, трубних заготовок тощо), а також при створенні спеціалізованого устаткування для організації такого виробництва. Підвищення якості порожнистих злитків актуальне для багатьох галузей техніки. ЕШП у ряді випадків дозволяє вирішити цю задачу безпосередньо в процесі електрошлакової переплавки. Для формування порожнини в злитку ЕШП у внутрішньому просторі водоохолоджуваного кристалізатора по його осі додатково встановлюють водоохолоджуваний кристалізатор або дорн і процес формування порожнистого злитка ЕШП здійснюють в просторі (кільцевому зазорі) між зовнішнім і внутрішнім кристалізаторами. При виплавці порожнистого злитка ЕШП істотно збільшується площа контакту розплавленого шлаку із стінками кристалізатора і дорну, що приводить до підвищеної втрати теплоти, яка відбирається безпосередньо з шлакової ванни поверхнями, що охолоджують. Тому для компенсації цієї втрати при виплавці порожнистого злитка ЕШП питома потужність, що виділяється в шлаку, має бути більше, ніж при виплавці суцільного злитка такого же зовнішнього діаметра. Крім того, щоб забезпечити рівномірне тепловкладення в шлакову ванну при отриманні порожнистих злитків найчастіше застосовують багатоелектродні схеми ЕШП із застосуванням злитків (штанг) круглого, квадратного або прямокутного перерізу [Електрошлакові печі / Під ред. Б.Є. Патона і Б.І. Медовара. - К.: Наукова думка, 1976.-415 с). Відомий спосіб отримання довгих порожнистих злитків ЕШП [Патент США №3,944,714 від 16.03.1976 г. Штанько Ю.П, Баглай В.М., Медовар Б.І. і ін.], при якому здійснюють відносне переміщення короткого водоохолоджуваного кристалізатора з дорном відносно електродів, що витрачаються, набраних у вигляді частоколу заготовок (штанг) і таких, що розташовуються своїми приторцевими частинами в кільцевому зазорі шлакової ванни. Штанги розташовують в кільцевому зазорі по колу на деякій відстані одна від одної і підключають до однофазного пічного трансформатора за біфілярною схемою (електрод - електрод) або прямою схемою (розщеплені електроди - піддон). Проте, як показує практика, само застосування багатоелектродних схем ЕШП не забезпечує рівномірного розподілу теплової енергії в об'ємі шлакової ванни при виплавці порожнистих злитків ЕШП. Так, якщо зіставити середню температуру шлаку в різних реальних перерізах порожнистого злитка, що виплавляється за схемою ЕШП в короткому водоохолоджуваному кристалізаторі розщепленими електродами, то, як показують виміри, ця величина приблизно на 50 °C нижче в перерізі, що приходиться посередині між електродами, ніж в перетині безпосередньо під ними. Недоліком даного способу є нерівномірний розподіл температури в об'ємі шлакової ванни, потік тепла, який іде углиб металевої ванни, також нерівномірний і виявляє тенденцію до зростання при наближенні до периферії злитка, що негативно впливає на формуванні гомогенної мікро-, макроструктури порожнистого злитка і ізотропності його фізико-механічних властивостей, а також на формуванні стабільної мінімальної товщини шлакового гарнісажу на зовнішній і внутрішній його поверхні. Відомо, що товщина шлакового гарнісажу істотно впливає на інтенсивність тепловідводу у водоохолоджувані стінки кристалізатора і дорну, а отже, і на геометрію металевої ванни, що багато в чому визначає якість метала порожнистого злитка. Найбільш близьким по технічній суті і результату, що досягається, до способу, що пропонується, і пристрою для його здійснення є спосіб отримання порожнистих злитків електрошлаковою переплавкою і пристрій для його здійснення [United States Patent 3,921,699. Ujiie. Nov.25, 1975]. Спосіб отримання порожнистих злитків електрошлаковою переплавкою включає: подачу електродів відповідних металевих матеріалів, що витрачаються, безперервно із заданою швидкістю в шлакову ванну, наведену в плавильній порожнині водоохолоджуваної металевої форми; розплавлення вищезгаданих електродів, що витрачаються, в процесі електрошлакового переплаву; кристалізацію розплавленого металу в кільцевій порожнині, утвореній внутрішньою і зовнішньою частинами вищезгаданої водоохолоджуваної металевої форми; постійне витягування сформованого порожнистого злитка із вищезгаданої форми із заданою швидкістю. При цьому, електроди, що витрачаються, переважно мають площу поперечного перетину більшу, ніж площа перетину витягуваного порожнистого злитка, а шлакову ванну і розплавлений метал в згаданій водоохолоджуваній металевій формі підігрівають електродами, які не витрачаються, що спеціально вводяться в шлакову ванну, які електрично живляться від окремого джерела живлення. 1 UA 99329 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Пристрій, що реалізовує спосіб отримання порожнистих злитків електрошлаковим переплавом, включає: водоохолоджувану металеву форму, що складається з однакових по висоті двох кільцевих частин, - зовнішньої і внутрішньої, перед електрошлаковим переплавом, які жорстко сполучаються між собою з утворенням кільцевого зазору, створюючого у верхній частині кільцеву плавильну ємкість для наведення шлакової ванни, розміщення електродів, що витрачаються, які електрично живляться від джерела живлення, і введення додаткових електродів, що не витрачаються, які електрично живляться від окремого джерела живлення; у нижній частині згаданий зазор утворює кільцеву формуючу порожнину, поперечний переріз якої відповідає поперечному перетину витягуваного порожнистого злитка. При цьому, при електрошлаковому переплаві електрична енергія до вищезгаданих зовнішньої і внутрішньої частин вищезгаданої водоохолоджуваної металевої форми не підводиться. Недоліками вище вказаного способу здобуття порожнистих злитків електрошлаковим переплавом і пристрою для його здійснення є властиві їм значна складність і ненадійність при здійснення їх в промислових умовах. На підставі проведених досліджень різних параметрів, що характеризують теплообмін між рідким шлаком, електродами, що витрачаються і не витрачаються, порожнистим злитком, що виплавляється, і водоохолоджуваними кристалізатором і дорном [див., наприклад, "Теплові процеси при електрошлаковому переплаві" / Під. ред. Б.І. Медовара. - Київ: Наук, думка, 1978.-304с], можна стверджувати, що шляхом локального введення електродів, що не витрачаються, в шлакову ванну з однієї або двох сторін електродів, що витрачаються, досягти рівномірного розподілу теплової енергії в об'ємі шлакової ванни при виплавці порожнистих злитків ЕШП практично не представляється можливим. А без цього, як вже наголошувалося вище, не можна забезпечити стабільну мінімальну товщину шлакового гарнісажу по зовнішньому і внутрішньому периметру порожнистого злитка, а також формування в ньому гомогенної мікро-, макроструктури литого металу. Істотним недоліком є також те, що додаткові електроди, що не витрачаються, встановлені в шлаковій ванні, працюють у важких термохімічних умовах, при цьому без якого-небудь охолоджування, що може привести до нерівномірного їх зносу в процесі однієї плавки ЕШП і, в результаті, до порушення стабільного режиму плавлення електродів, які витрачаються, що визначає формування якісного порожнистого злитка. У основу винаходу поставлена задача розробити спосіб отримання порожнистих переважно подовжених злитків ЕШП круглого перерізу і пристрій для його реалізації, які б дозволяли формувати стабільну гомогенну мікро-, макроструктуру литого металу злитка з високим рівнем фізико-механічних властивостей. Технічний результат досягається тим, що в способі отримання порожнистого злитка електрошлаковим переплавом (ЕШП) у водоохолоджуваному струмоведучому кристалізаторі з дорном, що формує порожнину в злитку, згідно винаходу, через водоохолоджуваний дорн до шлаку в процесі електрошлакового переплаву порожнистого злитка підводять струм. Технічний результат по пристрою, що реалізує спосіб отримання порожнистих злитків електрошлаковим переплавом, досягається тим, що в пристрої для отримання порожнистих злитків ЕШП круглого перерізу, що містить струмоведучий водоохолоджуваний кристалізатор, виконаний з ізольованих один від одного струмопідвідної секції, розміщеної в області шлакової ванни, і неструмоведучої секції, що формує зовнішню поверхню злитка, водоохолоджуваний дорн для формування внутрішньої порожнини злитка, а також синтетичного електропровідного шлаку і рідкого витратного металу, джерело живлення, піддон, згідно винаходу дорн виконаний секційним, а саме з ізольованих один від одного струмопідвідної секції, розміщеної в області шлакової ванни, і неструмоведучої секції, що формує внутрішню поверхню злитка, і кожна з вище згаданих секцій дорну знаходиться на рівні розміщення відповідних секцій кристалізатора, при цьому в стінці струмопідвідної секції водоохолоджуваного дорну по його периметру розміщений струмопідвідний елемент, виконаний у вигляді кільця з можливістю контакту з шлаковою ванною в процесі плавки. При цьому, струмопідвідні елементи кристалізатора і дорну можуть бути приєднані паралельно до одного з полюсів джерела живлення і піддон - до іншого полюса джерела, на якому закріплена кільцева затравка порожнистого злитка, що виплавляється. Крім того, струмопідвідні елементи кристалізатора і дорну можуть бути приєднані до різних полюсів джерела живлення. Також джерело живлення може бути сполучене з струмопідвідним елементом дорну і піддоном, на якому закріплена кільцева затравка порожнистого злитка, що виплавляється. При цьому, в пристрій введене додаткове джерело живлення, і струмопідвідні елементи кристалізатора і дорну приєднані до різних джерел живлення. 2 UA 99329 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб і пристрій для його реалізації, що пропонуються, забезпечують рівномірний розподіл теплової енергії в об'ємі шлакової ванни, внаслідок чого формується стабільна гомогенна мікро, макроструктура литого металу злитка з високим рівнем фізико-механічних властивостей, що підвищує якість порожнистого злитка. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де: на Фіг. 1 зображена принципова схема отримання порожнистих злитків способом ЕШП з використанням струмопідвідного водоохолоджуваного короткого кристалізатора і водоохолоджуваного дорну з струмопідвідним елементом у вигляді кільця, встановленого в його стінці в зоні шлакової ванни, а також електрична схема пристрою для його здійснення, при якому струмопідвідні елементи кристалізатора і дорну приєднані паралельно до одного з полюсів джерела живлення і піддон, на якому закріплена кільцева приманка, порожнього злитка, що виплавляється, до другого полюса; на Фіг. 2 зображена електрична схема пристрою для здійснення способу ЕШП, при якому струмопідвідні елементи кристалізатора і дорну приєднані до різних полюсів джерела живлення; на Фіг. 3 зображена електрична схема пристрою для здійснення способу ЕШП, при якому джерело живлення сполучене з струмопідвідним елементом дорну і піддоном, на якому закріплена кільцева затравка порожнього злитка, що виплавляється; на Фіг. 4 зображена електрична схема пристрою для здійснення способу ЕШП, при якому джерело живлення сполучене з струмопідвідним елементом дорну і піддоном, на якому закріплена кільцева затравка порожнього злитка, що виплавляється; на Фіг. 5 зображена електрична схема пристрою для здійснення способу ЕШП, при якому струмопідвідні елементи кристалізатора і дорну приєднані до різних джерел живлення. Пристрій, який реалізує спосіб, що пропонується, (Фіг. 1 - Фіг. 5) містить: секційний водоохолоджуваний кристалізатор з неструмоведучою формуючою секцією 1, неструмоведучою розділовою секцією 2, струмопідвідною секцією 3, струмопідвідним елементом 4 струмопідвідної секції кристалізатора, шлакову ванну 5, металеву ванну 6, струмопідвідний елемент 7 струмопідвідної секції 8 дорну, неструмоведучу роздільну секцію 9 дорну, неструмопідвідну формуючу секцію 10 дорну, рідкий метал розливного пристрою 11, шлаковий гарнісаж 12, порожнистий злиток 13, водоохолоджуваний піддон 14, кільцева затравка 15, яка закріплена на піддоні 14. (ТР1 - перший трансформатор, ТР2 - другий трансформатор) Спосіб, що пропонується, здійснюється таким чином. У кільцеву порожнину (зазор), утворену коротким секційним водоохолоджуваним кристалізатором з струмопідвідною секцією 3 (в області шлакової ванни 5) і неструмоведучою секцією 1, призначеної для формування зовнішньої поверхні порожнистого злитка, і водоохолоджуваним дорном, призначеним для формування його внутрішньої поверхні, по периметру якого в його стінці в зоні шлакової ванни встановлений струмопідвідний елемент 7 у вигляді кільця, яке в процесі ЕШП постійно контактує з шлаковою ванною 5, перед початком плавки ЕШП знизу вводиться водоохолоджуваний піддон 14, з закріпленою на ньому кільцевою затравкою 15, зверху заливається шар рідкого електропровідного синтетичного шлаку 5, виплавленого в окремому агрегаті, потім також зверху з дозуючого пристрою безперервно або періодично подається рідкий метал 11, який проходить через шлакову ванну 5 і утворює металеву ванну 6. Процес ЕШП починається при підведеній напрузі, як це показано на Фіг. 1: струмопідвідні елементи кристалізатора і дорну приєднані паралельно до одного з джерел живлення і до піддону, на якому закріплена кільцева затравка 14 порожнистого злитка 13, що виплавляється. Після заливки шлаку 5, а потім і подачі рідкого металу 11, який витісняє частину шлаку із зазору, утвореного формуючими секціями кристалізатора 1 і дорну 10, в порожнину, утворену проміжними секціями 2 і 9 і струмопідвідними секціями З і 8, встановлюється стійкий електричний ланцюг, який замикається через шлакову ванну 5, охоплюючи її, як по зовнішньому, так і внутрішньому периметру. При проходженні через неї електричного струму виділяється необхідна кількість теплової енергії, за рахунок якої підтримується заданий стабільний рівень температури у всьому об'ємі шлакової ванни 5, а також забезпечуються необхідні умови для формування стабільної мінімальної товщини шлакового гарнісажу 12 на зовнішній і внутрішній поверхні порожнистого злитка 13. В результаті направленої "знизу-вверх" кристалізації нижньої частини металевої ванни 6 формується порожнистий злиток 13, який разом з піддоном і закріпленою в нім кільцевою затравкою 15, що сплавляється з донною частиною злитка, утворюючи нероз'ємне з'єднання, безперервно витягується вниз з кристалізатора або формується шляхом переміщення кристалізатора з дорном відносно порожнистого злитка 13, що виплавляється. 3 UA 99329 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Унаслідок рівномірного характеру розподілу температури в об'ємі шлакової ванни потік тепла, що уходить углиб металевої ванни, також стає рівномірним, як по довжині злитка, так і по поперечному перерізу, що позитивно позначається на геометрії металевої ванни, що багато в чому визначає якість метала порожнистого злитка, формуванні гомогенної мікро-, макроструктури литого металу порожнистого злитка, ізотропності його фізико-механічних властивостей. В процесі формування порожнистого злитка ЕШП здійснюють постійний кількісний контроль маси рідкого металу, що вводиться, в кристалізатор і, відповідно, швидкості витягування злитка з кристалізатора з метою дотримання масового балансу поточного вступу рідкого металу в кристалізатор і витягування твердого металу порожнистого злитка з кристалізатора. Процес формування і витягу порожнистого злитка ЕШП здійснюється за допомогою автоматичної системи управління, завдяки якій верхній рівень металевої ванни на кордоні метал-шлак утримується практично постійним відносно сигналу електронного датчика, встановленого у верхній частині формуючої секції кристалізатора. Для здійснення способу здобуття порожнистих злитків ЕШП запропоновані пристрої, які призначають залежно від фізико-хімічних властивостей металу порожнистого злитка, що виплавляється, співвідношення зовнішнього і внутрішнього діаметрів, а також його товщини. При цьому для кожного застосовуваного пристрою обов'язковою умовою є отримання, в результаті, якісного порожнистого злитка з якісною зовнішньою і внутрішньою поверхнею, однорідною структурою литого металу без дефектів лікваційного походження. Наведемо приклад реалізації способу і пристрою для його реалізації, що пропонуються. Виплавку порожнистого злитка із сталі 10Г2НМФА діаметром 350/110 мм і завдовжки 2500 мм виробляли на печі ЕШП типу Р-951 з застосуванням струмоведучого водоохолоджуваного мідного кристалізатора з діаметром формуючої частини 354 мм і струмоведучого водоохолоджуваного мідного дорну діаметром 114 мм зі встановленим в його стінці в зоні шлакової ванни струмопідвідним елементом, виконаним у вигляді кільця з графіту. Кільцевий струмопідвідний елемент встановлений по висоті в тілі водоохолоджуваного дорну таким чином, що в процесі ЕШП він постійно контактує з шлаковою ванною. Для виплавки порожнистого злитка використовували рідкий метал сталі 10Г2НМФА, який отримували в тигельній електрошлаковій печі УШ-148 з тиглем ємкістю до 300 кг, а також рідкий електропровідний синтетичний шлак системи CaF2-Al2O3-CaO-SiO2, який розплавляли в переносному графітовому електрошлаковому тиглі, на базі печі А-550. В процесі підготовки плавки ЕШП знизу в порожнину, утворену кристалізатором і дорном, вводили кільцевий мідний водоохолоджуваний піддон, із закріпленою в ньому затравкою у вигляді штирів з вуглецевої сталі діаметром 30 мм, встановлених по колу з кроком 200мм. Зверху в порожнину кристалізатора з графітового переносного тигля заливали порцію розплавленого шлаку масою до 50 кг, а потім також зверху із застосуванням дозуючого пристрою періодично порціями до 4 кг подавали рідкий метал, який проходив через шлакову ванну і збирався у верхній області зазору, обмеженого формуючими поверхнями кристалізатора і дорну. Процес ЕШП починався при підведеній напрузі від трансформатора потужністю 700 кВА. Використовували пристрій для здійснення способу ЕШП, при якому струмопідвідні елементи кристалізатора і дорну приєднані до різних полюсів трансформатора (Фіг. 2). Потужність електричного ланцюга "кристалізаторпіддон" складала 300…340 кВА, а ланцюга "дорн-піддон" - 250-280 кВА, при цьому величина струму в ланцюзі "дорн-піддон" досягала в сталий період -3,5 кА. В результаті вживання пропонованого способу і пристрою для його здійснення був отриманий порожнистий злиток діаметром 350/110 мм і завдовжки 2500 мм, який по всіх параметрах (геометричних розмірах, якості поверхні, хімічної і структурної однорідності тощо) відповідав встановленим вимогам технічних умов. Найбільш ефективним є використання способу, що заявляється, і пристрою для його здійснення у виробництві різних довгомірних порожнистих заготовок енергетичного і металургійного машинобудування (товстостінних судин високого тиску і трубних заготовок, гребних валів, товстостінних циліндрів, бандажів прокатних валків тощо), до яких пред'являються підвищені вимоги до гомогенності конструкційного матеріалу і, перш за все, до гомогенності мікро-, макроструктури, відсутності дефектів лікваційного походження, ізотропності його фізико-механічних властивостей. Особливо ефективне вживання способу при виробництві порожнистих злитків для крупних поковок корпусів атомних і нафтохімічних реакторів, а також довгомірних товстостінних труб з високолегованих сталей і сплавів, чутливих - до сегрегації, для виготовлення устаткування, що експлуатується, зокрема в енергетиці і авіаційній техніці. 4 UA 99329 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 1. Спосіб отримання порожнистого злитка електрошлаковим переплавом (ЕШП) у водоохолоджуваному струмоведучому кристалізаторі з дорном, що формує порожнину в злитку, який відрізняється тим, що через стінку водоохолоджуваного дорну до шлаку в процесі електрошлакового переплаву порожнистого злитка підводять струм. 2. Пристрій для отримання порожнистих злитків ЕШП круглого перерізу, що містить струмоведучий водоохолоджуваний кристалізатор, виконаний з ізольованих одна від одної струмопідвідної секції, розміщеної в області шлакової ванни, і неструмоведучої секції, що формує зовнішню поверхню злитка, водоохолоджуваний дорн для формування внутрішньої порожнини заготівки ЕШП, джерело живлення, піддон, який відрізняється тим, що дорн виконаний секційним, а саме з ізольованих одна від одної струмопідвідної секції, розміщеної в області шлакової ванни, і неструмоведучої секції, що формує внутрішню поверхню злитка, і кожна з вищезгаданих секцій дорну знаходиться на рівні розміщення відповідних секцій кристалізатора, при цьому в стінці струмопідвідної секції водоохолоджуваного дорну по його периметру розміщений струмопідвідний елемент, виконаний у вигляді кільця з можливістю контакту з шлаковою ванною в процесі плавки. 3. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що струмопідвідні елементи кристалізатора і дорну приєднані паралельно до одного з полюсів джерела живлення і піддон - до іншого полюса джерела, на якому закріплена кільцева затравка порожнистого злитка, що виплавляється. 4. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що струмопідвідні елементи кристалізатора і дорну приєднані до різних полюсів джерела живлення. 5. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що джерело живлення сполучене з струмопідвідним елементом дорну і піддоном, на якому закріплена кільцева затравка порожнистого злитка, що виплавляється. 6. Пристрій за п. 2, який відрізняється тим, що введене додаткове джерело живлення, і струмопідвідні елементи кристалізатора і дорну приєднані до різних джерел живлення. 5 UA 99329 C2 6 UA 99329 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7