Процессы специальной электрометаллургии для производства крупных слитков
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Процессы производства крупных слитков улучшенного качества

Процессы специальной электрометаллургии для производства крупных слитков

Базовым процессом специальной электрометаллургии является электрошлаковый переплав. Рафинирование стали при ЭШП происходит в результате прохождения капель расплавившегося электродного металла через слой рафинирующего шлака (рис.7.2). Плотная структура с минимальной неоднородностью даже крупных слитков ЭШП обеспечивается благодаря тому, что глубина двухфазной зоны при таком переплаве относительно невелика, а затвердевание в водоохлаждаемом кристаллизаторе имеет направленную радиальноосевую ориентацию. В этих условиях структура слитков ЭШП отличается высокой плотностью и однородностью.

При производстве крупных кузнечных слитков способом ЭШП получаемую заготовку можно вытягивать вниз из короткого кристаллизатора. Таким способом получают слитки длиной до 5 м, диаметром до 2300 мм и массой до 165 т.

Дальнейшее наращивание массы слитка ЭШП, несмотря на достигнутые позитивные результаты и возможности существующего оборудования, считают нерациональным. Основным препятствием является увеличение себестоимости стального слитка, которая определяется высокими капитальными затратами и удельными расходами на переплав. Следует отметить, что наряду с высокой стоимостью сверхкрупных печей ЭШП, себестоимость переплавленного металла существенно увеличивается из-за необходимости производства многотонных расходуемых электродов высокого качества.

Принципиальная схема установки электрошлакового переплава стали

Рисунок 7.2 – Принципиальная схема установки электрошлакового переплава стали 1 – переплавляемый электрод; 2 – водоохлаждаемый кристаллизатор; 3 – шлаковая ванна; 4 – расплавленный металл; 5 – твердый слой шлака; 6 – воздушный зазор; 7 – затвердевший слиток; 8 – водоохлаждаемый поддон

Развитием процесса ЭШП, позволяющим отказаться от переплава расходуемых электродов при производстве крупных слитков является процесс порционной электрошлаковой отливки (ПЭШО), который предполагает заполнение кристаллизатора жидким металлом определенными порциями. Электрический ток к шлаковой ванне подводится с помощью нерасходуемых, например, графитированных электродов. При этом, регулируя соотношение между массой порций стали и продолжительностью перерыва между их заливкой, можно обеспечить требующуюся для направленного формирования слитка массовую скорость подачи расплава. Заливка стали в кристаллизатор небольшими порциями имеет серьезное технологическое преимущество, заключающееся в применении сталеплавильных печей сравнительно малой мощности.

Применение водоохлаждаемого кристаллизатора и электрошлакового процесса делает процессы ПЭШО и ЭШП во многом похожими в энергетическом отношении. Параметры теплообмена между металлической и шлаковой ваннами, формируемым слитком и кристаллизатором для этих процессов практически идентичны. Необходимость компенсации значительных потерь теплоты в зоне шлакового пояса и излучением шлаковой ванны требует дополнительных удельных затрат электроэнергии на организацию процесса ПЭШО. Но в связи с применением расплавленной стали при ПЭШО они примерно на треть меньше, чем при ЭШП и составляют 2,1-2,5 ГДж (600-700 кВт•ч) на 1 т получаемого слитка.

С целью уменьшения энергетических затрат на производство крупных кузнечных слитков в промышленности освоена технология, при которой используют наружные части слитка, отлитого по традиционной технологии, а центральную часть слитка после разливки и ковки удаляют прошивкой и на ее место заливают металл электрошлакового переплава близкого химического состава. При этом в центральной части слитка достигается однородная бездефектная структура. Основные принципы этой технологии видны на рис.7.3.

Процесс электрошлакового переплава центральной части крупного слитка

Рисунок 7.3 – Процесс электрошлакового переплава центральной части крупного слитка а – подготовка для ЭШП центральной части слитка; б – состояние после частичного ЭШП; в – слиток после ЭШП

К достоинствам этого способа относится возможность производства крупных кузнечных заготовок на базе относительно маломощного оборудования ЭШП. Однако, для рассмотренного метода характерна высокая технологическая сложность и повышенная операционная трудоемкость. При этом не исключается опасность образования специфических дефектов в зоне сплавления жидкого металла с твердой заготовкой: шлаковые включения, микро- и макротрещины.

В последние десятилетия наметилась тенденция радикального повышения качества стали методами внепечной обработки в ковше. В связи с этим конкурентоспособность процессов ЭШП и ПЭШО значительно снизилась. На наш взгляд, эти процессы могут быть востребованы при производстве специальных слитков ответственного назначения.

Между тем, сам электрошлаковый процесс может быть использован для обогрева головной части слитка. Это позволяет улучшить качество металла в головной части слитка и увеличить выход годного за счет уменьшения глубины усадочной раковины. При такой технологической схеме за счет теплоты металла оплавляющегося электрода улучшается тепловая обстановка в подприбыльной части слитка, негативные изменения химического состава последних затвердевающих порций расплава нивелируются добавкой чистого электродного металла, а накапливающиеся вредные примеси и всплывающие неметаллические включения ассимилируются в шлаке.

Процесс электрошлаковой подпитки (Electroslag Topping Process), усовершенствованный специалистами австрийской фирмы «Белер», получил в металлургии наименование BEST-процесс, а итальянской фирмы «Терни» — TREST-процесс. Принципиальное различие между ними состоит лишь в том, что в первом применяют водоохлаждаемую прибыльную надставку, а во втором — футерованную. Это, естественно, сказывается на потреблении энергии для организации электрошлаковой подпитки. Так, при TREST-процессе удельные энергетические затраты составляют около 110 МДж (30-35 кВт•ч) на 1 т слитка, что в 6-8 раз меньше, чем при BEST-процессе. За последние 20 лет способами BEST и TREST в промышленных условиях изготовлено большое число слитков, масса которых, однако, не превышала 62 т. Исследования показывают, что в сравнении с металлом обычного производства в слитках электрошлаковой подпитки снижается общая и зональная химическая неоднородность, повышается плотность металла в осевой зоне, реже обнаруживаются отдельные и групповые дефекты в поковках. Но главное достоинство методов электрошлаковой подпитки заключается в повышении выхода годного за счет уменьшения расхода металла на прибыль и уменьшения конуса осаждения, требующего удалять в обрезь от донной части слитка до 15% его массы. Поэтому, например, 55-тонные слитки электрошлаковой подпитки по выходу годного металла равноценны 70-тонным слиткам обычного производства.

В целом эффективность рассмотренных методов электрошлаковых переплава и подпитки с точки зрения качества продукции заметно понижается с увеличением массы крупного слитка, поскольку условия затвердевания расплава в этом случае практически не отличаются от условий формирования обычного слитка. Поэтому в металлургической практике для производства крупных и сверхкрупных слитков в настоящее время предпочтение отдается традиционным схемам выплавки и внепечной обработки стали.