4.5. Печи электрошлакового переплава

Электрошлаковый переплав (ЭШП) разработан ИЭС им. Е. О. Патона и прошел промышленные испытания еще в 1958 г. Сущность процесса заключается в следующем. Расходуемый электрод погружают в слой жидкого электропроводящего флюса (шлака), размещенный в водоохлаждаемом металлическом кристаллизаторе, к которому примыкает водоохлаждаемый поддон. Переменный электрический ток, проходящий через расходуемый электрод и шлак, поддерживает последний в расплавленном состоянии (шлак шунтирует ток). Часть тепла, выделяемого в шлаковой ванне, передается электроду, торец которого оплавляется. Капли металла, стекающие с торца, проходят через слой шлака, очищаются от примесей и формируются в кристаллизаторе в виде слитка. В печах ЭШП предусмотрена изоляция зоны плавления от атмосферы. По сравнению с ВДП и ЭЛП электрошлаковый переплав дешевле, однако, его рафинирующая способность несколько ниже.

На рис. 181 показана схема типовой электрошлаковой печи. В состав ее оборудования входят полая колонна 1, на которой закреплена рейка 6, верхняя 2 и нижняя 8 каретки, а также кристаллизатор 16 с поддоном 13, установленные на выкатной тележке 11 с электроприводом 12. На верхней каретке смонтированы механизм перемещения 5 с шестерней 4 и зажимом 18 электрода 17. Подвижные части верхней траверсы уравновешены противовесом 7, которыи связан с кареткой посредством каната и перемещается внутри колонны. Нижняя траверса также снабжена механизмом передвижения 9, ее подвижные части уравновешены противовесом 10.

Обе каретки перемещаются по колонне на роликах 3, расположенных с четырех сторон. Верхняя каретка предназначена для перемещения электродов при их установке и в процессе плавки. Ток от печного трансформатора подводится по шинам, гибким кабелям и медным водоохлаждаемым трубам, расположенным на верхней каретке, к зажиму 18 электродов.

Нижняя каретка предназначена для удержания кристаллизатора 16 в процессе плавки и подрыва изложницы после формирования слитка 14. Для этого каретка снабжена лапами, а кристаллизатор – цапфами. Для глубокой очистки слитка при его кристаллизации служит слой шлака 15.

Кристаллизатор сборный с медным кокилем и кожухом из немагнитной стали. Кокиль изготовляют с уширением книзу для облегчения снятия кристаллизатора со слитка. Как кристаллизатор, так и медный поддон охлаждаются водой.

При раздевании слитка каретка 8 с помощью механизма 9 поднимается вверх. В некоторых крупных печах для начального отрыва кристаллизатора от слитка устанавливают гидроцилиндры. После снятия кристаллизатора со слитка тележка 11 выкатывается в сторону и слиток убирается краном.

Наряду с реечными механизмами перемещения электродов, в печах ЭШП применяют винтовые и канатно-барабанные механизмы. Независимо от конструкции, механизмы должны иметь рабочую скорость, регулируемую в пределах 0,008 – 0,08 м/мин и маршевую более 1,5 м/мин.

Рис. 181. Типовая печь ЭШП

4.6. Печи плазменно-дугового переплава

Один из наиболее экономичных и перспективных методов – плазменно-дуговой переплав (ПДП) применяют как для переплава металлов и сплавов в водоохлаждаемом кристаллизаторе, так и для плавки и рафинирования в керамическом тигле.

В качестве нагревателей в печах ПДП используют плазменные горелки или плазмотроны (рис. 182). В плазмотроне такой конструкции дуга образуется между катодом 3 из вольфрамового стержня и медным водоохлаждаемым анодом 5. К электродам подключают источник питания и зажигают между ними дугу. Под действием газового потока 7 дуга «выдувается» в узкое отверстие в аноде (сопле) и сжимается. Из сопла выходит струя плазмы 4, в ядре которой выделяется большое количество тепла в результате перехода ионизированного газа в первоначальное состояние (рекомбинация). Газ в камеру дуги подают аксиально или тангенциально по отношению к оси дуги, в результате чего между дугой и стенками камеры образуется прослойка холодного газа, охлаждающего не только периферию дуги, но и стенки камеры. Столб дуги плазмотрона стабилизируется вдоль его оси. Температура, достигаемая в плазмотронах, составляет 10000°С и более. В качестве плазмообразующих газов используют инертные газы, наиболее широко – аргон. Охлаждается плазмотрон водой, которая проходит по каналам 1, 2, 6, 8. Необходимое положение катода 3 устанавливают с помощью устройства 9.

Рис. 182. Плазмотрон

Печи ПДП для выплавки слитков в кристаллизаторе по конструкции мало отличаются от печей ЭЛП. Они содержат водоохлаждаемую герметичную плавильную камеру, вакуумную систему, механизмы подачи заготовки и вытягивания слитков. Скорость процесса наплавления в этих печах несколько выше, чем в печах ЭЛП. Перед началом плавки в камере создают разрежение для удаления активных атмосферных газов, после чего ее промывают и заполняют инертным газом.

На рис. 183 показана схема печи для переплава металлов и сплавов в водо-охлаждаемом кристаллизаторе. Печь представляет собой герметизированную камеру 1, в которую сверху вставлены плазмотроны 9, а снизу – водоохлаждаемый кристаллизатор 2. Сверху по оси кристаллизатора расположено устройство 13 для перемещения расходуемого электрода 11. Сбоку камеры посредством патрубка 8 подсоединена система откачки. Перед плавкой на поддон 4 укладывают затравку из того же металла, что и расходуемый электрод. Затем камеру уплотняют, откачивают газы, промывают и заполняют аргоном. После этого подают воду в систему охлаждения, включают источник постоянного тока и зажигают дугу. По мере наплавления слитка 3 его вытягивают с помощью устройства 6 в приемную камеру 5.

Для регулирования угла наклона плазмотронов предусмотрены упругие элементы (сильфоны) 10. Вода к кристаллизатору подводится через полую ось 7, выведенную концами за пределы камеры. Для компактности плавильная камера снабжена съемными камерами 5 и 12.

Приводы печей должны обеспечивать две скорости подачи электрода (заготовки) и вытягивания слитка: рабочую и маршевую. В нашей стране до последнего времени в основном применяли электрический привод, однако на новых (крупных) печах в механизмах вытягивания слитков используют гидравлический привод с программным управлением.

Наибольшее распространение получили электрические приводы, снабженные двускоростными редукторами индивидуального изготовления с подвижной шестерней или встроенными электромагнитными муфтами и приводы с дифференциальными или планетарными редукторами. Приводы отдельных печей различаются между собой в основном передаточным отношением зубчатого зацепления и мощностью.

Рис. 183. Печь ПДП