Электросталеплавильная печь для переплава сложнолегированных сталей и сплавов

Союз Советских Социалистических РеспубликОП ИСАНИИИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(11) 606882 1 д М. Кл.21 С 5/56 с присоедине (23) Приорите аявки-27 З 7/06 осударстеенный комитетСоаета Министров СССРпо делам изооретенийн открытий45) Дата опубликования сания 9.0 ч. И. В. А, Боярщино, Н, Готин, Н И. С, Прянищ П. В, Губин едюк ский С Т институт ктябрьи научно-исследовательский ина и Ордена Ленина и ордена ческий завод Электросталь Ордена Труд овог черной металлурской революции) Заявител 4) ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПЕРЕПЛАВА СЛОЖНОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВта- ер Изобретение относится к области электрометаллургии, а именно к области конструирования электропечей, например вакуумных дуговых печей (ВДП),Известны вакуумные дуговые печи, предназначенные для переплава металлов и сплавов в вакууме 1. Однако при переплавев таких печах сложнолегированных сталей исплавов, содержащих элементы с высокой упругостью пара, например магний или марганец,наблюдается интенсивное испарение этих элементов в процессе плавки, что приводит к неравномерному их распределению по высотеслитка.Известны дуговые вакуумные печи специально для переплава сложнолегированных слей и сплавов в атмосфере активных, напримазота 2, или инертных, например аргона 3,газов при давлении 0 - 760 мм. рт. ст, Необходимое давление в этих печах создается путемподачи газа в камеру печи через специальныйзатвор. Недостатком указанных печей являетсяих относительно низкая производительность,ограниченная небольшой интенсивностью охлаждения слитка Например, при использовании отечественных сталеплавильных вакуумныхдуговых печей серии ДСВ с максимальнымрабочим током 12 - 24 кА для переплава слож 2нолегированных сталей и сплавов рабочий токпечи не превышает 3,2 - 4,5 кА, то есть практически можно использовать только 20% установленной мощности печи. При увеличениитока дуги сверх указанных значений в слитках ВДП развиваются ликвационные явлениялокального или зонального типов.Для увеличения производительности печирабочий газ подают не только в камеру печи,но также и в зазор между слитком и кристаллизатоРом 4, 5Известно устройство для подачи охлаждающего газа в зазор между слитком и кристаллизатором через отверстие в боковой стенкекристаллизатора 6, Это устройство было установлено на дуговой вакуумной печи 7,о аналогичной по конструкции отечественным печам серии ДСВ,Основой конструкции печи служит вакуумная камера, к которой снизу прикреплены одинили несколько медных зодоохлаждаемых кристаллизаторов с поддонами, а сверху имеетсяшток, к которому подвешен расходуемый элек,трод. К верхней части вакуумной камеры приварен патрубок, который соединен с откачнойсистемой печи. Последняя состоит из форвакуумного насоса и бустерных паромасляных25 дифузионных насосов и обеспечивает в камере печи рабочее разрежение 10-1 10 4 мм, рт. ст. Для отключения и включения отдельных участков вакуумной системы применены вакуумные электромагнитные или электро- пневматические вентили. Подача рабочего газа в зазор между слитком и кристаллизатором осуществляется через специальные трубки, вваренные в боковую стенку кристаллизатора,Недостатком этой печи, также как и всех перечисленных выше, является невозможность создания в ней проточной газовой атмосферы - переплав металлов и сплавов в этих печах проводят в застойной атмосфере газа. Вследствие этого пары и вредные примеси, удаляемые из металла в процессе плавки, остаются в камере печи. При повышении давления газа до 40 - 60 мм. рт. ст. резко ухудшается видимость в печи и затрудняется визуальный контроль за процессом ВДП. Кроме того, в камере печи образуется большое количество конденсата, засоряющего печь. Пары высоко- реакционных металлов, таких как магний, марганец и другие, конденсируясь на стенке кристаллизатора и в камере печи, могут вызвать возгорание и даже взрыв конденсата при выгрузке слитка. Поэтому при переплаве сложно- легированных сталей и сплавов, содержащих титан, магний, марганец и другие высокореакционные легирующие элементы, в известных закуумных дуговых печах 8 давление газа : зддерживают на уровне, не превышающем 50 мм, рт. ст,Однако, для интенсивного охлаждения слитка и повышения производительности печи, подавления испарения элементов с высокой упругостью пара и азотирования металла давление рабочего газа в зазоре между слитком и кристаллизатором и в камере печи необходимо поддерживать на уровне 60 - 760 мм рт. ст. Такое давление в печи допустимо лишь при услсвии непрерывной очистки газа от вредных и взрывоопасных примесей. В известных конструкциях ваккумных дуговых печей это требование не выполняется,При промышленном опробовании на заводе Электросталь известных устройств для подачи охлаждающего газа в зазор между слитком и кристаллизатором, например через отверстия в стенке кристаллизатора, расположенные выше уровня поддона 6, была обнаружена невысокая надежность; непосредственное воздействие жидкого металла, а также столба дуги, приводит к быстрому разрушению отверстий в стенке кристаллизатора, Жидкий металл, затекая в отверстия и застывая в них, вызывает заклинивание слитка в кристаллизаторе. Эта система практически не позволяет осуществить механическую чистку кристаллизатора, так как рабочие органы станка забивают отверстия в стенке кристаллизатора. Применяемая в известных устройствах система подачи охлаждающего газа через одно-два отверстия в стенке кристаллизатора приводит к неравномерному охлаждению поверхности слитка и изменению условий кристаллизации металла.10 Целью изобретения является увеличениепроизводительности и подавление испарения легирующих элементов с высокой упругостью пара и повышение качества выплавляемого металла за счет интенсивного принудительного охлаждения слитка путем создания контролируемой проточной газовой атмосферы в зазоре между слитком и кристаллизатором и в камере печи при давлении до 760 ммрт,ст.с непрерывной очисткой рабочего газа в процессе плавки.Для этого электросталеплавильная печь дополнительно снабжена коллектором, установленным в поддоне кристаллизатора, служащим для подачи и принудительной циркуляции рабочего газа в зазоре между слитком и кристаллизатором и в камере печи, причем камера печи через. систему затворов и фильтры соединена со входом электромагнитного клапана и с приемным патрубком насоса, создающего циркуляцию газа в печи, выходной патрубок гокоторого через осушитель, трубчатую вакуумную печь сопротивления и холодильник соединен со входом натекателя и через вакуумный затвор со входом второго натекателя, регулирующего подачу газа в коллектор, а также с выходом понижающего редуктора, соединенг 5 ного с баллонами, содержащими рабочий газ,при этом через вакуумные затворы выход натекателя соединен с камерой печи, выход второго натекателя - с коллектором, установленным в поддоне кристаллизатора, а выход элек-тромагнитного клапана - с приемным патрубком форвакуумного насоса откачной системы печи, На фиг. 1 показана функциональная схема электросталеплавильной печи; на фиг. 2 - конструкция коллектора, предназначенного,для подачи и принудительной циркуляции газа в зазоре между слитком и кристаллизатором.Электросталеплавильная печь содержит вакуумную камеру 1 с системой 2 подвески и подачи одного или нескольких электродов 3, к которой подсоединен, например, один или нес колько кристаллизаторов 4 с поддонами 5,откачную систему, имеющую форвакуумный 6 и бустерные 7 насосы с соответствующей арматурой 8 управления, а также устройство для подачи, регенерации и циркуляции газа 45 в зазоре между слитком и кристаллизатороми в камере печи.Это устройство включает в себя коллектор 9,предназначенный для подачи рабочего газа в зазор между слитком 10 и кристаллизатором, сменные фильтры 11 для очистки газа, мало мощный форвакуумный насос (газодувку) 12,создающий циркуляцию газа в печи, осуши- тель 13, трубчатую печь сопротивления 14, холодильник 15, два регулирующих клапана-натекателя 16, 17, электромагнитный клапан 18, управляемый манометром 19, измеряющим дав 55ление в камере печи, понижающии редуктор 20,нсистему вакуумных затворов 21 - 26, а также один или несколько баллонов 27, содержащих рабочий газ. Коллектор 9 представляет собой полость 28, заключенную в поддоне 5 выше 60 уровня вакуумного уплотнения 29, и имеющуюотверстия 30 по всему периметру поддона. Коллектор подключают к системе подачи газа через вакуумный затвор 26, например ДУ - 25.В зависимости от химического состава переплавляемого металла возможны два режима работы печи.При переплаве сложнолегированных сталей и сплавов, содержащих элементы с высокой упругостью пара, после откатки печи и зажигания дуги закрывают вакуумный затвор 25, при помощи вакуумной арматуры 8, имеющейся на печи, отключают бустерные насосы 7 и в камеру 1 подают через коллектор 9 рабочий газ до требуемого давления (60 - 760 мм рт. ст.). Давление газа в зазоре между слитком и кристаллизатором регулируют при помощи редуктора 20 и натекателя 17 и поддерживают на уровне 35 - 150 мм рт. ст., превышающем давление газа в камере печи. В этом случае газ практически не проходит через контактный поясок между слитком и кристаллизатором и его расход не превышает 0,05 - 1,0 мэ/ч. В процессе плавки газ, находящийся в камере печи, подвергают постоянной очистке в замкнутой системе, состоящей из сменных фильтров 11, форвакуумного насоса 12 осушителя 13, трубчатой печи сопротивления 14, холодильника 15 и натекателя 16. Необходимая циркуляция газа создается вакуумным насосом 12, мощность которого может быть значительно меньше мощности основного форвакуумного насоса 6, предназначенного для откачки печи, Под действием перепада давлений, создаваемого этим насосом, газ поступает из вакуумной камеры 1 в фильтры 11, задерживающие частицы конденсата и мелкие брызги металла, образующиеся в процессе плавки. Очищенный газ проходит через насос 12 и поступает в осушитель. После осушителя 13, в котором задерживаются пары и капельки масла, газ поступает в трубчатую печь сопротивления 14, наполненную активным реагентом, например медной, титановой или железной стружкой. Здесь задерживаются химически активные вещества, например кислород, азот и др., выделяющиеся при переплаве расходуемого электрода. Очищенный газ охлаждают в холодильнике 15 и подают в натекатель 16, предназначенный для регулирования скорости циркуляции газа в печи. В процессе плавки рабочая газовая атмосфера постепенно обновляется за счет медленного прохождения газа из зазора между слитком и кристаллизатором в камеру печи. Заданный уровень давления газа в печи поддерживают при помощи электромагнитного клапана 18, соединенного через фильтр 1 с камерой 1 и через вакуумный затвор 21 с форвакуумным насосом 6 откачной системы, Для автоматического управления магнитным клапаном в цепь его питания включают контакты электроконтактного манометра 19, измеряющего давление в камере печи. При повышении газа сверх заданного уровня излишек газа через электромагнитный клапан 18 откачивается форвакуумным насосом 6 в атмосферу.5 10 15 20 25 35 40 45 50 55 60 В рассматриваемом режиме работы печи существуют два контура циркуляции газа: один контур, образованный цепью коллектора. служит для подачи газа в зазор между слитком и кристаллизатором и для повышения интенсивности охлаждения слитка, другой - обеспечивает удаление конденсата. очистку и регенерацию газа в камере печи в процессе плавки, а также поддержание давления газа на заданном уровне.Повышенное давление газа в печи позволяет уменьшить испарение летучих компонентов, а интенсивное охлаждение слитка способствует их фиксации в металле.Другой режим работы печи применяют при переплаве сплавов, склонных к образованию локальной сегрегации, например сплавов на никелевой и железоникелевой основе. В этом случае после откачки печи и зажигания дуги с помощью арматуры 8 отключают бустерные насосы 7, закрывают вакуумный затвор 24 и открывают затвор 25. Из баллона 27 через понижающий редуктор 20 и натекатель 1 газ подают в распределительный коллектор 9. Систему, состоящую из фильтров 11, насоса 12, осушителя 13, печи сопротивления 14 и холодильника 15, также как и в первом случае, используют для создания циркуляции и очистки газа в печи, Однако, в отличие от первого случая, рабочий газ поступает не в камеру печи, а через вакуумный затвор 25, натекатель 17 и вакуумный затвор 26 вновь подается в распределительный коллектор при давлении 60 - 760 мм рт.ст. При этом значительно возрастает скорость кристаллизации металла, так как вследствие термической усадки слиток отходит от стенки кристаллизатора и охлаждающий газ свободно проходит в камеру печи. Интенсификация охлаждения слитка в этом случае достигается не только за счет увеличения коэффициента теплоотдачи от слитка к кристаллизатору, но также и за счет переноса аккумулированного газом тепла из зазора в камеру печи. В существующих вакуумных дуговых печах этот режим нельзя осуществить из-за быстрого падения производительности насосов и выхода из строя откачной системы печи и значительного расхода охлаждающего газа. Значительное увеличение скорости охлаждения слитка позволяет на 25 - 80% увеличить производительность вакуумных дуговых печей при сохранении высокого качества металла.В отличие от известных устройств подачи охлаждающего газа в зазор между слитком и кристаллизатором через отверстия в стенке кристаллизатора, расположенные выше поддона применяемый в данной электросталеплавильной печи распределительный коллектор, установленный в поддоне, имеет ряд преимуществ; он не подвержен непосредственному воздействию жидкого металла, полностью исключается вероятность заклинивания слитка в кристаллизаторе или затекание жидкого металла в отверстия коллектора. При этом обеспечивается равномерное распределение газа в зоре между слитком и кристаллизатором, необхо.1 Н 1111 Н Заказ 2538/18 Тираж 716 Подписное Филиал П ПП Пап ент,Ужгород, ул. Проектная, 4 димое для получения качественного однородного металла. Стойкость, коллектора по сравнению с известной системой подачи газа значительно выше, так как коллектор не разрушается при выгрузке слитка и чистке кристаллизатора.Наряду с переплавом металлов и сплавов в атмосфере инертных, например аргона, или активных, например азота, газов предлагаемую электросталеплавильную печь можно использовать также и для обычного вакуумного дугового переплава сталей и сплавов при разряжении 10- - 10-4 ммрт.ст., что делает ее более универсальной и удобной в эксплуатации чем применяющиеся в настоящее время дуговые вакуумные печи серии ДСВ.По сравнению с существующими печами предлагаемая электросталеплавильная печь поз воляет проводить вакумный дугово й переплав сложнолегированных сталей и сплавов с принудительным охлаждением слитка газом, например гелием, в проточной атмосфере инерт ных или активных газов и за счет этого значительно (на 25 - 80%) увеличить производительность печи, улучшить качество металла и повысить выход годного; резко (в 5 - 10 раз) уменьшить расход охлаждающего газа; переплавлять широкий сортамент сталей и сплавов, в том числе стали и сплавы, содержащие элементы с высокой упругостью пара; осуществлять переплав металлов и сплавов с программным изменением давления газа в зазоре между слитком и кристаллизатором зо и в камере печи; повысить надежность и долговечность системы подачи газа и, в целом, значительно увеличить надежность техноло-. гии ВДП сложнолегированных сталей и сплавов. Электросталеплавильная печь, для перепла ва сложнолегированных сталей и сплавов, со держащая вакуумную камеру с системой подвески и подачи одного или нескольких электродов, к которой подсоединены, например, один или несколько кристаллизаторов с поддонами и откачная система, включающая форвакуумные и бустерные насосы с арматурой управления, отличающаяся тем, что, с целью повышения производительности печи, подавления испарения легирующих элементов с высокой упругостью пара, улучшения качества метал-, ла и повышения выхода годного металла, она снабжена коллектором, установленным в поддоне кристаллизатора, причем камера печи через систему затворов и фильтры соединена со входом электромагнитного клапана и с приемным патрубком насоса, создающего циркуляцию газа в печи, выходной патрубок которого через осушитель, трубчатую вакуумную печь сопротивления и холодильник соединен со входом натекателя и через вакуумный затвор со входом второго натекателя, регулирующего по%ачу газа в коллектор, а также с выходом понижающего редуктора, соединенного с баллонами, содержащими рабочий газ, при этом через вакуумные затворы выход натекателя соединен с камерой печи, выход второго натекателя - с коллектором, а выход электромагнитного клапана - с приемным патрубком форвакуумного насоса откачной системы печи.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:1. Электротермия, М., 1964, вып. 36. Дуговая вакуумная печь типа 1. - 900 фирмы Негеацв, с. 42 - 45.2. Патент Японии20733, кл. 11 В 11 (11 В 07), 1969.3, 1 пдцзг. Неа 1 1966, 339, Ха 1 гове Яее. аддз сопзцгпаЬе-еес 1 годе часццгп гете 1- 6 пд сарас 11 у р. 1676, 1678, 1680 (англ) .4. Патент США3353585, кл.164 - 124, 1965.5. Патент США3101385, кл.13 - 33, 1963.6, Патент США3344840, кл.164 - 122, 1966.7, Патент США2973452, кл.314 - 69, 1961.8. 1 гоп апд с 11 ее 1 Епдг, 1966, 4349, Ха 1 гове Яее 1 псгеазез сарасг(у о 1 часццгп агсте 11 811 ор, р. 223.