кристаллизатор для электрошлаковой наплавки

Формула изобретения

1. Кристаллизатор для электрошлаковой наплавки, содержащий четыре кольцеобразные водоохлаждаемые секции, расположенные по высоте, верхняя секция имеет защитную графитовую футеровку и является токоподводящей, две нижние секции являются формирующими, между верхней токоподводящей секцией и нижними формирующими секциями устанавливают дополнительную секцию, выполненную из электропроводящего материала, электрически изолированную от верхней и нижних секций изоляционными прокладками, источник питания с двумя токоподводами, причем первый токоподвод подключают к верхней токоподводящей секции, а второй - к наплавляемому изделию, отличающийся тем, что в верхней токоподводящей и дополнительной секциях выполняют осевые сквозные пазы, в которых устанавливают изолирующие прокладки, при этом первый токоподвод подключают к одному концу верхней токоподводящей разрезанной секции на границе с пазом.

2. Кристаллизатор по п.1, отличающийся тем, что ко второму концу верхней токоподводящей разрезанной секции подключают дополнительный третий токоподвод, соединенный со вторым токоподводом через балластное сопротивление.

3. Кристаллизатор по п.1, отличающийся тем, что к концам разрезанной дополнительной секции на границе с пазом подключают токоподводы от дополнительного источника питания, имеющего частоту и фазу выходного напряжения основного источника питания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, в частности к конструкциям для электрошлаковой наплавки.

Известен кристаллизатор для электрошлакового переплава, содержащий формирующую часть и съемную шлаковую подставку, в котором с целью облегчения процесса удаления затвердевшего шлака после окончания плавки шлаковая подставка снабжена водоохлаждаемыми приводными штырями, установленными в горизонтальной плоскости в ее стенках с возможностью радиального перемещения (А.с. СССР N 645379, МКИ C 22 B 1/193, 1993 г.).

Этот кристаллизатор не пригоден для электрошлаковой наплавки изделий с плавлением некомпактного материала в шлаковой ванне.

Наиболее близким по технической сущности, принятым в качестве прототипа, следует признать кристаллизатор для электрошлаковой наплавки, содержащий четыре водоохлаждаемые секции, расположенные по высоте, из которых верхняя секция снабжена токоподподводом и является токопроводящей, две нижние секции являются формирующими и не изолированы друг от друга. Дополнительная секция между токоподводящей секцией и формирующими секциями электрически изолирована от этих секций с помощью изоляционных прокладок. Высота дополнительной секции с учетом толщины изоляционных прокладок не превышает толщины наплавляемого слоя. Высота первой формирующей секции равна 0,5-0,7 суммарной высоты формирующих секций. Токопроводящая секция на внутренней поверхности имеет графитовую защитную футеровку (патент РФ N 2139362, C 22 B 9/193, B 23 K 25/00, 10.10.99 г., N 28).

Недостатком данного кристаллизатора является невысокая прочность наплавленного слоя и наличие в нем раковин из-за нестабильности электрошлакового процесса, т.к. расплавленный металл плохо смешивается в шлаковой ванне.

Задача, на решение которой направлено техническое решение - улучшение физико-механических свойств наплавленного металла за счет лучшего смешивания расплавленного металла в шлаковой ванне, путем увеличения скорости вращения шлаковой ванны.

Поставленная задача достигается тем, что в кристаллизаторе для электрошлаковой наплавки, содержащем четыре кольцеобразные водоохлаждаемые секции, расположенные по высоте, верхняя секция является токопроводящей и имеет защитную графитовую футеровку, две нижние секции являются формирующими и не изолированы друг от друга, а дополнительная секция между токоподводящей и формирующей секциями, выполненная из электропроводящего материала, электрически изолирована от этих секций с помощью изоляционных прокладок, источник питания с двумя токоподводами, причем первый токоподвод подключают к верхней токоподводящей секции, а второй - к наплавляемому изделию. В верхней токоподводящей и дополнительной секциях выполняют осевые сквозные пазы, в которых устанавливают изолирующие прокладки, при этом первый токоподвод подключают к одному концу верхней токоподводящей разрезной секции на границе с пазом. Ко второму концу верхней кольцевой разрезанной секции на границе с пазом подключен дополнительный третий токоподвод, соединенный со вторым токоподводом через балластное сопротивление. К концам разрезанной дополнительной кольцевой секции на границе с пазом подключают токоподводы от дополнительного источника питания, имеющего частоту и фазу выходного напряжения основного источника питания.

Наличие сквозного паза в промежуточной секции препятствует возникновению тока в промежуточной секции, направленного противоположно току, протекающему по верхней секции, в результате возрастает магнитный поток, охватывающий шлаковую ванну, и скорость вращения шлаковой ванны возрастает.

Наличие балластного сопротивления, включенного между токоподводом от второго конца верхней секции и токоподводом от наплавляемого изделия, позволяет увеличить составляющую тока, протекающего по верхней кольцевой секции без захода в шлаковую ванну, что позволяет увеличить магнитный поток, охватывающий шлаковую ванну, и увеличить скорость ее вращения.

Подключение концов разрезанной дополнительной секции к дополнительному источнику питания, имеющего ту же частоту и фазу выходного напряжения, что и основной источник питания, позволяет увеличить магнитный поток, охватывающий шлаковую ванну, и увеличить скорость ее вращения.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 цифрами обозначены: 1 - токоподводящая секция; 2 - изоляционная прокладка на месте разреза первой секции; 3 - токоподвод; 4 - первая формирующая секция; 5 - вторая нижняя формирующая секция; 6 - промежуточная изолирующая секция; 7 - изоляционная прокладка на месте разреза промежуточной секции; 8 - изоляционные прокладки между секциями; 9 - графитовая защитная футеровка; 10 - наплавляемое изделие; 11 - токоподводящий поддон; 12 - металлическая затравка; 13 - токоподвод; 14 - шлаковая ванна; 15 - воронка; 16 - расплав.

На фиг. 2 показаны направления протекания тока по верхней секции, шлаковой ванне.

На фиг. 3 показана схема подключения промежуточной кольцевой секции к дополнительному источнику питания.

Заявленный кристаллизатор для шлаковой наплавки (фиг. 1) содержит четыре кольцевые водоохлаждаемые секции, расположенные по высоте, из которых верхняя секция 1, имеющая осевой разрез, в котором установлена изоляционная прокладка 2, снабжена токоподводом 3 и является электропроводящей, две нижние секции 4 и 5 являются формирующими и электрически представляют единое целое, т.е. не изолированы друг от друга. Промежуточная секция 6 кольцевыми изоляционными прокладками 7 электрически изолирована от токопроводящей секции 1 и первой формирующей секции 4. Секция 6 имеет осевой разрез, в котором установлена изолирующая прокладка 8. Секция 1 на внутренней поверхности имеет графитовую защитную футеровку 9.

Электрошлаковая наплавка с использованием заявляемого кристаллизатора осуществляется следующим образом. Изделие 10 устанавливается на токоподводящий поддон 11 с металлической затравкой 12, представляющей собой пластину, размеры которой таковы, что между внутренней поверхностью нижней формирующей секции 5 и торцом затравки 12 по всему периметру имеется зазор в 2-3 мм. Кристаллизатор одевается на изделие 10 так, чтобы нижний край секции 5 перекрывал на 3-5 мм торец затравки 12. Зазор между затравкой 12 и нижним краем секции 5 заделывается изоляционным материалом, например асбестовым шнуром.

Пространство между кристаллизатором и наплавляемым изделием 10 заполняется расплавленным шлаком до уровня 0,3-0,5 высоты токоподводящей секции 1. Между токоподводами 3 и 13 подается напряжение ~60 В. Через шлаковую ванну начинает протекать сварочный ток между секцией 1 и поддоном 11 через расплавленный шлак и наплавляемое изделие 10. Шлаковая ванна разогревается и, когда ее температура достигнет температуры плавления некомпактного материала, в шлаковую ванну 14, через воронку 15 начинается дозированная подача некомпактного материала, например, металлической дроби диаметром 2-3 мм, который, расплавляясь, оседает на дно шлаковой ванны 14 в виде расплава 16. Когда верхний уровень расплава 16 достигает уровня 0,7-0,8 от суммарной высоты секций 4 и 5 в нижней секции 5, металл расплава подвергается кристаллизации до уровня 0,5-1,0 ее высоты и начинается перемещение кристаллизатора вверх со скоростью роста кристаллизации. Подача некомпактного материала при этом дозируется в таком количестве, чтобы верхний уровень расплава 16 был стабильным на уровне 0,5-0,7 высоты секции 4.

Кристаллизатор перемещается вверх до тех пор, пока верхний уровень расплава 16 не достигнет верней границы наплавки изделия 10. После этого сварочное напряжение отключается, шлак из кристаллизатора удаляется и кристаллизатор снимается.

Поскольку токоподвод соединен только с одним концом верхней кольцеобразной разрезанной секции, то между концами секций есть разность потенциалов. Кроме того, разность потенциалов есть между любой точкой верхней кольцеобразной секцией и наплавляемым изделием, к нижнему концу которого подключен второй токоподвод.

На фиг. 2 показаны радиальная составляющая I_R тока I, уходящая с секции в расплавленный металл, и тангенциальная составляющая I тока I, определяющая распределение тока по верхней секции. Тангенциальная составляющая тока I создает в наплавляемом изделии магнитный поток, под действием которого в расплавленном металле, находящемся в шлаковой ванне и промежуточной секции 3, наводится ЭДС. Взаимодействие тока, протекающего в расплавленном металле, с магнитным потоком определяет возникновение сил электромагнитного взаимодействия.

В результате в шлаковой ванне расплавленный металл и шлак совершают движение по кругу за счет возникающих сил взаимодействия электромагнитного потока и тока, протекающего через расплав. В промежуточной кольцевой секции 6 наводится ЭДС, и в случае отсутствия разреза кольца, по нему будет протекать вторичный ток, ослабляющий магнитный поток, в результате скорость вращения расплавленного металла и шлака в шлаковой ванне уменьшится. Для увеличения скорости вращения расплавленного металла в промежуточной секции 6 выполнен разрез, в который помещена изолирующая прокладка 7, препятствующая протеканию вторичного тока по кольцевой секции 6.

Для увеличения скорости вращения расплавленного металла в кристаллизатор введен дополнительный третий токопровод (см. фиг. 3), подключенный ко 2-му концу разрезанной кольцеобразной верхней секции 1, причем третий токоподвод соединен со вторым токоподводом через балластное сопротивление. Для большего увеличения скорости вращения расплавленного металла в шлаковой ванне концы разрезанной кольцевой промежуточной секции 6 могут быть подключены к источнику питания напряжением 3-5 B, имеющему такую же частоту и фазу, что и источник питания, подключенный к верхней секции 1. В результате по секции 6 будет протекать ток в том же направлении, что и по секции 1, и скорость вращения расплавленного металла в шлаковой ванне увеличивается.

Данная конструкция кристаллизатора позволяет повысить качество наплавки по следующим причинам: возрастает вращение шлаковой ванны, которое происходит с постоянной скоростью, некомпактный материал более равномерно распределяется по окружности бочки валка и в результате твердость по окружности бочки валка становится более равномерной.