Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 8
1.1. Сущность процесса электрошлакового переплава 8
1.2. Влияние конструкции кристаллизатора на ход процесса ЭШП ... 11
1.3. Параметры процесса ЭШП, определяющие его технологический режим и качество отливки 16
1.4. Математическое моделирование процесса ЭШП 27
1.5. Возможность электрошлакового переплава цветных металлов 32
1.6. Цели и задачи исследования 41
2. Математические модели процесса электрошлакового переплава 43
2.1. Электрическая модель процесса электрошлакового переплава 43
2.2. Тепловая модель работы кристаллизатора ЭШП с составной стенкой из материалов с различной теплопроводностью 53
3. Математическое моделирование процесса ЭШП 61
3.1. Моделирование электрического режима переплава 61
3.1.1. Влияние напряжения на вторичной обмотке печного трансформатора на рабочие характеристики процесса ЭШП .. 61
3.1.2. Влияние межэлектродного промежутка и глубины шлаковой ванны на рабочие характеристики процесса ЭШП 67
3.1.3. Влияние коэффициента заполнения кристаллизатора на рабочие характеристики процесса ЭШП 73
3.2. Моделирование теплового режима для кристаллизатора с медно-стальной составной стенкой 82
3.3. Оценка результатов моделирования электрического режима процесса ЭШП 87
4. Технология ЭШП отходов металлургического оборудования 94
4.1. Исследование действующей технологии по ЭШП роликов МНЛЗ, списанных по износу 95
4.2. Электропроводность шлаков для ЭШП 106
4.3. Расчёт новых режимов ЭШП стали 25X1 МФ на применяемых в ЦРМО-3 флюсах по математической модели 113
4.4. Исследование технико-экономических показателей процесса ЭШП на флюсах различных химических составов по математической модели 117
5. Совершенствование технологии ЭШП меди 121
5.1. Исследование существующей технологии ЭШП меди 121
5.2. Коррекция состава флюса № 1 130
5.3. Разработка и апробация состава флюса № 3 для ЭШП меди 137
Основные выводы 144
Список использованных источников 146
Приложение 159
- Влияние конструкции кристаллизатора на ход процесса ЭШП
- Тепловая модель работы кристаллизатора ЭШП с составной стенкой из материалов с различной теплопроводностью
- Влияние напряжения на вторичной обмотке печного трансформатора на рабочие характеристики процесса ЭШП
- Электропроводность шлаков для ЭШП
Введение к работе
Процесс ЭШП возник в 50-е годы. Основные закономерности протекания процесса ЭШП и влияние основных параметров на ход процесса были изложены в работах: Б.Е. Патона, Б.И. Медовара, Ю.В. Латаша, М.М. Клюева, А.Ф. Каблуковского, Ю.М. Миронова. Первоначально процесс ЭШП предназначался для рафинирования металла от неметаллических включений и десульфурации металла. Поэтому стоимость металла ЭШП была оправдана наивысшим качеством металла.
В последние годы из-за широкого внедрения внепечного рафинирования, эта функция ЭШП утрачивает своё значение. Основное назначение ЭШП на сегодняшний день - получение плотной однородной структуры слитка по всему сечению. Также исключается возможность образования каких-либо дефектов структуры слитка и попадание неметаллических включений в тело слитка. С учётом вышесказанного можно сказать, что сегодня появилась возможность увеличивать производительность процесса ЭШП, так как процесс рафинирования металла не является лимитирующим звеном. Производительность процесса ЭШП может лимитироваться лишь скоростью кристаллизации металлической ванны. В связи с этим актуально рассмотреть , возможность повышения производительности процесса ЭШП, как путём изменения технологических параметров переплава, так и путём доработки конструкции некоторых элементов установок ЭШП.
Интенсивное развитие кислородно-конвертерного способа выплавки стали и рост объёмов производства в последние годы привели к ' значительному увеличению доли стали, разлитой на установках непрерывной разливки. Сочетание конвертеров и машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) методом "плавка на плавку" позволяет повысить выход годного металла до 96...99 %.
Производительность МНЛЗ непрерывно возрастает, что влечёт за собой повышенный износ её агрегатов. Основными элементами МНЛЗ, работающими в контакте с разливаемым металлом, являются кристаллизатор и опорные ролики. Работа в непосредственном контакте с разливаемым металлом вызывает их повышенный износ из-за термических нагрузок, а также наличия сил трения. Это приводит к необходимости постоянных ремонтов деталей и агрегатов МНЛЗ. После выработки своего ресурса опорные ролики и медные стенки кристаллизаторов МНЛЗ заменяют на новые. Возникает проблема утилизации выработавших свой ресурс роликов и медных стенок кристаллизаторов МНЛЗ.
С другой стороны, снижение стоимости производимых ремонтов во многом определяется ценой запасных частей, которая минимальна при обеспечении запасными частями собственными средствами. При ограниченных мощностях ремонтных цехов, требование увеличения скорости проведения ремонтов МНЛЗ в первую очередь зависит от обеспечения запасными частями и в том числе роликами, а в случае производства запасных частей собственными силами - от скорости изготовления запасных частей.
Утилизацию выработавших свой ресурс роликов и медных стенок возможно, например, производить в таких металлургических агрегатах, как: кислородном конвертере, электрических печах, а также в электропечах специального назначения, к которым относятся печи вакуумно-дугового (ВДП), электрошлакового (ЭШП) и электроннолучевого (ЭЛП) переплава. Применение для утилизации всех плавильных агрегатов, кроме установок специального назначения, нецелесообразно, так как после этапа расплавления следует производить доводку химического состава металла до требуемого. Самым главным недостатком этих методов утилизации, является дальнейший передел выплавленного металла для получения заготовок
6 под ролики МНЛЗ, который при этом не обеспечивает получения высокого качества металла слитка, соизмеримого с металлом, выплавленным на установках специального назначения.
с*
Кроме того, при переплаве отработавших роликов МНЛЗ на установках специального назначения возможно получение заготовок под ролики, обеспечивающих минимальный съём металла при механической обработке, а химический состав металла практически не изменяется от исходного электрода. В результате, как по времени, так и по стоимости, цена ролика, соответствующая получаемому качеству металла, будет минимальна при переплаве отработавших роликов на установках специального назначения. Среди последних предпочтение отдаётся ЭШП, который наиболее эффективно сочетает скорость и высокое качество выплавляемого металла.
Имеется множество различных математических моделей,
описывающих рабочие характеристики процесса ЭШП, и найдены
'.* основные технологические параметры процесса ЭШП, значимо
влияющие на его технико-экономические показатели. Одним из этих параметров является удельное электрическое сопротивление шлакового расплава. Однако отсутствуют модели, позволяющие определять оптимальный режим переплава и соответствующее ему удельное электрическое сопротивление шлака. В качестве критерия оптимальности могут выступать как максимальная производительность, так и минимальные затраты электроэнергии на процесс ЭШП.
Имеются различные технологии по ЭШП медных стенок кристаллизаторов МНЛЗ и других медных отходов производства. Использование известных флюсов для ЭШП медных стенок кристаллизаторов не позволяет получить металл высокого качества как по химическому составу, так и по структуре. Актуальным является проведение исследования по поиску новых составов флюсов для ЭШП меди.
В соответствии с актуальными проблемами, связанными с утилизацией деталей МНЛЗ, была сформулирована цель работы и решены следующие задачи.
Целью работы является разработка рациональных режимов ЭШП роликов и стенок кристаллизаторов МНЛЗ путем усовершенствования технологии утилизации их и увеличение производительности процесса ЭШП при снижении удельного расхода электроэнергии и получении металла высокого качества.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Составить математическую модель процесса ЭШП для
установления параметров, значимо влияющих на технологические
параметры и на выбор электрического режима.
Произвести математическое моделирование процесса ЭШП для оценки возможности изменения производительности и удельного расхода электроэнергии при условии обеспечения высокого качества металла отливки, и определить адекватность составленной математической модели.
По проведённому математическому моделированию произвести коррекцию имеющихся электрических режимов переплава, установить химический состав шлака, обеспечивающий наибольшую производительность процесса, и соответствующий ему электрический режим переплава.
Разработать новые флюсы для переплава меди и соответствующие им технологические режимы переплава на базе проведённых исследований физико-химических свойств шлакового расплава.
Разработать новую конструкцию кристаллизатора ЭШП, обеспечивающую снижение доли потерь тепла от шлаковой ванны через стенку кристаллизатора и промоделировать тепловой режим его работы.
Влияние конструкции кристаллизатора на ход процесса ЭШП
Кристаллизатор является одним из важнейших элементов печи ЭШП и во многом определяет качество поверхности слитка, условия кристаллизации металла, величину головной и донной обрези, технико-экономические показатели работы печи. Кристаллизатор представляет из себя теплообменник и, следовательно, материал, из которого он изготовлен, должен быть теплопроводным. Важнейшими параметрами кристаллизатора являются материал и размеры гильзы, условия её охлаждения, конусность, конструкция гильзы (цельная, составная, сварная, панельная) [5]. Немаловажным является также такой параметр, как стойкость кристаллизатора и ремонтопригодность.
Наибольшее распространение получили кристаллизаторы, изготовленные из меди или из сплавов на основе меди, обладающих высокой теплопроводностью. Высокая теплопроводность обеспечивает большую скорость теплоотвода от затвердевающей в кристаллизаторе металлической ванны.
Теплопроводность материала кристаллизатора экспериментально определить сложно. Проще и точнее её определить по номограмме электропроводности или удельному электрическому сопротивлению материала [17].
При 250 С медь имеет низкие механические свойства: ав 150...170 МПа, a0i2 50 МПа [18, 19]. В связи с этим кристаллизаторы из меди довольно быстро выходят из строя.
Легирование меди любыми добавками приводит к повышению температуры её разупрочнения [18, 20] и улучшению механических свойств при рабочих температурах кристаллизатора. Но легирование также приводит и к снижению теплопроводности. Замена меди или медных сплавов другими материалами связана со значительно большей потерей теплопроводности, а следовательно, с возрастанием температуры рабочей стенки кристаллизатора. В зависимости от удельной теплопроводности материала кристаллизатора его рабочая температура достигает строго определённого значения [17].
Медь высших сортов, например бескислородная, имеет более высокую эксплуатационную стойкость, чем медь с остаточным содержанием раскислителя (Р, Si, Мп) [21]. Фосфор, как и два других раскислителя, практически не повышая температуру разупрочнения меди и её механические свойства, существенно (до 25 %) снижает её теплопроводность, а, следовательно, повышает рабочую температуру кристаллизатора. Поэтому предпочтение следует отдавать бескислородной меди.
Довольно широкое применение в качестве материала кристаллизатора нашёл медно-серебряный сплав (0,1 % Ад) [19, 22, 23]. Сравнительно малая добавка серебра к меди, практически не влияя на теплопроводность, существенно (до 300...325 С) повышает температуру её разупрочнения и механические свойства в интервале рабочих температур.
Имеются данные об использовании в качестве материала кристаллизаторов хромовой, циркониевой и хромоциркониевой бронз [19, 22 -25]. При этом делается вывод, что эти материалы благодаря хорошему сочетанию теплопроводности, температуры разупрочнения и высоких механических свойств использовать более предпочтительно, чем медно-серебряный сплав.
Проводились исследования и испытания кристаллизаторов, изготовленных из значительно менее теплопроводных медных сплавов, чем указанные выше: Си - 2,5 % Со - 0,5 % Be, Си - 2 % Ni - 0,6 % Si, Си -1,8 % Be и других более сложных по составу. Применение дисперсион-но-твердеющих сплавов типа первых двух можно считать вполне реальными, если учитывать комплекс их физических, механических и технологических свойств.
Таким образом, необходимо, обеспечить более высокие прочностные свойства при рабочих температурах сравнительно менее теплопроводного сплава, чем у более теплопроводного. Немаловажным является наличие у сплава определённого запаса пластичности в диапазоне рабочих температур и сопротивляемости термоциклическому воздействию [17].
Возможно также осуществление перераспределения теплового потока изменением конструкции кристаллизатора. С целью уменьшения тепловых потерь от шлаковой ванны при ЭШП Медовар Б.И., Фёдоровский Б.Б. и др. провели эксперименты по ЭШП в кристаллизаторе с надставкой, футерованной шлаковым гарниссажем и показали возможность снижения тепловых потерь при ЭШП [26].
Однако, в условиях массового производства использование такого кристаллизатора затруднено из-за низкой стойкости такой футеровки. Кроме того, шлаковый расплав вступает в химическое взаимодействие с футеровкой кристаллизатора, что существенно сказывается на ухудшении качества металла.
Чен Ч.С., Рао Р.Ф. исследовали ЭШП в составном кристаллизаторе с футерованной верхней частью и специально разработанной технологией переплава [27]. Это позволило одновременно повысить производительность процесса, уменьшить расход электроэнергии и улучшить качество металла. Но данных о том, как они это делали - недостаточно. Также вызывает сомнение факт повышения качества металла, ввиду наличия футеровки.
Кузьмин М.Г., Помещиков А.Г и др. разработали кристаллизатор, состоящий из биметаллических панелей, имеющих вертикальные каналы водоохлаждения с перегородками, и датчика уровня металла, установленного в одной из панелей [28]. Для снижения удельного расхода электроэнергии и повышения производительности, он снабжён обечайкой, выполненной из материала с температурой плавления и термическим сопротивлением большим, чем у меди, и расположенной на рабочей поверхности водоохлаждаемых панелей выше датчика уровня жидкого металла. В перегородках вертикальных каналов водоохлаждения ниже датчика уровня жидкого металла выполнены горизонтальные каналы, образующие с вертикальными каналами ячеистую конструкцию. Кристаллизатор снабжён прокладкой, выполненной из огнеупорного материала и установленной между рабочей поверхностью водоохлаждаемой панели и обечайкой.
Андреев А.Л., Бобин В.А. и др. предложили кристаллизатор для выплавки слитков, содержащий три водоохлаждаемые секции, расположенные по высоте [29]. С целью увеличения срока службы средняя стенка выполнена биметаллической, при этом внутренний слой, контактирующий со слитком, выполнен из высокотеплопроводного материала, . например меди, а наружный выполнен из стали с переменной толщиной по высоте. Толщина стального слоя в верхней части средней секции составляет 0,05...0,08, а в нижней части 0,1...0,2 толщины внутреннего слоя.
Чен Чонг, Гао Ронгжу применили футерованную надставку над кристаллизатором [30]. Установлено, что в таком кристаллизаторе потребление мощности снижается на 40 % по сравнению с обычным кристаллизатором. Повышается плотность структуры металла.
Но наличие двух и более стыкуемых частей приводит к нарушению . сплошности стенки кристаллизатора. Это влечёт к снижению безопасности ведения процесса ЭШП. В процессе эксплуатации такого кристаллизатора будет происходить выгорание футеровки верхней части (или различная степень износа разных материалов каждой из частей составного кристаллизатора). Это приведёт к образованию ступенеобразного перепада стенки кристаллизатора. При этом у отливаемого слитка формируется некачественная поверхность (гофры). Также возрастает расход шлака, что приводит к необходимости пополнения объёма шлаковой ванны по ходу процесса ЭШП.
Тепловая модель работы кристаллизатора ЭШП с составной стенкой из материалов с различной теплопроводностью
Тепло, выделяемое в шлаковой ванне электрическим током, используется для плавления электрода и поддержания в расплавленном и перегретом состоянии шлаковой и металлической ванн и при этом отводится водой, охлаждающей кристаллизатор и поддон, излучением зеркала шлаковой ванны и выделяющимися из нее газами. Часть тепла аккумулируется металлом наплавляемого слитка.
Известно, что значительная доля затрат тепла шлаковой ванны приходится на тепло, уносимое охлаждающей водой (из кристаллизатора и поддона). Например, в работе академиков Б.Е. Патона и Б.И. Медовара приводятся данные о том, что доля тепла, отведённого водой, составляет 97 - 98 %, из них 92 - 93 % - из кристаллизатора [1]. При этом 30 - 50 % от доли тепла, отведённого из кристаллизатора, составляет тепло, теряемое теплопередачей от шлаковой ванны. Непосредственно на плавление электрода при ЭШП расходуется 20 - 50 % подведённой активной электрической мощности. Следовательно, в энергетическом отношении ЭШП малоэффективный процесс.
Доля тепла, отведённого от расплавленного металла, во многом определяется конструкцией кристаллизатора и геометрией каналов водо-охлаждения [113].
В данном исследовании поставлена задача поиска путей снижения потерь тепла от шлаковой ванны. Одно из решений - выбор материала для кристаллизатора с пониженной теплопроводностью [114]. Однако, замена материалов стенки кристаллизатора ЭШП, влечёт за собой изменения в технологии процесса: меняется тепловой режим переплава, а, следовательно, и электрический режим. Необходимо обеспечить работу кристаллизатора в диапазоне допустимых температур (согласно применяемому материалу). Также очевидно, что снижение потерь тепла приведёт к значительному росту производительности процесса. Поэтому, необходимо либо обеспечить соответствующий теплоотвод от кри 54 сталлизующегося слитка, либо, изменить электрический режим с целью снижения вводимой в шлаковую ванну активной мощности.
Предлагается тепловой расчёт модели кристаллизатора, у которого верхняя часть, контактирующая со шлаковой ванной, выполнена составной (медно-стальной). Предлагаемый кристаллизатор представлен на рис. 2.2. Ниже приведен алгоритм расчёта такого кристаллизатора.
Методика теплового расчёта кристаллизатора во многом аналогична методике, предложенной В.Л. Шевцовым [31], но имеет существенные отличия, связанные со спецификой новой конструкции кристаллизатора.
Снижение потерь тепла шлаковой ванны характеризуется коэффициентами потерь через стенку кристаллизатора jua и излучением от зеркала шлака }]иг1. Из литературы известно, что доля потерь излучением от зеркала шлака принимается в среднем равной 0,06 [31]. Доля потерь тепла шлаковой ванны через стенку кристаллизатора зависит от отношения площадей поверхности контакта жидкого шлака со стенкой кристаллизатора к поверхности металлической ванны, а также от величины теплопроводности стенки кристаллизатора.
Из литературы [31] известна зависимость величины потерь через стенку кристаллизатора от величины отношения площадей поверхности контакта жидкого шлака со стенкой кристаллизатора к поверхности металлической ванны (см. рис. 2.3).
После определения доли потерь тепла шлаковой ванны через медную стенку кристаллизатора определяется доля потерь через медно-стальную стенку (или чисто стальную стенку) по формуле (2.28). Исходя из полученного коэффициента потерь тепла шлаковой ванны, строится дальнейший тепловой расчёт.
Определяется количество теплоты, которое необходимо выделить в шлаковой ванне: Q = Ят , (2.40) где G - производительность переплава, кг/ч; Qm - теоретическое количество теплоты, необходимое для расплавления 1 кг металла (для большинства марок сталей в начальный момент времени принимаем 2т=1210кДж/кг[31]).
Влияние напряжения на вторичной обмотке печного трансформатора на рабочие характеристики процесса ЭШП
Напряжение на вторичной обмотке печного трансформатора является одним из основных параметров регулирования электрического режима ЭШП. Изменение напряжения на вторичной обмотке печного трансформатора приводит к значительному перераспределению мощностей между отдельными сопротивлениями контура, вызванному изменением величины тока во вторичной обмотке трансформатора. Это объясняется постоянством мощности трансформатора печи (на одной конкретной ступени). Поэтому увеличение напряжения приводит к снижению тока во вторичной обмотке трансформатора.
Обычно, регулирование напряжения на вторичной обмотке трансформатора осуществляют ступенеобразным переключением обмоток трансформатора. При этом происходит изменение мощности трансформатора и, следовательно, и рабочих характеристик процесса ЭШП.
Также происходит перераспределение токов, протекающих в шлаковой ванне (от электрода на стенку кристаллизатора и от электрода на металлическую ванну), что приводит к изменению температурных полей и, в конечном итоге, - к перегреву или к захолаживанию шлакового расплава. Соответственно, будет изменяться и глубина металлической ванны. Поэтому необходимо исследовать изменение технико-экономических показателей процесса ЭШП в зависимости от величины напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Промоделированы характеристики процесса ЭШП для трёх значений напряжения на вторичной обмотке трансформатора (что соответствует трём различным ступеням трансформатора печи): Ui=50 (В), U2=60 (В), U3=70 (В). Результаты представлены на рис. 3.1...3.7.
Из представленных зависимостей видно, что изменение напряжения на вторичной обмотке печного трансформатора не приводит к смещению экстремума по оси удельного электрического сопротивления шлакового расплава. Из этого следует, что при изменении напряжения на вторичной обмотке трансформатора в рабочем диапазоне, не следует производить коррекцию химического состава флюса для ЭШП для обеспечения оптимального режима переплава. Следовательно, этот параметр регулирования не приводит к перемещению по рабочей характеристике.
Появляется некоторое множество пропорциональных характеристик, определяемых величиной вводимой мощности. Однако, мощность печного трансформатора ограничена. Поэтому в данном случае возможно лишь применение электрических режимов, не обеспечивающих использования по максимуму мощности трансформатора. Это нецелесообразно по экономическим соображениям, так как ведёт к снижению производительности процесса переплава.
Пропорциональность характеристик подтверждается тем, что удельный расход электроэнергии и КПД процесса ЭШП совпадают для всех трёх случаев (рис. 3.5, 3.6). 3.1.2 Влияние межэлектродного промежутка и глубины шлаковой ванны на рабочие характеристики процесса ЭШП
Выбор геометрии шлаковой ванны включает в себя задание глубины шлаковой ванны, коэффициента заполнения кристаллизатора и глубины погружения электрода в шлаковый расплав. Величину заглубления электрода выбирают, руководствуясь следующими соображениями. Во-первых, заглубление должно быть достаточным для возникновения не-оплавленной части погруженного в шлаковый расплав электрода, что обеспечивает бездуговой режим, но и таким, чтобы межэлектродный промежуток препятствовал капельным коротким замыканиям, т.е. обеспечивался бы бездуговой режим. Во-вторых, следует учитывать, что величина заглубления электрода влияет на распределение источников тепла в шлаковой ванне и, как следствие, на форму металлической ванны.
Межэлектродный промежуток определяется расстоянием от нижнего торца электрода до металлической ванны. Следовательно, от величины межэлектродного промежутка зависит сопротивление шлаковой ванны. Причём оно изменяется не прямо пропорционально величине межэлектродного промежутка, а в соответствии с законом для двух параллельных сопротивлений, так как ток протекает через шлаковую ванну по двум путям: от расходуемого электрода на стенку кокиля кристаллизатора и от электрода на металлическую ванну. Общий ток через шлаковую ванну равен сумме этих двух токов.
При изменении межэлектродного промежутка изменяется сопротивление участка от торца расходуемого электрода до металлической ванны. При этом, сопротивление участка от электрода до стенки кокиля кристаллизатора остаётся неизменным. Это приводит к перераспределению токов в параллельных ветвях, а следовательно и к перераспределению тепловых полей в объёме шлаковой ванны. С точки зрения распределения токов в объёме шлаковой ванны (между участками от расходуемого электрода на стенку кокиля кристаллизатора и от расходуемого кокиля на металлическую ванну) можно рассматривать вместе случаи изменения межэлектродного промежутка и глубины шлаковой ванны. При сохранении величины погружения торца расходуемого электрода в шлаковую ванну изменение глубины шлаковой ванны приведёт к изменению величины межэлектродного промежутка.
Электропроводность шлаков для ЭШП
При моделировании установлено, что электропроводность шлаковых расплавов для ЭШП определяет технико-экономические показатели процесса ЭШП [гл. 3]. Это объясняется тем, что при фиксированной величине тока через шлаковую ванну, больше тепла выделится при большем сопротивлении шлаковой ванны. Произойдёт увеличение температуры шлаковой ванны, что приведёт к ускорению процесса переплава электрода или позволит снизить вводимую в шлаковую ванну мощность. Известно несколько способов измерения электропроводности рас плавов [118]. Они отличаются конструкциями измерительных ячеек. Из .. за значительных различий в результатах измерений, полученных раз ными исследователями, необходимо подбирать конструкцию аппаратуры для измерения электропроводности [2].
Наиболее достоверные результаты измерений позволяет получить четырёхэлектродная схема, в которой внешние электроды служат для подвода тока, а внутренние для съёма напряжения.
Однако алгоритм проведения измерения электропроводности остаётся неизменным: через шлаковый расплав пропускают переменный ток (различной частоты); с электродов, опущенных в шлаковый расплав снимается напряжение. По известным значениям тока и напряжения определяется некоторое значение электропроводности. Чтобы перевести измеренную электропроводность в удельную электропроводность применяют так называемую постоянную ячейки К. Её определяют градуировкой по электролитам с известной электропроводностью.
В Южно-Уральском государственном университете на кафедре пи-рометаллургических процессов провели серию опытных измерений электропроводности шлаковых расплавов по двухэлектродной схеме (электроды в виде молибденовых прутков) [119]. Результаты измерений представлены в табл. 4.7.
Они же получили температурную зависимость электропроводности чистого CaF2 и сопоставили данные с результатами других исследователей. Данные по электропроводности шлаковых расплавов различных химических составов, полученные из различных источников, представлены в табл. 4.7. Значения удельных электропроводностей шлаков различных составов представлены для двух температур 1600 С и 1700 С, из чего видно, что удельная электропроводность увеличивается с ростом температуры независимо от химического состава шлакового расплава.
Данные табл. 4.7 показывают, что наибольшей удельной электропроводностью обладают шлаковые расплавы на основе CaF2. По мере снижения содержания CaF2 удельная электропроводность шлаков падает. Наименьшей проводимостью обладают шлаки системы СаО - Al203 -Si02, не имеющие в своём составе фторсодержащих компонентов. Средними значениями электропроводности обладают шлаковые расплавы на основе фтористого кальция с добавками СаО, Al203, Si02.
Проведённые исследования позволяют установить влияние различных добавок на величину удельной электропроводности. Так, добавка МдО незначительно влияет на удельную электропроводность шлака в области температур 1100...1400 С, однако с дальнейшим увеличением температуры, электропроводность шлака значительно возрастает с увеличением добавки МдО. Добавки глинозёма АІ20з и, в большей степени кремнезёма Si02, приводят к снижению электропроводности шлаков не зависимо от температурного диапазона.
Если нанести проекции значений удельных электрических сопротивлений шлаковых расплавов на рабочие характеристики, то можно определить необходимый электрический режим для переплава расходуемого электрода на шлаках, указанных в табл. 4.8. Зависимость мощности, выделяемой в шлаковой ванне от удельного электрического сопротивления шлакового расплава с нанесёнными проекциями удельных электрических сопротивлений шлаков по табл. 4.8, представлена на рис. 4.8.
Из данных рис. 4.8 видно, что при использовании флюсов по табл. 4.8 для ЭШП расходуемого электрода из стали марок 25X1МФ и 25X1М1Ф не обеспечивается введение максимальной мощности в шлаковую ванну. Следовательно, не достигается максимальная производительность процесса ЭШП.
Так как в начальный момент процесса ЭШП, когда ещё не наведена шлаковая ванна, величина тока небольшая, то стремятся для увеличения вводимой мощности повысить напряжение на шлаковой ванне. По нагрузочной характеристике трансформатора печи ЭШП наибольшее напряжение шлаковой ванны, и самого трансформатора печи обеспечивается на пониженных (25...30) ступенях трансформатора. После наведения шлаковой ванны начинается квазистационарный период процесса. Здесь увеличения вводимой в шлаковую ванну мощности добиваются повышением тока. Для этого увеличивают ступень трансформатора. По нагрузочной характеристике трансформатора печи наибольшее значение тока во вторичной обмотке трансформатора может быть получено на 40 ступени. На этой ступени трансформатора напряжение на шлаковой ванне равно 60 В. Поэтому при известной мощности, вводимой в шлаковую ванну, возможно определение величины тока через неё.
При фиксированных параметрах геометрии шлаковой ванны, к которым относятся межэлектродное расстояние и заданный коэффициент заполнения кристаллизатора, и известной величине мощности, вводимой в шлаковую ванну, возможно определение электрического режима процесса ЭШП для шлаков, представленных в табл. 4.8 по рис 4.8. Электрические режимы для квазистационарного периода процессов ЭШП на флюсах табл. 4.8 представлены в табл. 4.9.
Из данных табл. 4.9 видно, что при использовании различных составов флюсов одному и тому же напряжению на шлаковой ванне соответствуют различные значения токов через шлаковую ванну. Или, если привести такие режимы для всех пяти составов флюсов, при которых значения токов будут одинаковыми, то напряжения на шлаковой ванне будут тем меньше, чем больше удельная электропроводность шлаков. Это объясняется снижением доли сопротивления шлаковой ванны в контуре вторичной цепи трансформатора печи и перераспределением мощностей в контуре. При увеличении тока через шлаковую ванну зна- чительно снижается напряжение на шлаковой ванне и, соответственно, мощность, вводимая в шлаковую ванну. Такая закономерность прослеживается и по табл. 4.9, что совпадает с практическими данными, представленными в табл. 4.2, 4.3, 4.4 и 4.6.
Из-за различий физико-химических свойств разных сплавов получение максимальной производительности печи ЭШП на одном и том же шлаке представляется невозможным. Для обеспечения максимальной производительности для каждого конкретного сплава необходимо промоделировать электрический режим, установить оптимальное удельное электрическое сопротивление шлакового расплава, соответствующее максимальной мощности шлаковой ванны и затем по найденному значению удельного электрического сопротивления шлака получить заданный его химический состав.
