электрическая шлаковая печь для переплава

Формула изобретения

Электрическая вакуумная шлаковая печь для переплава металлов, содержащая водоохлаждаемый кристаллизатор с жидким шлаком, переплавляемый электрод с механизмом перемещения, источник тепла для расплавления торца переплавляемого электрода и разогрева жидкого шлака, механизм вытягивания наплавляемого слитка, при этом все оборудование печи помещено в вакуумную камеру, отличающаяся тем, что источник тепла для расплавления торца переплавляемого электрода и разогрева жидкого шлака выполнен в виде одного или нескольких лазеров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при выплавке стали, сплавов и чистых металлов в электрических печах.

Известна электрическая вакуумно-дуговая печь, используемая для выплавки стали, сплавов и чистых металлов (Кудрин В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. - М.: Мир, ООО «Издательство ACT», 2003, - с.335), которая имеет медный водоохлаждаемый кристаллизатор, установленный в вакуумной камере, соединенной с системой вакуумных насосов, создающих в ней разряжение, механизм перемещения переплавляемого (расходуемого) электрода и механизм вытягивания наплавляемого слитка из кристаллизатора. Для переплава металла применяют электрическую дугу.

К недостаткам вакуумно-дуговой печи следует отнести ограничение создаваемого в ней вакуума значением 1,33 Па, который определяет конечное содержание кислорода, азота и водорода в кристаллизующемся металле. При более низком вакууме электрическая дуга не возникает из-за малого количества ионизируемого газа. Верхнее давление вакуума в печи тоже ограничено и не должно превышать величину, равную 13,51 Па, т.к. при большем давлении образуются боковые паразитические дуги, способные прожечь стенки водоохлаждаемого кристаллизатора, через которые вода вступает во взаимодействие с горячим металлом и может произойти взрыв. Кроме того, металл переплавляемого электрода стекает с его торца в виде струек и капелек, что приводит к возникновению большого количества коротких замыканий и, как следствие, к образованию дефектов макроструктуры слитка. Источниками питания вакуумно-дуговых печей являются машинные генераторы, полупроводниковые селеновые или кремниевые выпрямители и трансформаторы, которые требуют больших капитальных затрат.

Наиболее близкой по технической сути к предлагаемому изобретению является электрическая печь для электрошлакового переплава в медный водоохлаждаемый кристаллизатор расходуемого электрода, торцом погруженного в жидкий шлак (Кудрин В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. - М.: Мир, ООО «Издательство ACT», 2003, - с.337).

Недостатки прототипа состоят в следующем. Протекание процесса электрошлакового переплава является нестабильным из-за положения торца электрода в шлаке. Если электрод заглублен недостаточно, возникают дуги и микродуги между электродом и шлаком, что приводит к увеличению окисленности металла и количества неметаллических включений. Если электрод сильно заглублен в шлак, то дуги и микродуги возникают между электродом и металлической ванной, что приводит к браку по макроструктуре получаемого слитка. Печи переменного тока имеют мощный трансформатор, а печи постоянного тока дополнительно оборудованы выпрямителями, увеличивающими капитальные затраты на оборудование.

Таким образом, недостатками прототипа являются недостаточное качество выплавляемого металла и высокие капитальные затраты на оборудование.

Задачей изобретения является улучшение качества выплавляемого металла и уменьшение капитальных затрат на оборудование.

Поставленный технический результат достигается тем, что предлагаемая электрическая вакуумная шлаковая печь для переплава металлов имеет водоохлаждаемый кристаллизатор с жидким шлаком, механизм перемещения переплавляемого электрода, механизм вытягивания наплавляемого слитка, причем все оборудование печи помешено в вакуумную камеру, а источник тепла для расплавления торца электрода и разогрева жидкого шлака выполнен в виде одного или нескольких лазеров.

Изобретение обладает новизной, что следует из сравнения с прототипом, и изобретательским уровнем, так как явно не следует из существующего уровня техники, практически осуществимо в действующих электрических печах.

Предлагаемая печь имеет водоохлаждаемый кристаллизатор, установленный в вакуумной камере, механизм перемещения переплавляемого электрода и один или несколько оптических квантовых генераторов большой плотности энергии - лазеров (Физическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1990, том 2, - с.549).

Способ предлагаемого переплава, совмещая преимущества вакуумно-дугового и электрошлакового переплавов, предназначен для получения слитков массой от нескольких килограмм до десятков тонн конструкционных, нержавеющих, высокопрочных и других сталей, чистых по сере, неметаллическим включениям, кислороду, водороду и азоту, а также жаропрочных сплавов.

При использовании одного лазера 1 (чертеж) его устанавливают в вакуумной камере 2 так, чтобы часть излучения лазера 3 попадала на торец переплавляемого электрода 4, а другая часть - на жидкий шлак 5, находящийся в кристаллизаторе 6, разогревая его до температуры 1700-2000°С. Металл с торца переплавляемого электрода каплями падает в жидкий шлак. В процессе падения капли проходят первичную обработку вакуумом, обеспечивающим удаление из металла кислорода, азота, водорода, уменьшение содержания примесей цветных металлов и неметаллических включений, за счет чего улучшается качество металла. Попадая в жидкий шлак, капли металла проходят вторую стадию обработки, поскольку шлак обладает высокой обессеривающей способностью и хорошо абсорбирует оксидные включения. Пройдя через шлак, капли жидкого металла попадают в кристаллизатор, формируя наплавляемый слиток 7, который вытягивают из кристаллизатора механизмом 8. Электрод в зону плавления перемещают с помощью механизма 9. Разрежение в камере создает вакуумная система 10. При использовании еще одного лазера 11 генерируемое им излучение 12 направляют на торец переплавляемого электрода или на ванну жидкого шлака. В случае применения большего количества лазеров генерируемое ими излучение направляют или на торец переплавляемого электрода, или на ванну жидкого шлака, или на то и другое одновременно.

Мощность излучения оптического квантового генератора зависит от переплавляемого металла и диаметра кристаллизатора. Для низкоуглеродистой стали мощность излучения, падающего на электрод, должна составлять 2,5-8,25 кВт/см для кристаллизатора диаметром 30 см. При переплаве жаропрочных сплавов на никелевой основе 3,0-4,25 кВт/см для кристаллизаторов диаметром 11-37 см. Для подшипниковой стали ШХ15, переплавляемой в кристаллизаторы диаметром 26 и 38 см, мощность излучения должна составлять 3,4-4,0 и 3,63-4,25 кВт/см соответственно. Превышение мощности излучения приведет к увеличению зоны столбчатых кристаллов и ухудшению макроструктуры наплавляемого слитка. Мощность излучения лазера для нагрева и расплавления шлака за 10 минут в начале переплава в кристаллизатор диаметром 30 см должна составлять 40-50 кВт, а для поддержания температуры шлака в процессе переплава равной 1700-2000°С мощность лазера должна составлять 3-10 кВт.