Актуальность проблемы. Металлургия базовая отрасль промышленности, где высокотемпературное оборудование является основным потребителем энергетических и сырьевых ресурсов. Поэтому особую актуальность приобретает проблема экономии используемых ресурсов путем углубления фундаментальных научных исследований и выработки на их основе новых технологических решений, совершенствования действующих пирометаллургических установок, внедрения методов их интенсификации и управления.
Расширяются инвестиции по финансированию автоматизированных и экологически чистых электросталеплавильных комплексов. Выплавка стали в России в 2003 г. составила 62,7 млн. т, на 2010 г. прогнозируется 70...72 млн. т. Производство электростали от этого объема составляет 16,70%.
Особое место в производстве высококачественных сталей и сплавов занимают вторичные рафинирующие переплавы: вакуумно-дуговой, электрошлаковый, плазменно-дуговой, электронно-лучевой эти процессы являются конечными в технологической цепи производства стали. Именно в результате этих переплавных процессов формируется микроструктура, происходит рафинирование и доводка стали до требуемых потребительских свойств. Технологические режимы рафинирующих переплавов определяются теплофизическими процессами, необходимость рассмотрения которых диктуется тем, что формирование слитка является агрегатным превращением при высоких и градиентах температуры как в самом слитке, так и элементах переплавных печей.
В связи с наметившимся увеличением производства качественной электростали, возникла необходимость теоретического обоснования вновь создаваемых промышленных процессов, оптимизации существующих технологических режимов, синтеза систем управления им. Рафинирующие переплавы требуют особого теоретического обоснования так как они обеспечивают особые качества сталям и сплавам. За последние годы явно ощущается дефицит в теоретических разработках этих процессов. В настоящее время нет обобщающей математической модели теплофизических процессов рафинирующих переплавов, позволяющей рассматривать процессы теплообмена с движущимися средами в широком диапазоне изменения начальных и граничных условий, параметров технологических режимов. Разработке теоретического обоснования вторичных рафинирующих переплавов, получению обобщающих математических моделей теплофизических процессов в них посвящена данная работа.
Работа выполнялась в соответствии с научно-техническими направлениями и программами ЮУрГУ, Министерства образования и науки РФ, с отраслевыми планами Министерства черной металлургии. При исследовании теплофизических процессов в распределенных системах были выполнены по научному направлению «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ» темы:
Математическое описание процессов теплообмена в противоточных теплообменных аппаратах. Вывод уравнений. Численное решение (№ 270). По научному направлению «Металлургия черных, цветных и редких металлов» выполнены темы: Математическое моделирование и управление процессов тепло-и массообмена в туннельной печи (№ 286). Исследование методами математического моделирования зависимости качества слитков от диаметра электрода и температурного поля ВДП (№ 79/98). Математическое моделирование зависимости качества слитков ВДП от термонапряжений (№ 81/96). Исследование особенностей кристаллизации поверхностной зоны слитков (№ МТ 2844-85).
- Математическое моделирование теплофизических процессов при ЭШП выполнялась при поддержке гранта Президента Российской Федерации МД 101.2003.08.
Объектами исследования являются пирометаллургические печи для получения высококачественных, жаростойких сталей и сплавов. Вакуумные дуговые печи (ВДП), электрошлаковые (ЭШП), вакуумные двухэлектродные (ВДЭП), плазменные дуговые (ПДП) в сфере металлургического производства образуют целую отрасль специальной металлургии.
Постановка задач, направленных на совершенствование тепловой работы изучаемых печей в значительной степени определяется спецификой протекающих в них технологических процессов. ЭШП, ВДП, ВДЭП являются высокоэффективными рафинирующими процессами, так как они повышают общую чистоту металла, снижают содержание в нем вредных примесей, устраняются ликвационные и усадочные дефекты, повышают служебные характеристики металла. Однако номенклатура сталей и сплавов, производимых для отраслей новой техники настолько широка и многообразна, а уровень требований к применяемому материалу настолько высок, что металлурги вынуждены продолжать поиски новых технологических режимов, процессов, обеспечивающих возможность производства сталей и сплавов новых, более сложных композиций, более эффективных условий энергосбережения и интенсификации рассматриваемых металлургических установок. Решение этих задач требует глубокого изучения сущности протекающих в них теплофизических процессов, создания научных методов их развития.
Быстрое, эффективное решение этих задач можно получить только на основе фундаментальных исследований методами математического моделирования теплофизических процессов, протекающих в переплавных печах, с применением современной вычислительной техники.
Разработка математических моделей теплообмена в переплавных печах и обоснование новых технических и технологических решений, оптимизация систем управления имеют существенное значение для ускорения научно-технического прогресса в спецметаллургии.
Целью работы является повышение эффективности работы высокотемпературных металлургических переплавных установок на основе результатов математического моделирования теплофизических процессов.
Основные задачи исследования:
Теоретическое обобщение методов анализа, расчета теплофизических процессов по всем зонам переплавных установок в целом.
-разработка и совершенствование инженерных методов расчета высокоэнергетических установок в направлении учета движения в них сред и теплообмена между ними;
-создание многомерных математических моделей сложного теплообмена между жидкометаллическими теплоносителями в металлургических переплавных печах;
-получение эффективных алгоритмов численного моделирования теплообменных процессов, устойчивых и быстродействующих при реализации;
- расчетно-теоретическое исследование влияния элементов конструкций и режимных параметров на показатели теплообмена в высокотемпературных металлургических печах с целью выявления рациональных условий их эффективной эксплуатации;
-проведение экспериментальных теплотехнических исследований переплавных процессов на промышленных установках с целью выявления особенностей их работы, получения необходимых параметров для построения математических моделей и оценки их адекватности;
-разработка и внедрение эффективных тепловых режимов, конструкций, методов управления работой действующих и вновь проектируемых переплавных металлургических установок на основе результатов математического моделирования высокотемпературного теплообмена.
Методы исследования. В работе использовались теоретические методы, включающие научный анализ теории тепломассообмена, математическое моделирование с применением современных средств вычислительной техники, экспериментальные исследования в лабораторных и промышленных условиях согласно действующим стандартам с привлечением современных методик и средств измерений основных теплотехнических параметров.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов исследований в области тепло- и массообмена, базирующихся на фундаментальных законах сохранения массы, энергии, импульса, уравнениях математической физики, теории подобия, методов решения сеточных уравнений, теории динамики сплошных сред.
Использованием методов математического моделирования, численных и натурных экспериментов, доказательством существования и устойчивости разностных схем. Обоснованность подтверждается:
• экспериментальной проверкой полученных математических моделей;
• сопоставлением теоретических результатов с опытными лабораторными и промышленными экспериментами;
• внедрением математических моделей в производство.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту. Теоретическое обобщение теплофизических процессов в объектах многослойной структуры (ОМС) на основе которого:
8
1. Разработаны новые и усовершенствованы существующие инженерные расчеты сложного теплообмена в многослойных по радиальной и продольной координатам системах между движущимися средами в переплавных металлургических печах ВДП, ЭШП, ВДЭП, включающие в себя:
- методику расчета теплообмена с учетом градиента скоростей в средах;
- методику расчета теплообмена с учетом потока тепла в направлении оси движения обусловленного турбулентной и молекулярной теплопроводности в жидкометаллических средах;
- методику вычисления частотных и переходных характеристик процесса теплопередачи для использования их в системах управления;
- методику выбора разностных схем при решении смешанных систем дифференциальных уравнений в частных производных высокого порядка, описывающих теплообмен в ОМС;
- доказательство устойчивости разностной схемы;
- методику расчета зависимости глубины конической части жидкой ванны от силы тока и диаметра электрода.
2. Впервые разработаны принципиально новые математические модели теплофизических процессов в высокотемпературных металлургических установках как объектах многослойной структуры:
- математическая модель теплофизических процессов при ВДП;
- математическая модель теплообмена в установках ВДЭП;
- математическая модель теплообмена при ЭШП.
3. На основе разработанных моделей теплофизических процессов как базовых получен целый комплекс математических моделей по оптимизации переплавных процессов с целью увеличения выхода товарного металла:
- математическая модель оптимального управления вывода усадочной раковины в головной части слитка;
- математическая модель формирования кристаллической структуры поверхностных слоев слитка;
- математическая модель зависимости толщины снимаемой стружки слитка от среднего расстояния в зазоре между дендритами;
- математическая модель формирования мелкодисперсной кристаллической структуры слитка с вращением жидкометаллической ванны.
4. Впервые получены расчетные оценки термоусадочных характеристик в формируемых слитках в любой момент времени наплавления и любой точке с целью прогноза образования трещин, назначения параметров технологических режимов для дальнейшего передела слитков (ковка, прокатка). Получены условия зависания слитка на контактном пояске в кристаллизаторе.
5. Комплексы программ для компьютерного обеспечения алгоритмов численного математического моделирования.
Личное участие автора в получении представленных научных результатов
Все приведенные в диссертации основные положения, теоретические результаты и выводы получены лично автором или при непосредственном
участии и под его научным руководством. Автору принадлежит постановка проблемы и решение задач исследования, обработка и обобщение полученных результатов, личное творческое участие и руководство всеми этапами реализации численных методов на ЭВМ, физических лабораторных и промышленных экспериментов. Некоторые задачи решались при участии П.В. Ефимова, М.С. Бугаева, Л.М. Пучкова, Г.А. Хасина. Большое влияние на формирование проблемы и некоторую помощь в ее решении оказали профессор Б.Н. Девятое, профессор Н.Д. Демиденко, профессор Е.В. Торопов.
Практическая значимость и реализация результатов работы
1. Разработаны и реализованы научно-обоснованные методы инженерных расчетов теплофизических процессов в коаксиальных трубчатых аппаратах с движущимися средами, включающая математические модели тепломассообмена, основанные на системах дифференциальных уравнений в частных производных высокого порядка, законов сохранения массы и энергии импульса. Все расчеты представлены в виде алгоритмов с программным компьютерным обеспечением.
2. Рассчитаны оптимальные режимы тепломассообменных процессов в тунельных печах по сушке пористых материалов и внедрены на ЛПК г. Красноярска.
3. Разработаны и внедрены в производство оптимальные режимы технологии переплавных процессов при ВДП на Златоустовском металлургическом заводе Минчермета.
Полученные математические модели теплофизических процессов в ОМС и предложенные на их основе технологические решения позволили:
- оптимизировать технологию вакуумной дуговой плавки, в результате чего удалось:
• при оптимальных значениях силы тока и диаметра электрода увеличить производительность переплава на 7... 13% в пределах того же качества металла слитка;
• рассчитать оптимальные режимы вывода усадочной раковины, реализация которых позволила повысить на 5% выход годного сплава;
• снизить энергозатраты на 14%;
• получить вакуумный дуговой металл с большей кристаллической однородностью;
- спрогнозировать влияние термонапряжений на формирование поверхностных слоев слитка;
- расширить теоретические представления о динамике теплофизических процессов в ОМС с капиллярно-пористой структурой.
Переданы в производство программные комплексы «ТЕПЛО 8», «ШЛАК», «ТЕПЛО 9».
4. Получены расчетные зависимости между температурными полями газожидкостной системы в теплообменных аппаратах холодильной установки, что позволило сократить на 20% число отказов в ее работе. Результаты внедрены на ООО «Завод сложной бытовой техники ПОЛЮС-М».
10
5. Разработана математическая модель формирования кристаллической структуры поверхностных слоев слитка и программный комплекс «Кристалл Слой» переданы ОАО ЗМК, ОАО «Завод Булат». Использование компьютерного расчета момента доливки «холодного» металла сокращает время на подготовку производства металла. В результате улучшается качество поверхностных слоев, увеличивается выход годного металла на 2...3%.
6. Результаты исследования некоторых теплофизических процессов апробированы в учебном процессе, опубликовано учебное пособие «Математические модели теплофизических процессов при вакуумном дуговом переплаве» для студентов, обучающихся по специальностям 110300 -«Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей», 110100 -«Металлургия черных металлов». Учебное пособие объемом 10,23 печатных листов издано с грифом УМО по образованию в области металлургии.
Апробация работы и публикации
Основные результаты работы доложены и обсуждены на Международных, Всесоюзных, Российских и Межвузовских конференциях, симпозиумах и совещаниях:
Юбилейной конференции по итогам научных исследовательских работ СТИ, Красноярск, 1967; Второй Межвузовской конференции по автоматизации химических производств, Москва, 1968; Вузовской конференции по итогам научно-исследовательских работ, Красноярск, СТИ, 1969; Межвузовской конференции по автоматизации химических производств, СТИ, 1971; Научно-технической конференции молодых ученых, Красноярск, СТИ, 1976; IX научно-технической конференции «Неразрушающие методы контроля», Киев, 1976; IV Всесоюзной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали», Челябинск, ЧПИ, 1980; Научно-технической конференции «Совершенствование машиностроительных материалов, конструкций машин и методов обработки деталей», ЧПИ, ЧГТУ, ЮУрГУ, 1978, 1980, 1995, 1996, 2000; Второй Всероссийской ФАМ конференции, Красноярск, ИВМ СОР АН, 2003; VI Международной конференции ВМТ г. Курск, 2003; III Международной конференции «Математическое моделирование в образовании, науке, производстве» г. Тирасполь, 2003; III Региональной научно-технической конференции, г. Магнитогорск, 2004; XII Международной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали», г. Челябинск, 2004; Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование — 2004», Санкт-Петербург, 2004.
По материалам диссертационной работы опубликовано 48 печатных работ, 1 монография, 1 коллективная монография.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов. Основное содержание изложено на 308 страницах машинописного текста, включая 28 таблиц и 56 иллюстрации. В списке литературы приведено 219 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, приложения.
11
ВВЕДЕНИЕ
В области моделирования и управления системами с распределенными параметрами перед исследователями возникает целый ряд задач, решение которых имеет важное теоретическое и прикладное значение. Одной из таких задач является проблема разработки математических моделей вторичных рафинирующих переплавов как теоретической базы для синтеза систем управления, оптимизация самих процессов, проектирование новых.
Развитие новых отраслей техники, и прежде всего авиакосмической, атомной, энергетической и ряда других, во многом определяется состоянием и техническим уровнем производства легированных сталей и сплавов, способных работать в самых разнообразных условиях. Современная техника нуждается в материалах, надежно работающих от температуры, близкой к абсолютному нулю, до температур в несколько тысяч градусов, при знакопеременных и вибрационных нагрузках, под воздействием радиоактивных излучений, в агрессивных средах, в условиях глубокого вакуума и резких теплосмен.
Решение этих задач потребовало, во-первых, коренного улучшения качества производимых сталей и сплавов и, во-вторых, создания новых материалов.
Традиционными методами выплавки и разливки в ряде случаев нельзя получить металл требуемого качества. Взаимодействие жидкой стали в процессе выплавки и разливки с огнеупорными материалами, шлаком и атмосферой неизбежно приводит к значительному загрязнению металла неметаллическими включениями и газами. Затвердевание металла в чугунных изложницах сопровождается дефектами кристаллизационного (усадочные раковины, пористость, трещины и т.д.) и ликвационного происхождения.
Для повышения чистоты металлов и улучшения их физико-механических свойств металлурги используют различные виды воздействия на металл. Эти виды воздействия можно условно разделить на 4 группы:
1) применение шлаков или газов в качестве рафинирующих реагентов для проведения реакции дефосфорации и десульфурации, экстрактивной вытяжки из металла растворенных газов и удаления неметаллических включений;
2) повышение температуры металлов, которое приводит к интенсификации процессов раскисления их растворенным углеродом, всплыванию неметаллических включений и т.п.;
3) вакуумирование металла, значительно повышающее раскислительную способность углерода и снижающее содержание растворенных газов и легкоплавких примесей цветных металлов, а также неметаллических включений путем их флотации при барботировании металла;
4) принудительную кристаллизацию в водоохлаждаемых кристаллизаторах; это дает возможность, регулируя скорость кристаллизации, получать желаемую макроструктуру, повышать плотность металла, оттеснять в металлическую ванну неметаллические включения с низкой адгезией, получать слитки без зональной ликвации, газовых пузырей и практически без усадочных раковин.
12
Последние 25-30 лет ознаменовались значительными успехами в повышении качества металла, что главным образом связано с развитием в сфере металлургического производства новой отрасли — специальной металлургии. Она связана с применением одного или нескольких рафинирующих воздействий для коренного улучшения качества металла.
Наиболее прогрессивными являются процессы переплава металла, так как они позволяют одновременно использовать три средства из четырех. Переплавные процессы объединены в особую группу специальной электрометаллургии — вторичных рафинирующих процессов. Общими для них являются переплав расходуемых заготовок (электродов), капельный перенос электродного металла, последовательная кристаллизация его в водоохлаждаемом кристаллизаторе, электрический источник тепла, под действием которого плавится металл. В то же время вторичные рафинирующие процессы различаются характером преобразования электрической энергии в тепловую, наличием или отсутствием вакуума и шлака в плавильном пространстве и рядом других особенностей.
Качество готовых изделий, их надежность и ресурс работы определяются содержанием в металле вредных примесей, а также химической и физической однородностью. Из двух стадий сталеплавильного производства — стадии получения жидкого металла требуемого химического состава и стадии разливки и кристаллизации слитка — наиболее несовершенной была вторая стадия. В самом деле, совершенствование технологии выплавки и раскисления стали способствовало достижению в металле низкого содержания вредных примесей, газов, неметаллических включений. Указанный эффект можно усилить, используя специальные методы повышения чистоты жидкого металла, такие как внепечное вакуумирование, обработка стали жидкими синтетическими или рафинировочными шлаками. Радикально эти вопросы решаются путем применения для выплавки легированных сталей и сплавов вакуумных индукционных печей или плазменно-дуговых печей с керамическим тиглем. Однако, достигая относительно высокого качества жидкого металла, металлурги проигрывали на второй стадии сталеплавильного производства — на стадии разливки и кристаллизации металла.
Стальной слиток, закристаллизовавшийся в чугунной изложнице, имеет ряд недостатков:
а) вторичное окисление металла и поглощение им азота при выпуске из печи в разливочный ковш и при заливке из ковша в изложницы способствуют образованию грубых корок оксидных и нитридных включений;
б) металл загрязняется шлаковыми экзогенными включениями в результате размывания футеровки, выпускного желоба, ковша и сифонной проводки;
в) слитки имеют дефекты типа плен, трещин и т.п.;
г) в слитке наблюдаются дефекты ликвационного и усадочного происхождения, такие как зональная ликвация, осевая пористость, усадочные раковины;
д) неметаллические включения и избыточные фазы, например карбидные, боридные, or-феррит, ?-феррит и т.п., распределены неравномерно.
13
Получения качественного слитка на практике добиваются различными путями:
а) отрабатывают оптимальную технологию разливки определенных групп сталей и сплавов и прежде всего определяют способ разливки (сверху или сифоном), скорость разливки, температуру металла;
б) применяют различные варианты защиты струи расплавленного металла и мениска в изложнице (инертные газы, шлаки, предварительно расплавленные в электрической печи или вводимые в изложницу в виде экзотермических смесей и брикетов, петролатум и т.п.);
в) различными специальными способами повышают тепловой центр слитка, для уменьшения дефектов кристаллизационного происхождения в основном используют обогрев головной части слитка (электродуговой обогрев, плазменно-дуговой обогрев, электрошлаковая подпитка и т. п.) и применяют изложницы и надставки, позволяющие в той или иной мере осуществить направленный снизу вверх теплоотвод.
Указанными выше методами в известной степени можно улучшить качество слитка, в частности уменьшить величину усадочной раковины, количество дефектов типа трещин и плен, повысить качество поверхности, однако таким путем нельзя радикально улучшить макроструктуру слитка, уменьшить сегрегацию элементов и обеспечить равномерное распределение включений в слитке.
Для коренного улучшения структуры слитка необходимо обеспечить направленную снизу вверх кристаллизацию, протекающую с определенной скоростью. При вторичных рафинирующих процессах направленное затвердевание обеспечивается применением водоохлаждаемого поддона и тепловой изоляцией боковых стенок кристаллизатора в сочетании с наличием теплового центра в головной части слитка. Очень важным обстоятельством является определенная скорость кристаллизации и ее сочетание с рафинированием металла при переплаве. Эти условия обеспечивают получение слитка с минимальным содержанием вредных примесей и развитием химической и физической неоднородности, и должны быть учтены при разработке математических моделей. Проведем краткий анализ вторичных рафинирующих переплавов.
Сущность ВДП состоит в переплаве металла в вакуумной дуговой печи в результате его нагрева и плавления электрической дугой большой мощности, капельном переносе электродного металла и последовательном затвердевании металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе.
Промышленные ВДП в связи с малой устойчивостью дуги переменного тока в вакууме работают на постоянном токе прямой полярности (минус на электроде).
При ВДП качество металла повышается в результате действия следующих основных факторов:
1) направленной снизу вверх кристаллизации слитка;
2) обработки металла вакуумом на трех стадиях его существования в жидком виде (на торце оплавляемого электрода в виде тонкой пленки, в процессе
14
формирования капли и протекания ее с торца электрода в ванну кристаллизатора, в ванне кристаллизатора);
3) достаточно высокой температуры металла и значительного развития поверхности реагирования, что способствует протеканию физико-химических процессов.
Качество металла, переплавленного в вакуумной дуговой печи, значительно выше качества металла, выплавленного традиционными методами (в дуговой печи, конверторе, мартеновской печи) и отлитого в чугунные изложницы:
1) слиток ВДП более плотен и однороден; в нем значительно меньше развиты дефекты кристаллизационного и ликвационного происхождения;
2) содержание газов и неметаллических включений при переплаве значительно снижается; неметаллические включения и избыточные фазы (карбидные, боридные и т.д.) диспергированы и распределены более равномерно;
3) меньше содержание вредных цветных примесей (свинца, сурьмы, цинка, висмута, олова, меди и т.д.);
4) выше пластические характеристики металла (относительное удлинение, относительное сжатие, ударная вязкость) в поперечном направлении при комнатной и рабочих температурах, что повышает изотропность металла;
5) выше технологическая пластичность металла при температурах деформации;
6) лучше обрабатываемость изделий и их эксплуатационные свойства (полируемость, ресурс работы изделий, склонность к образованию трещин, усталостные характеристики и т.п.).
В то же время анализ технико-экономических показателей ВДП и качества металла показывает, что метод ВДП имеет ряд недостатков:
1) наличие жесткой связи источника нагрева и переплавляемой заготовки при малых диапазонах варьирования параметров плавки затрудняет в ряде случаев получение слитков без дефектов; указанное обстоятельство является принципиальным препятствием при получении слитка большого диаметра (больше 1,5 м);
2) методом ВДП нельзя улучшать качество сталей легированных марганцем и азотом, вследствие удаления последних при переплаве;
3) низкое качество поверхности слитка ухудшает экономическую эффективность ВДП;
4) сложность производства слитков квадратного или прямоугольного сечения; круглые слитки ВДП перед прокатом необходимо перековывать на квадратную или прямоугольную заготовку, что усложняет схему передела и повышает себестоимость металла.
Эти обстоятельства обусловили разработку других процессов вторичного рафинирующего переплава и, в частности, вакуумно-дугового двухэлектродного переплава (ВДЭП).
Сущность ВДЭП заключается в расплавлении двух расходуемых электродов, расположенных радиально в вакуумной дуговой печи, электрической дугой большой мощности между этими электродами, капельном переносе электродного
15
металла и последовательном затвердевании металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе.
При ВДЭП качество металла повышается в результате действия следующих основных факторов:
1) направленной снизу вверх кристаллизации;
2) обработки пленки металла вакуумом на торцах электродов, капель металла падающих в ванну кристаллизатора;
3) достаточно высокой температуры металла, способствующей протеканию физико-химических процессов.
Эффективность ВДЭП характеризуется следующим образом:
1) высокая производительность переплава;
2) пониженный расход электроэнергии;
3) мелкозернистая структура металла;
4) снижена тепловая нагрузка на кристаллизатор, так как источник энергии неподвижен и находится вне кристаллизатора.
В то же время метод ВДЭП имеет ряд недостатков:
1) в виду усложнения конструкций печей ВДЭП, возрастает стоимость оборудования;
2) методом ВДЭП нельзя улучшать качество сталей легированных марганцем и азотом, вследствии удаления последних при переплаве;
3) как и при ВДП, низкое качество поверхности слитка ухудшает экономическую эффективность ВДЭП.
Если в качестве источника энергии при вторичном рафинирующем переплаве взять не электрическую дугу, а другие источники энергии: тепло выделяющиеся в шлаковой ванне, электронный луч, плазму то получим соответственно ЭШП, ЭЛП, ПДП.
Сущность ЭШП заключается в расплавлении расходуемого электрода в электрошлаковой печи теплом, выделяющимся в слое шлака при прохождении через него электрического тока, капельном переносе электродного металла и последовательном затвердевании металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе.
Слиток при ЭШП может быть получен вытягиванием наплавленного слитка из кристаллизатора, перемещением водоохлаждаемого кристаллизатора вдоль наплавляемого слитка, заполнением кристаллизатора. В первом и во втором случаях кристаллизатор должен быть относительно коротким и может быть осуществлена схема непрерывного или полунепрерывного получения электрошлакового слитка; в третьем случае длина водоохлаждаемого кристаллизатора должна превышать длину наплавляемого слитка, и процесс наплавления осуществляется периодически.
При ЭШП качество металла улучшается в результате действия следующих факторов:
1) направленной снизу вверх кристаллизации слитка;
2) эффективной обработки шлаком расплавленного металла на торце расходуемого электрода, при прохождении капли электродного металла через шлаковую ванну и на поверхности раздела шлаковой и металлической ванн.
16
Высокая температура металла, развитая поверхность реагирования, применение шлаков различных композиций обеспечивают активное протекание необходимых физико-химических процессов.
Эффективность ЭШП характеризуется следующим образом:
1. ЭШП обеспечивает получение слитков с осевой или радиально-осевой плотной структурой, без ликвационных и усадочных дефектов.
2. Содержание неметаллических включений кислородного происхождения, так же как и содержание кислорода, снижается в 2-3 раза. Неметаллические включения и избыточные фазы имеют мелкодисперсный характер и равномерно распределены по высоте и сечению слитка.
3. Электрошлаковый металл обладает высоким уровнем технологической пластичности при температурах деформации.
В отличие от ВДП методом ЭШП можно улучшать качество сталей, легированных азотом и марганцем.
Детальное сопоставление технико-экономических показателей и качества металла позволило отметить следующие достоинства ЭШП по сравнению с вакуумным дуговым переплавом: хорошую поверхность слитка, более высокий выход годного металла, более высокие технико-экономические показатели переплава. С другой стороны, в большинстве случаев вакуумный дуговой металл несколько более чист, чем электрошлаковый, по неметаллическим включениям и газам. По качеству макроструктуры, механическим, пластическим и жаропрочным свойствам электрошлаковый металл равноценен вакуумному дуговому металлу.
В то же время ЭШП, так же как и ВДП, имеет оопределенные недостатки:
1. Наличие жесткой связи источника нагрева и переплавляемой заготовки создает определенные трудности при производстве слитков большого диаметра. Однако необходимо подчеркнуть, что диапазоны управления параметрами ЭШП значительно шире, чем при ВДП. Это связано с возможностью достаточно широкого варьирования при ЭШП диаметра расходуемого электрода, силы тока и напряжения, электропроводности применяемых шлаков.
2. Неполностью решен вопрос о сохранении при ЭШП высокоактивных легирующих компонентов, в первую очередь титана.
3. До настоящего времени не выявлена эффективность ЭШП при переплаве прецизионных сплавов типа 50Н, 79НМ, Н29К18.
4. Высокая стоимость переплавного металла.
Сущность ЭЛП заключается в переплаве металлических заготовок в электроннолучевой печи в результате их нагрева и плавления энергией электронного луча, капельном переносе электродного металла и последовательном затвердевании металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе. В отличие от ВДП и ЭШП жесткая связь источника нагрева с переплавляемой заготовкой отсутствует. Переплавляемая заготовка не участвует в электрической цепи источника нагрева и, следовательно, не является расходуемым электродом. Отсутствие связи источника нагрева с переплавляемым электродом обеспечивает широчайшие возможности для управления скоростью переплава и, в конечном
17

Получить работу