Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛОГО СЛИТКА

Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано при электрошлаковой выплавке качественной стали в печах [1, 2] методом ЭШП при переплаве [3] расходуемых металлических электродов в кристаллизаторе с получением [2] полых или сплошных слитков (заготовок).

Известны печи электрошлаковой выплавки стали [2, 3], в которых сущность процесса получения полых литых слитков [2] заключается в следующем. Технология электрошлаковой выплавки стали [3] для полых (сплошных) заготовок (слитков) предусматривает необходимость тщательного контроля положения охлаждаемого дорна [1] относительно выплавляемого слитка с применением системы автоматического регулирования процессов электроплавки [2].

Выплавка стали методом ЭШП осуществляется, например, в печи типа У-578 со следующими ее конструктивными особенностями [2]. Кристаллизатор (17) и поддон (19) вместе со столом (20), на котором они установлены, располагаются на специальной площадке (1). Верхняя часть печи ЭШП состоит из колонны (8), закрепленной своим основанием (21) на станине коробчатого типа (2), тележки (6) кристаллизатора, тележки (9) электрододержателя, электроприводов (5) и (10), электрододержателя (13), инвентарной головки (14), стола (20) с гидропневмоприводом (3), поддона (19), кристаллизатора (17), приемной воронки (18), источника тока (11), короткой сети (7), дозатора, аппаратуры управления печью, системы воздухо- и водоснабжения и системы вентиляции. Нижняя часть печи [2] состоит из станины (2), закрепленной на фундаменте (1), суппорта (22) внутреннего, кристаллизатора (дорна), привода суппорта дорна (23) и собственно дорна (16).

В качестве расходуемых металлических электродов (15) для выплавки полых слитков в печи ЭШП используются [1, 2] стержни сплошные или полые [2] различного диаметра и конфигурации. Расходуемые электроды (стержни) в рабочем положении удерживаются инвентарной головкой (14) кассетного типа. Инвентарная головка зажимается клещевым электрододержателем (13), а механизм зажатия электродов является грузопневмогидравлическим [2]. Кристаллизатор, дорн, поддон на печи У-578 являются охлаждаемыми с применением системы подачи воды. Печь электрошлаковой выплавки стали (ЭШВС) работает на жидком шлаковом старте. Заливка жидкого флюса [1, 3], предварительно приготовленного на флюсоплавильной установке, в кристаллизатор производится сифонным способом через приемную воронку (18).

Ток плавки ЭШВС задается оператором вручную или с помощью задающего программного устройства [2] и поддерживается автоматически с помощью САР. Дорн (16), формирующий полость в выплавляемом слитке, выполнен в виде усеченного конуса, уширенного в нижней части [1, 2]. В процессе плавки дорн перемещают вниз с помощью суппорта (22) и его привода (23). В процессе ЭШВС перемещение дорна осуществляется автоматически с помощью САР. На печи ЭШВС [2] предусмотрен дозатор, с помощью которого можно подавать на шлаковую ванну дозируемое количество добавочного флюса, раскислителей, легирующих элементов и других сыпучих материалов.

Печи ЭШВС обладают [2, 3] несомненным достоинством, заключающимся в том, что полые слитки (заготовки) выплавляются в печи ЭШП по методу заполнения и поэтому они имеют гладкую наружную поверхность, а перемещение дорна в процессе плавки вниз, т.е. в сторону, противоположную направлению роста слитка, почти полностью исключает образование на внутренней его поверхности надрывов. Выбор оптимального состава основного и дополнительного флюса на образование шлака, оптимизация расхода раскислителей и температурного режима выплавки позволяет получать слитки со значительным снижением концентрации серы в металле ЭШП, а также с низким содержанием кислорода и неметаллических включений в слитке.

Тем не менее, все эти [1] и другие известные модели печей [2, 3] электрошлаковой выплавки стали методом ЭШП обладают [3] значительными недостатками, заключающимися, например, в том, что дополнительная подача шлакообразующих (флюсов), раскислителей, легирующих и других материалов осуществляется на шлаковую ванну в кристаллизаторе компактно [2] через дозатор и воронку (18), т.е. без учета температурного и вязкостного состояния шлакометаллического расплава, что не обеспечивает равномерное и быстрое растворение шлакообразующих смесей (например, извести), а CaO зачастую комкуется и долго растворяется в шлаке. Эти недостатки могут быть устранены при использовании [4] датчиков контроля температуры с ЭХЭ (электрохимические элементы), позволяющих по ходу плавки в печи ЭШВС методом ЭШП измерить температуру шлака и металла в ванне кристаллизатора, определять содержание кислорода и других элементов в жидком металле, а также находить положение границы раздела шлак-металл с определением количества шлака и металла в печи ЭШВС. Представляется возможным также осуществлять [4] непрерывную рассредоточенную подачу шлакообразующих (флюсов) и других материалов на шлаковую ванну через осевые отверстия в расходуемых полых электродах печи ЭШП. Однако эти технологические приемы в печах ЭШП [1, 2] на практике [3] не используются.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и постигаемому результату является [5] печь электрошлаковой выплавки стали для получения полых слитков методом ЭШП, которая позволяет реализовать переплав расходуемых полых металлических электродов на основном флюсе с применением добавочного флюса и раскислителей по ходу процесса выплавки литой трубной заготовки. В процессе переплава [5] кристаллизатор с дорном перемещаются по слитку по мере его наплавления навстречу плавящимся расходуемым электродам. На полом слитке с наружной и внутренней его стороны образуется шлаковый гарнисаж из флюса. Для компенсации флюса, затраченного на образование гарнисажа, через дозатор и воронку в течение всей плавки на шлаковую ванну поступает порциями добавочный флюс, который не растворяется равномерно, как и в других [1, 2] известных моделях печей [3] электрошлакового переплава [5].

Недостатком этой известной модели печи [5] электрошлаковой выплавки стали методом ЭШП является невозможность получения полого слитка высотой более 3 м, т.к. количество флюса уменьшается к концу переплава, а известь (CaO) комкуется и плохо растворяется в шлаке и, кроме того, меняется состав шлака и его свойства, что сказывается на изменении свойств и показателей качества выплавляемого стального слитка.

Техническим результатом изобретения является создание печи ЭШВС для получения трубных слитков, высокого качества требуемой высоты с одинаковыми свойствами стального слитка по всей высоте и сечению с обеспечением оптимального температурного режима и качественных показателей состава шлакового и металлического расплава по ходу процесса плавки.

Технический результат достигается следующим образом.

Электрошлаковая печь для получения полого слитка, содержащая установленный на станине поддон для формирования слитка, дорн с системой его охлаждения, расходуемые металлические электроды, каретку электрододержателя, установленную с возможностью вертикального перемещения по колонне по мере переплава упомянутых электродов, каретку с кристаллизатором с шлакометаллическим расплавом, установленную с возможностью перемещения по колонне навстречу упомянутым электродам, и устройство с патрубками для подачи раскислителей и шлакообразующих сыпучих материалов, отличающийся тем, что она содержит датчик контроля температуры с электрохимическим элементом (ЭХЭ), интерфейс компьютерной системы и систему контроля уровня заглубления торцов упомянутых электродов в кристаллизатор со шлакометаллическим расплавом, при этом расходуемые металлические электроды выполнены с возможностью вращения вокруг своей оси и с осевыми отверстиями по всей длине, которые механически соединены с патрубками устройства для подачи раскислителей и шлакообразующих сыпучих материалов в зону переплава торцов упомянутых электродов, а интерфейс компьютерной системы соединен с системой контроля уровня заглубления торцов упомянутых электродов в кристаллизатор со шлакометаллическим расплавом и с выходными параметрами датчика контроля температуры с ЭХЭ, закрепленного на корпусе кристаллизатора.

Датчик контроля температуры с ЭХЭ выполнен с возможностью вертикального перемещения в шлакометаллический расплав относительно границы раздела шлак-металл при переплаве торцов упомянутых электродов.

Датчик контроля температуры с ЭХЭ размещен параллельно упомянутым электродам.

Интерфейс компьютерной системы соединен с выходными параметрами датчика контроля температуры с ЭХЭ с возможностью фиксации положения уровня границы шлак-металл в кристаллизаторе по ходу переплава упомянутых электродов.

Поставленная цель достигается тем, что сущность изобретения предусматривает печь электрошлаковой выплавки стали (ЭШВС) для получения трубных слитков, включающую водоохлаждаемый дорн кристаллизатор со шлакометаллическим расплавом, датчик для контроля температуры с электрохимическим элементом (ЭХЭ), компьютерную систему с интерфейсом, расходуемые металлические полые электроды и устройство с патрубками для подачи флюсовых и других сыпучих материалов в шлаковый расплав кристаллизатора, а печь ЭШВС при этом отличается тем, что расходуемые полые вращающиеся металлические электроды выполнены с осевыми отверстиями и механически соединены с патрубками устройства для подачи флюсов, раскислителей и других сыпучих материалов в зону шлаковой переплавки торцов, причем интерфейс компьютерной системы соединен с датчиками контроля температуры с ЭХЭ и, кроме того, печь ЭШВС отличается также тем, что в корпусе кристаллизатора датчик контроля температуры с ЭХЭ размещен в жидком металле параллельно электродов и вертикально к поверхности шлакометаллического расплава и, помимо этого, печь ЭШВС отличается еще тем, что компьютерная система соединена с механизмом контроля уровня опускания расходуемых металлических вращающихся полых электродов в кристаллизатор со шлаковым расплавом, а также печь отличается тем, что элементы компьютерной системы функционально закреплены и соединены с выходными параметрами датчика контроля температуры с ЭХЭ с возможностью фиксации положения уровня границы шлак-металл в кристаллизаторе по ходу переплавки расходуемых электродов.

Общий вид конструкции предлагаемой печи ЭШВС приведен на фиг.1 и 2, а особенности ее работы заключаются в следующем. Общий вид печи (фиг.1) включает фундамент (1) со станиной (2) и поддоном, на котором показан формируемый при охлаждении в кристаллизаторе (5) и дорне (4) слиток (3). Шлакометаллический расплав (6) в кристаллизаторе (5) образуется в результате плавления расходуемых металлических полых электродов (9), которые закреплены на электрододержателе (10). Плечо (7) конструктивно соединяет и поддерживает оснастку (кристаллизатор и дорн), а так же включает в себя подводящие и отводящие трубки системы охлаждения дорна. Кондуктор (8) служит направляющей для электродов, погружаемых в кристаллизатор, а так же выполняет функцию выравнивания тока на электродах. Напряжение и ток от трансформатора печи подаются на электроды через электрододержатель, которые перемещаются по вертикали с помощью каретки (11). Образующийся в шлаке (6) жидкий металл охлаждается и кристаллизуется на поверхностях дорна (4) и кристаллизатора (5) вследствие влияния систем охлаждения дорна (12) и кристаллизатора (13) с образованием слитка. По мере плавления электродов каретка кристаллизатора (14) перемещается по колонне (15) навстречу вращающимся вокруг своей оси электродам. Для непрерывного измерения температуры и других параметров плавки в кристаллизаторе (5) установлены датчики (16) температуры с электрохимическими элементами (ЭХЭ). Информация от датчиков поступает в компьютерную систему регулирования (САР) и управления процессами ЭШВС. Информация от датчиков, т.е. температура металла и шлака в кристаллизаторе, активность (концентрация) кислорода и углерода в металле, положение границы раздела шлак-металл, определение веса металла и шлака в шлаковом расплаве, используется для обеспечения эффективного управления процессами в предлагаемой модели печи ЭШВС, которая существенно отличается от прототипа [5].

Принципиальная схема печи ЭШВС, в которой реализуется предлагаемый способ, дополнена и представлена на фиг.2. Печь включает поддон (2), жидкий металл и формируемый трубный слиток (3), жидкий шлак (6) в кристаллизаторе (5), в котором установлены датчики (16) контроля температуры с ЭХЭ. Водоохлаждаемый дорн (4) и кристаллизатор используются для формирования слитка по мере переплавки расходуемых вращающихся полых металлических электродов (9). При этом электроды перемещаются с помощью каретки с электрододержателем (10), а через осевые отверстия электродов в жидкий шлак и металл непрерывно подаются в высокотемпературную зону плавки торцов электродов (23) шлакообразующие смеси (флюсы), раскислители и другие сыпучие материалы с помощью устройства (17), которое при помощи патрубок (18) с подводящими шлангами соединено с электродами. В схеме печи ЭШП (фиг.1 и 2) используется система (19) контроля уровня заглубления электродов в кристаллизатор по мере плавления торцов электродов в зоне воздействия электрического поля (дуги). Напряжение и ток дуги обеспечивается трансформатором (20) печи. Интерфейс (21) компьютерной системы (22) функционально закреплен с выходными параметрами датчика контроля температуры с ЭХЭ с обеспечением контроля положения уровня границы раздела шлак-металл при электроплавке электродов в печи.

Анализ опыта использования [1, 2] работы печей ЭШП [3, 5] с применением [4] новых технических разработок свидетельствует о возможности повышения эффективности и перспективности использования предлагаемого изобретения по улучшению технологии получения трубных слитков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1) Латаш Ю.В., Медовар Б.И. Электрошлаковый переплав. М: Металлургия, 1970 - 240 с.

2) Медовар Б.И., Ступак С.М. Электрошлаковые печи. г.Киев: Изд-во Наукова думка, 1976 - 415 с.

3) Линчевский Б.В., Ригина Л.Г., Тахиров А.А. Электрометаллургия №9, 2012. - c.7-10.

4) Меркер Э.Э. и др. Патент РФ №2374582 от 27.11.2009. Опубл. Бюл. №33; Патент РФ №2360009 от 27.11.2009. Опубл. Бюл. №18. Определение границы раздела фаз шлак-металл электрохимическим методом. Заводская лаборатория №12, 1976 - с.1491-1493.

5) Павлова Н.П., Демидов В.А., Половкин В.Н. Способ получения полых слитков методом ЭШП. Патент РФ №(11)2363743 от 20.02.2009 по заявке №2007130099/02 от 06.08.2007.