Оборудование и основы технологии проектирования электросталеплавильных цехов (стр. 3 из 4)

Вместе с тем следует отметить, что широкое применение ЭЛУ в электросталеплавильном производстве сдерживается рядом факторов, к числу которых относятся: низкие производительность и КПД, сложность изготовления и высокая стоимость высоковольтных источников питания постоянного тока, сложность изготовления отдельных узлов, необходимость применения сложного и мощного вакуумного оборудования и использования высококвалифицированного обслуживающего персонала. Так, при одинаковой мощности 150-200 кВт массовая скорость плавки в ВДП составляет 5—10 кг/мин, а в ЭЛУ - 0,4-0,5 кг/мин, т.е. в 10-20 раз меньше, общий КПД электронно-лучевой плавки составляет только ~ 10 %.

Для плавильных установок электронно-лучевого нагрева наибольшее распространение получили агрегаты с аксиальными пушками, единичная мощность которых доходит до 7500 кВт (рис. 50). ЭЛУ с аксиальными пушками характеризуются наличием сильно сфокусированного конусообразного электронного луча, 'формируемого в пространстве, отделенном от плавильной камеры установки. У мощных аксиальных пушек промышленных плавильных установок имеется массивный катод косвенного нагрева, который разогревается до рабочей температуры посредством бомбардировки его электронами от вспомогательного катода К1, выполненного в виде вольфрамовой спирали, нагреваемой за счет прохождения через нее тока от самостоятельного накального трансформатора. Основной катод К представляет собой вогнутую снизу вольфрамовую линзу диаметром 2,5-4,0 см, что обеспечивает формирование сходящегося электронного луча. Между вспомогательным и основным катодами приложено напряжение постоянного тока 3,5-5,0 кВ (основной катод в данном случае по отношению к вспомогательному катоду, играет роль анода). Основной анод/1 имеет специфическую форму, которая обеспечивает прохождение всего электронного пучка полностью через анодное отверстие. Ускоряющее напряжение 30-40 кВ прикладывается к основному катоду (минус) и основному аноду (плюс). Выйдя из основного анода, пучок электронов попадает в лучепровод Л, соединяющий катодную камеру пушки с плавильной камерой ЭЛУ. Длина электронного луча от основного катода до поверхности жидкого металла в кристаллизаторе на промышленных установках с аксиальными пушками достигает 1-2 м. Назначение лучепровода заключается в защите катодного узла пушки от попадания в него газов из плавильной камеры. С этой целью лучепровод имеет самостоятельную систему откачки. Таким образом, в ЭЛУ с аксиальными пушками имеются три автономные системы откачки: катодного узла, лучепровода, плавильной камеры. Благодаря этому в зоне формирования электронного луча поддерживается стабильное остаточное давление в пределах 5 • 10 2-5 • 10 3 Па, исключаются попадание паров металла и вероятность электрических пробоев, что в конечном счете обеспечивает надежную работу катода, стойкость которого составляет сотни часов. Проходя через лучепровод, электронный пучок расширяется, поэтому для его дополнительного сжатия проводят магнитную фокусировку с помощью магнитных линз М (соленоидов).

В плавильных ЭЛУ с аксиальными пушками, предназначенными для переплава, заготовки могут подаваться вертикально или горизонтально. Равномерное оплавление заготовок в ряде случаев обеспечивается их вращением. Кристаллизаторы применяются медные водоохлаждаемые. Для облегчения вытягивания слитка кристаллизатор в верхней части имеет цилиндрическую форму, а в нижней он расширяется в виде конуса. Механизм вытягивания слитка представляет собой водоохлаждаемый шток с закрепленной на нем затравкой. Шток проходит через вакуумное уплотнение под плавильную камеру, где он соединяется с приводом механизма вытягивания.

В плавильной камере размещаются переплавляемая заготовка, электронные пушки и кристаллизатор. Стенки камеры делаются двойными водоохлаждаемыми. В камеру вварены патрубки для ее соединения с вакуумной системой. Гляделки для визуального наблюдения за процессом переплава снабжены поворотным диском с промежуточными защитными стеклами, которые по мере запыления заменяют. Характеристика ЭЛУ, предназначенных для переплава стали и сплавов, приведена в табл.16. Установка ЕМО-1200, предназначенная для получения стального слитка массой до 18т, показана на рис. 4.

Электроннолучевая печь типа ЕМО-1200 с горизонтальной подачей заготовок

1 - электронная аксиальная пушка; 2 — слиток; кристаллизатор; 4 — подача заготовок; 5 — вакуумные насосы

4. Установки плазменно-дугового переплава в водоохлаждаемый кристаллизатор

Установки указанного типа предназначены для переплава заготовок металла, а также гранул и порошка в условиях нейтральной атмосферы - аргона с помощью низкотемпературной - плазмы. Плавка в инертной атмосфере равноценна раскислению и дегазации жидкого металла в вакууме, если парциальное давление азота, водорода, паров воды и оксида углерода в атмосфере печи достаточно мало. Наличие водоохлаждаемого кристаллизатора, в котором формируется слиток в процессе тгереплава заготовки (гранул, порошка), обеспечивает возможность получения плотной мелкозернистой структуры металла. Сохраняя достоинства установок вакуумно-дугового (ВДП) и электронно-лучевого переплава (ЭЛУ), установки плазменно-дугового переплава (ПДП) в кристаллизатор отличаются простотой конструкции, большей безопасностью в эксплуатации. Плазяатроны этих установок выполняются только с металлическими катодами из вольфрама. Схемы плазменных яечей для переплава в кристаллизатор с вертикальным и радиальным размещением плазматронов показаны на рис. 5.

Рис. 5.Схемы плаз-менно-дуговых печей с вертикальным (а) и радиальным (б) размещением плазма-тронов

1 — источник питания; 2 — рабочая камера; 3 — плазма-трон; 4 — переплавляемая заготовка; 5 — кристаллизатор; 6 — слиток

Особенностью указанных печей является их оборудование системой рециркуляции, плазмообразующего газа производительностью до 50 м3/ч и вакуумной системой для удадения воздуха из плавильной камеры. Установки ИЭС им. Е.О.Патона нашли применение для переплава жаропрочных и прецизионных сплавов, а также подшипниковых, конструкционных и коррозионностойких сталей с вытягиванием слитка по мере его наплавления из кристаллизатора. Ниже приведена техническая характеристика плазменных печей для переплава в кристаллизатор:

Установка ....	У-461	У-468	У-550	У-600
Мощность плазматронов, кВт	160	240	2000	1800
Напряжение питания плазматронов, В	40-80	40-80	До 200	До 200
Число плазматронов, шт	4	6	6	6
Максимальный диаметр слитка, мм	100	150	630	650
Максимальная масса слитка, кг	30	130	3500	5000
Скорость вытягивания слитка, мм/мин	0,5-30,0	1,0-10,0	1,5-15,0	2,0-20,0
Высота установки, м	3,52	5,26	10,0	19,35
Площадь плавильной камеры с рабочей площадкой, м2	10,5	10,5	48,0	48,0

К основным достоинствам плазменной печи для плавки в кристаллизатор относятся: возможность выплавки слитков различного профиля при дозированной подаче флюса в центр металлической ванны; наличие перемешивания жидкой ванны за счет воздействия на него потоков плазмообразующего газа; наличие защитной атмосферы нейтрального газа.

Рис. 6. Схема (а) и общий вид (tf) многоплазматронной переплавной плазменно-дуговой печи типа У-600

1 — расходуемая заготовка; 2 — рабочая камера; 3 — плазматроны; 4 — слиток; 5 - кристаллизатор; 6 -механизм вытягивания слитка; 7 — механизм подачи и вращения заготовки

5. Вакуумные индукционные печи

Вакуумные индукционные печи (ВИП) предназначены для плавки и рафинирования высоколегированных сталей, жаропрочных и прецизионных сплавов с низким содержанием углерода с таким расчетом, чтобы во время плавки поддерживалось остаточное давление 10-1—10-2 Па. ВИП работают на отходах собственного металлургического производства и чистых металлических материалах. Крупные ВИП иногда вместо твердой завалки используют жидкий полупродукт, выплавленный в других агрегатах (обычно ДСП). По сравнению с другими плавильными установками специальной электрометаллургии ВИП имеет следующие преимущества:

1) жидкий металл можно длительное время выдерживать в вакууме. Это обеспечивает глубокую дегазацию, раскисление и очищение стали от неметаллических включений и примесей цветных металлов;

2) можно выплавлять любые сложные по химическому составу стали и сплавы, наличие электромагнитного перемешивания металла создает благоприятные условия для быстрого растворения легирующих добавок;

3) простота регулирования мощности и дозировки энергии обеспечивает быстрый перегрев металла до требуемого уровня с высокой точностью.

К недостаткам ВИП относятся: загрязнение металла материалом тигля, холодные шлаки, низкая стойкость тигля (20—50 плавок на промышленных печах).

Электрический КПД вакуумной индукционной печи при плавке сталей составляет η = 0,7÷0,8.

В индукционных тигельных печах, к которым относится ВИП, происходит естественная циркуляция расплавленного металла, обусловленная электродинамическими усилиями. Циркуляция металла возникает при взаимодействии вихревых токов, протекающих в жидком металле, с током индуктора.. Равнодействующая сила, направленная от индуктора на металл, приходится на среднюю часть тигля. Это приводит к возникновению в расплаве так называемой двухконтурной циркуляции, когда расплав в верхней части ванны выдавливается вверх, а в нижней — вниз, образуя самостоятельные контуры движения металла (рис. 55, а). В результате в центре тигля поверхность металла поднимается, образуя выпуклый мениск.