Способ получения расходуемых электродов

Изобретение относится к области электрометаллургии, в частности к получению расходуемых электродов для электрошлакового переплава. Способ включает одновременную подачу жидкого металла и твердой металлической составляющей в виде металлизованных окатышей в изложницу. Осуществляют одновременную подачу жидкого металла и металлизованных окатышей, подогретых до 100...200°С, в соотношении, равном (3,4...4,2):1, порциями, образующими слой высотой 100-150 мм. В качестве изложницы используют сифонные трубки, изготовленные с использованием отработанного флюса процесса электрошлакового переплава металлизованных окатышей. Изобретение позволяет получить электроды с высокой химической однородностью и достаточной механической прочностью. В результате электрошлакового переплава расходуемых электродов получают слиток, имеющий плотную бездефектную структуру при достаточно хорошей поверхности с низкой себестоимостью. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к области электрометаллургии, в частности к получению расходуемых электродов для электрошлакового переплава.

Известен способ получения расходуемых электродов, заключающийся в компактировании кусковой шихты, которую с целью упрочнения электрода и стабилизации состава шлаковой ванны в процессе переплава засыпают в форму и заливают расплавом рабочего флюса ЭШП [Чекотило Л.В., Медовар Б.И., Мартан В.М. Авт. св. СССР, кл. С21С 5/56, заявл. 24.01.73 (21) 1875572/22-02, опубл. 05.06.80, бюллетень №21].

Недостатком данного способа получения расходуемых электродов является то, что использование в качестве связующего вещества флюса ЭШП приводит к тому, что в процессе дальнейшего электрошлакового переплава масса жидкого флюса увеличивается по ходу сплавления расходуемого электрода. Для поддержания неизменного количества рабочего флюса по ходу переплава необходимо его скачивание, что весьма затруднительно на установках ЭШП со стационарным кристаллизатором. Данный способ предполагает использование нерасходуемого электрода для осуществления электрошлакового процесса, т.к. пропускание электрического тока через получаемый по данному способу расходуемый электрод весьма затруднительно, из-за перераспределения зон выделения джоулевой теплоты, поскольку расходуемый электрод неоднороден и большинство флюсов в твердом состоянии неэлектропроводны. Данное обстоятельство в значительной степени усложняет технологический процесс и ухудшает технико-экономические показатели. Использование нерасходуемого графитового электрода приводит к науглероживанию металла, получаемого в ходе ЭШП, и затрудняет получение низкоуглеродистых марок стали.

Известен способ получения расходуемых электродов, включающий засыпку шихтовых материалов порциями в матрицу и прессование, при этом в первую порцию шихтовых материалов вносят лигатурные добавки в количестве 30...70% [Бакуменко С.П., Якушев О.С., Шатов В.М. Авт. св. СССР, кл. В22d 7/00, С 21 с 5/56, №427778, заявл. 18.04.72, опубл. 29.01.75].

Недостатком данного способа является то, что наблюдается неравномерное распределение лигатурных добавок по высоте получаемого расходуемого электрода, содержание в нижнем слое расходуемого электрода выше, чем в последующих выше лежащих слоях. В процессе прессования наблюдается неодинаковая степень обжатия, а также недостаточная механическая прочность, что затрудняет получение расходуемых электродов большого диаметра.

Известен способ получения расходуемых электродов с применением предварительно подогретых до температуры 650...850°С металлизованных окатышей, подаваемых первоначально в изложницу, при котором подача жидкого металла осуществляется в изложницу снизу под давлением 2...3 атм в соотношении с окатышами 1:(1...2,5) [Чуманов B.И., Потапов В.И., Чуманов И.В., Вотинов В.В. Способ получения расходуемых электродов. Патент на изобретение №2260065, МПК 7 С22В 9/18, Н 057/07. Заявка №2004129609. Приоритет изобретения 08.10.2004 г. Зарегистрировано 10.09.2005 г.].

Недостатком использования данного способа заливки жидким металлом под давлением снизу предварительно подогретых и засыпанных в изложницу металлизованных окатышей является то, что для осуществления данного способа необходимы дополнительные устройства для создания избыточного давления подаваемого снизу жидкого металла, что оказывается весьма затруднительно в промышленных условиях и требует дополнительных затрат. Предварительный подогрев металлизованных окатышей до температур 650...850°С приводит к их вторичному окислению, что весьма ухудшает дальнейший электрошлаковый переплав. Подача жидкого металла снизу в изложницу под давлением приводит к выдавливанию верхних слоев металлизованных окатышей и требует наличие сверху специальных приспособлений, предотвращающих данное явление и не препятствующих свободному выходу газов.

В качестве прототипа принят способ получения расходуемых электродов, включающий заливку твердой металлической составляющей жидким металлом одновременно подаваемых в изложницу специальной формы в соотношении (2,7...3,3):1, со скоростью подачи металлизованных окатышей 3-5 кг/с и жидкого металла 1-2 кг/с. В качестве твердой металлической составляющей используются металлизованные окатыши [Чуманов В.И., Чуманов И.В., Пятыгин Д.А., Вотинов В.В. Способ получения расходуемых электродов. Патент на изобретение №2233895, МПК 7 С22В 9/18, Н 057/07. Заявка №2003108193. Приоритет изобретения 24.03.2003 г. Зарегистрировано 10.08.2004 г.].

Недостатком данного способа получения расходуемых электродом является то, что необходимо достаточно точное соблюдение технологических параметров, а именно соблюдение постоянными соотношений и скоростей их совместной подачи. По мере заполнения изложницы специальной формы происходит всплывание металлизованных окатышей. При незначительных нарушениях заданных технологических параметров происходит неравномерное распределение металлизованных окатышей в объеме получаемого расходуемого электрода, что приводит при дальнейшем электрошлаковом переплаве к химической неоднородности получаемого металла. При одновременной подаче жидкого металла и металлизованных окатышей, необходим достаточно высокий предварительный подогрев последних, что приводит к развитию процессов вторичного окисления, а также снижает привлекательность данной технологии с точки зрения технико-экономических показателей.

Задачей изобретения является снижение себестоимости изготовления электродов для электрошлакового переплава.

Задача решается тем, что в способе получения расходуемых электродов, включающем одновременную заливку жидкого металла с твердой металлической составляющей преимущественно в виде металлизованных окатышей в изложницу, согласно изобретению одновременную подачу жидкого металла и металлизованных окатышей, подогретых до 100...200°С, в соотношении (3,4...4,2):1 осуществляют порциями, причем высота каждого слоя 100-150 мм.

Другим отличием является то, что в качестве изложницы используют сифонные трубки, изготовленные с использованием отработанного флюса процесса электрошлакового переплава металлизованных окатышей (ЭШПМО).

Использование в процессе заливки расходуемого электрода одновременной подачи металлизованных окатышей вместе с жидким металлом в соотношении (3,4...4,2):1, в зависимости от насыпной массы металлизованных окатышей, позволяет обеспечить более равномерное распределение окатышей в объеме расходуемого электрода и снизить температуру их предварительного подогрева. Снижение температуры предварительного подогрева металлизованных окатышей до 100...200°С позволяет предотвратить интенсификацию процессов вторичного их окисления, а также повышает привлекательность данной технологии с точки зрения технико-экономических показателей. Уменьшается общий удельный расход электроэнергии на тонну выплавляемого таким образом металла и снижаются «угары» легирующих добавок.

Использование одновременной подачи металлизованных окатышей и жидкого металла порциями высотой 100-150 мм позволяет обеспечить оптимальный режим кристаллизации и распределения жидкого металла по всему объему.

Использование для придания формы расходуемому электроду изложницы, которая при дальнейшем процессе переплава является оболочкой расходуемого электрода, выполненной из сифонных трубок, изготовленных с использованием отработанного флюса процесса ЭШПМО, а также различных раскислителей и легирующих добавок. Данная изложница позволяет отказаться от введения большого количества раскислителей и легирующих на поверхность рабочего флюса, а также способствует постоянному кондиционированию (обновлению) рабочего флюса по ходу ЭШПМО.

Использование металлизованных окатышей в качестве твердой металлической составляющей дает возможность получения плотноупакованного расходуемого электрода с равномерным распределением железной составляющей по всему объему, достигаемой в результате того, что металлизованные окатыши имеют сферическую форму и высокую насыпную массу. Получаемый в результате дальнейшего электрошлакового переплава металл имеет низкое содержание вредных газов, примесей цветных металлов, а также других вредных примесей, не удаляемых по ходу ЭШП.

Способ проиллюстрирован фотографиями, где на фото 1 изображено среднее сечение получаемого расходуемого электрода; на фото 2 - боковая поверхность его.

Способ осуществляют следующим образом. При высоте подаваемой порции 100...150 мм из металлизованных окатышей и жидкого металла в соотношении (3,4...4,2):1, в зависимости от насыпной массы используемых окатышей и температуре предварительного их подогрева до 100...200°С, наблюдалось незначительное время протекания процессов кристаллизации, с получением равномерного распределения окатышей по всему объему получаемого таким образом расходуемого электрода.

При высоте подаваемой порции менее 100...150 мм из металлизованных окатышей и жидкого металла в соотношении (3,4...4,2):1, в зависимости от насыпной массы используемых окатышей, и температуре предварительного их подогрева до 100...200°С наблюдалось незначительное время протекания процессов кристаллизации с получением равномерного распределения окатышей по всему объему получаемого таким образом расходуемого электрода. Однако использование малой высоты подаваемой порции, приводило к значительному увеличению времени, затрачиваемого на получение готового расходуемого электрода, что отрицательно сказывалось на технико-экономических показателях.

При толщине подаваемой порции свыше 100...150 мм из металлизованных окатышей и жидкого металла в соотношении (3,4...4,2):1 в зависимости от насыпной массы используемых окатышей и температуре предварительного их подогрева до 100...200°С, наблюдалось неполное проникновение металла по высоте элементарного слоя, что приводило к получению неравномерного распределения жидкого металла по всему объему получаемого таким образом расходуемого электрода и приводило к снижению механической прочности, необходимой для проведения дальнейшего ЭШПМО. Для осуществления пропитки выбранной, таким образом, высоты порции, требовалось значительно увеличивать температуру предварительного подогрева металлизованных окатышей, что приводило к интенсивному развитию процессов вторичного их окисления и ухудшало технико-экономические показатели.

Пример конкретного выполнения способа.

Промышленные исследования проводились на ОАО «Златоустовском металлургическом заводе» в ЭСПЦ №3.

Получение расходуемого электрода включает в себя следующие технологические операции: предварительно подогретые до температуры 100...200°С металлизованные окатыши диаметром 12...15 мм, заливали порциями (размер порции составлял порядка 100...150 мм) одновременно с жидким металлом заданного химического состава при температуре 1600...1620°С в изложницу. Изложница собиралась из предварительно получаемых в огнеупорном цехе сифонных трубок заданного химического состава. В качестве основных компонентов для получения сифонных трубок использовался отработанный флюс марки АНФ-6, а также порошковые раскислители и мелко измельченные (фракции менее 5 мм) ферросплавы. После заливания каждой порции делалась небольшая технологическая выдержка в течение 1-2 минут и заливалась следующая порция.

В качестве жидкого металла для пропитки металлизованных окатышей использовались следующие марки стали: 07Х17Н6, ЭП56, 20Х23Н18, 40Х13.

Полученные расходуемые электроды подвергались электрошлаковому переплаву на установке А-550 в кристаллизатор диаметром 120 мм и высотой 500 мм под флюсом АНФ-6 в количестве 2,5 кг на плавку. С целью увеличения сплавляемой части к переплавляемым расходуемым электродам приваривались инвентарные головки. Разводку процесса осуществляли на токе 1,5 кА, при напряжении 48 В. Основной период плавки проходил на токе 2,5 кА и напряжении 48 В. Вывод усадки не производился. Процесс переплава протекал достаточно устойчиво, имело место вспенивание шлака. Значительные скачки тока отсутствовали. Пылевыделение при протекании процесса было незначительным. Исследование качества металла после электрошлакового переплава позволило констатировать наличие плотной бездефектной структуры, характерной для электрошлакового металла при достаточно хорошей поверхности слитка.

В настоящее время на металлургических заводах применяют три способа производства электродов для ЭШП: прокатку на крупносортных станах, литье в изложницы и ковку на молотах.

Сравнение себестоимости существующих способов производства расходуемых электродов, проведенного по наиболее представительным в сортаменте ЭШП маркам сталей: ШХ15, 38ХМЮФА, 40ХНМА, проводили в условиях завода, имеющего наибольшие мощности по производству катаных и литых электродов.

Удельный расход металла при изготовлении электродов, приведенный в таблице 1, показывает, что наименьший расход металла наблюдается при производстве литых электродов.

Таблица 1. Расходные коэффициенты металла при производстве расходуемых электродов
Вид электродов	Марка стали
ШХ15	38ХМЮА	40ХНМА
Катаные	1,260	1,250	1,252
Кованые	1,239	1,229	1,231
Литье в изложницы (предлагаемый способ)	1,096	1,087	1,089

Все расчеты осуществлены на тонну сплавляемой части электрода применительно к переплаву в кристаллизаторах сечением 390х425 мм (слиток 2,4 т). Поскольку в ЭСПЦ единая калькуляция на слитки составляется независимо от способа их разбивки, по выбранной методике вначале рассчитывали раздельно себестоимость жидкой стали и слитков из изложниц. Далее уже определяли себестоимость готовых электродов. При этом количество отходов металла при прокатке и ковке электродов принимали по установленным нормативам.

Если литье в изложницы позволяет получать почти готовый электрод (необходимо лишь удалить дефектную часть), то два других метода требуют дополнительных трудоемких переделов в прокатных или кузнечных цехах.

В таблице 2 представлена средняя себестоимость расходуемых электродов для ЭШП, взятая в процентах. За базовую себестоимость выбрана себестоимость катаных электродов.

Таблица 2. Себестоимость расходуемых электродов некоторых марок сталей, %
Вид электродов	Марка стали
ШХ15	38ХМЮА	40ХНМА
Катаные	100,00	100,00	100,00
Кованые	114,60	109,60	108,18
Литье в изложницы (предлагаемый способ)	82,39	84,18	84,94

Как следует, из таблицы 2 литые электроды имеют наименьшую себестоимость. Причем для относительно дешевых марок наименьшие текущие затраты, несмотря на сравнительно больший расход металла, обеспечивает разливка электродов в специальные изложницы. Это связано с более низкими расходами по переделу.

Наибольшую себестоимость имеют кованые электроды, что объясняется самыми высокими по сравнению с другими методами расходами по переделу в кузнечных цехах.

В результате, поставленная выше задача достигается. Используя предлагаемый способ литья электродов, значительно снижается их себестоимость, при удовлетворении качества поверхности электрода требованиям ГОСТа.

Промышленная применимость.

Предлагаемый способ может быть использован в единичном и массовом производстве, при изготовлении расходуемых электродов для электрошлакового переплава.

1. Способ получения расходуемых электродов, включающий одновременную подачу жидкого металла и твердой металлической составляющей в виде металлизованных окатышей в изложницу, отличающийся тем, что осуществляют одновременную подачу жидкого металла и металлизованных окатышей, подогретых до 100...200°С, в соотношении (3,4...4,2):1, порциями с высотой каждого слоя 100-150 мм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве изложницы используют сифонные трубки, изготовленные с использованием отработанного флюса процесса электрошлакового переплава металлизованных окатышей (ЭШПМО).