книги из ГПНТБ / Строганов, А. И. Производство стали и ферросплавов учебник для металлургических техникумов

5)автоматическое изменение установки регулятора для компен­ сации изменения сопротивления электрода по мере его оплавления;

6)немедленное опускание электрода при появлении паразитного разряда или при переброске дуги на стенку кристаллизатора;

7)работоспособность системы вне зависимости от величины по­ следовательного токоограничивающего сопротивления в силовой цепи;

8)автоматический переход на режим выведения лунки и отклю­

чения печи после его окончания;

9)автоматическое возвращение системы в исходное состояние после окончания рабочего цикла;

10)возможность совмещения регулятора с устройством програм­ много управления режимом печи;

11)простота перехода на слитки различных размеров и стали раз­

личных марок.

В системе управления ВДП должны быть стабилизаторы скорости плавления электрода, длины дугового промежутка и продольного магнитного поля. Однако в настоящее время отсутствуют датчики для непрерывного измерения .этих параметров. Поэтому параметры плавки задаются программой. Стабилизатор скорости плавления обычно обеспечивает программное управление этим параметром по массе электрода в пределах 1 %, воздействуя на величину подво­ димого тока. Длина дугового промежутка поддерживается с точ­ ностью ± 2 мм. В целом в настоящее время нельзя считать задачу автоматического регулирования работой дуговых вакуумных печей решенной. На заводах непрерывно проводятся поиски более совер­ шенных систем регулирования.

3. ПЛАЗМЕННО-ДУГОВЫЕ ПЕЧИ

Плазмотроны. Температура в электрической дуге тем выше, чем больше плотность тока в ней и меньше потерь на излучение. Однако в обычной дуге с увеличением подводимой мощности тока к электро­ дам одновременно возрастает сечение дуги, сопротивление умень­ шается, а плотность тока стремится остаться постоянной. Стабилиза­ ция дуги при увеличенной мощности в плазмотронах может быть достигнута, в частности, газовым слоем и охлаждаемыми экранами (стенками).

Существуют два типа плазмотронов — с независимой и зависимой дугой, схематично изображенные на рис. 46. В обоих типах плазмо­ тронов электрод (обычно вольфрамовый), закрепленный в электрододержателе, помещается в корпус. Разность потенциала от источ­ ника постоянного тока накладывается между электродом (катодом) и корпусом, который одновременно является анодом. Корпус и электрододержатель изолированы один от другого и оборудованы систе­ мой охлаждения. Плазмообразующий газ (аргон, гелий, водород и т. д.) подается между электродом и корпусом, а плазма выдувается через сопло. В плазмотроне с зависимой дугой напряжение подается также к нагреваемому материалу. Благодаря наличию промежуточ­ ного сопротивления параметры плазмы в основном определяются

111

разностью потенциалов между электродом и нагреваемым материалом (анодом). В плазмотронах с зависимой дугой большое количество энергии передается нагреваемому материалу.

В связи со стабилизацией дуги холодным газом в ней повышается плотность тока и температура возрастает до 5000—20 000° С.

Плазменно-дуговые печи. Печи, оборудованные плазмотронами, могут быть с водоохлаждаемыми металлическими кристаллизато-

в институте электросварки им. Е. О. Патона конструкция плазменно­ дуговой печи схематично представлена на рис. 47. Переплавляемый электрод размещается вертикально над водоохлаждаемым кристал­ лизатором, в который и наплавляется слиток. Два или несколько плазмотронов устанавливают вокруг кристаллизатора под углом к нему.

Ниже приведены характеристики некоторых из отечественных печей с водоохлаждаемым кристаллизатором;

112

Большинство плазменных печей с керамическим тиглем построены базе обычных сталеплавильных печей, в которых электроды за-

менены плазмотронами.

В печах с керамическим тиглем используют плазмотроны с за­ висимой дугой. С этой целью в подине устанавливают водоохлаждае­ мые электроды по числу плазмо­ тронов.

На действующих зарубежных плазменно-дуговых печах отноше­ ние диаметра распада плазмотро­ нов к диаметру плавильного про­ странства лежит в пределах 0,38— 0,50, а высота боковой стенки от уровня зеркала ванны до пят свода составляет 0,5—1,0 от диа­ метра плавильного пространства.

Перспективной может быть плазменная печь на переменном трехфазном токе. В этом случае плазмотрон оборудуют вспомога­

Внашей стране намечено осваивать плазменно-дуговые печи с ке­ рамическим тиглем емкостью до 25 т.

Вплазменно-дуговых печах как с водоохлаждаемым электродом, так и с керамическим тиглем, напряжение между электродами в плаз­ мотроне может быть выше напряжения дуг в обычных дуговых элек­ тропечах, а рабочие токи соответственно меньше, что имеет определен­ ные преимущества при конструировании электрического оборудова­ ния и при эксплуатации. В рассматриваемых печах отсутствуют ограничения по плотности тока в электродах, и электроды практи­ чески не загрязняют металл. При герметизации печи и использова­

нии атмосферы из аргона можно получать сталь высокого качества.

4. ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫЕ ПЕЧИ

Схема электронной пушки. Принцип работы электроннолучевой печи сотоит в том, что пучок электронов большой мощности бомбар­ дирует исходную металлическую шихту, металл расплавляется и

заполняет медный водоохлаждаемый кристаллизатор. Электронно­ лучевая печь оборудована электронной пушкой.

На рис. 48 представлена схема аксиальной электроннолучевой пушки. Основной массивный вольфрамовый катод, выполненный в виде диска, нагревается за счет бомбардировки электронами от вспомогательного катода, для чего между основным и вспомога­ тельным катодом создается раз­ ность потенциалов. Токоподвод к катодам проходит через изо­ лятор. Разность потенциалов (ускоряющее напряжение) на-

!

г

печивает направленное движение электронов, вырывающихся из основного катода вследствие термоэмиссии. После выхода из анода электронный пучок расширяется; для его фокусировки применяют магнитные линзы, представляющие собой катушки, по которым пропускают ток. Катушки создают неоднородное магнит­ ное поле, в котором и фокусируются электроны, движущиеся по различным траекториям. Луч проходит по длинной направляющей трубке-лучепроводу, при помощи которого пространство образова­ ния пучка отделяется от плавильной камеры. Для равномерного расплавления шихты электронный пучок перемещается по поверх­ ности шихты либо по кругу в случае выплавки слитков небольшого диаметра, либо по сложной траектории, например спирали Архи­ меда, при переплаве крупных слитков.

114

При электроннолучевом переплаве важно правильно выбрать диаметр пятна электронов, которые падают на расплавляемый ме­ талл. При слишком сильно сфокусированном пятне можно просвер­ лить заготовку в результате испарения, не расплавив ее; в этом слу­ чае возрастают потери с испарением. Оптимальный диаметр пятна, например при кристаллизаторе 800 мм, составляет 180 мм.

Конструкция электроннолучевой печи. Электроннолучевая печь оборудуется одной или несколькими электронными пушками. На рис. 49 представлена схема электроннолучевой печи с боковой по­ дачей проплавляемой заготовки. Электронный пучок от пушки фо­ кусируется на заготовку. Расплавляемый металл стекает в кристал­ лизатор, где и наплавляется слиток. По мере наплавки слитка он вытягивается вниз. Плавку обычно ведут при остаточном давлении

1,3 -10- 2-4-1,3 10“3 Н/м2 (10~4—КГ5 мм рт. ст.). Для создания ва­ куума к камере печи присоединяется вакуумная система.

Электроннолучевая установка ЭМО-1700, работающая в ГДР, имеет электронную пушку мощностью 1700 кВА и предназначена для выплавки слитков массой 11 т. Заготовки подают через два боко­ вых шлюза. Электронный пучок имеет запрограммированное откло­ нение по синусоидальной кривой на поверхности жидкой ванны. Общая высота печи 17,5 м. Слиток, вытягиваемый из кристаллиза­ тора, имеет длину 3 м. Разгоняющее напряжение в пушке равно 30 кВ при силе тока 60 А. Диаметр пятна равен 70—400 мм. Расход электроэнергии составляет около 900 кВт ч на 1 т переплавленного металла. Годовая производительность печи составляет 3000—4000 т.

При наличии в электроннолучевой печи двух электронных пушек одна из них расплавляет заготовку, вторая нагревает металл в кри­ сталлизаторе.

Преимущества и недостатки электроннолучевых установок. Основ­ ные технологические преимущества электроннолучевого переплава перед вакуумным дуговым следующие:

1)возможность более широкого регулирования температуры на­ плавляемого металла в кристаллизаторе, а следовательно, и воз­ можность регулируемого пребывания металла в жидком состоянии

вшироких пределах;

2)возможность создания более глубокого вакуума 1,3 -10~3 Н/м2 (10“5 мм рт. ст.) и выше в связи с отсутствием дуги.

Однако при электроннолучевом переплаве расход электроэнергии

в1,5—2 раза выше, чем при вакуумно-дуговом переплаве, кроме того

всвязи с глубоким вакуумом и высокой температурой в пятне на­ блюдается большое испарение металла и особенно примесей с высо­ кой упругостью пара, например марганца и хрома. Наконец, в экс­ плуатации электроннолучевые печи сложнее, чем вакуумно-дуговые.

Учитывая преимущества и недостатки электроннолучевых печей, их выбор должен быть хорошо экономически обоснован с учетом прежде всего требований, предъявляемых к качеству металла и возможности их выполнения при электроннолучевом и вакуумно­ дуговом переплавах.

Ч А С Т Ь В Т О Р А Я

ОСНОВЫ ТЕОРИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ГЛАВА X

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ о с н о в ы МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

1. ЭНТАЛЬПИЯ И ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ РЕАКЦИИ

Для удобства и простоты рассмотрения химических реакций, на­ пример реакций восстановления металла из окисла

MeО + В = ВО + Me,

где MeО — окисел металла Ме\ ВО — окисел восстановителя В. Исходные и конечные вещества этих реакций мы мысленно изо­

лируем от окружающей среды в некоторую самостоятельную систему. Поскольку нас прежде всего интересуют энергетические эффекты, которыми сопровождаются химические реакции, то подобная система является термодинамической.

Общая энергия термодинамической системы Я, называемая эн­ тальпией, равна сумме внутренней энергии (U) и энергии, необ­

Абсолютную величину внутренней энергии системы в настоящее время определить не представляется возможным. Однако при изуче­ нии химических процессов достаточно знать изменение внутренней и общей энергии.

Химические реакции в металлургических агрегатах проходят, как правило, при постоянном давлении. Тогда изменение энтальпии в системе при протекании в ней химической реакции окажется рав­ ным

АЯ = # 2 — Н г = U2 — U1 Jr p (V2 — = AU + р AV,

(Х-2)

где индексы 1 и 2 относятся соответственно к начальному (до реакции) - и конечному (после реакции) состоянию системы.

Величина ДЯ количественно характеризует изменение энерге­ тического состояния системы и может быть как положительной, когда к системе для протекания химического процесса подводится

116

энергия (в металлургических агрегатах, как правило, в виде тепла), так и отрицательной, когда тепло выделяется в самой системе.

В термохимии, одном из разделов химии, энергетические эффекты реакций оцениваются тепловым эффектом Q, численно равным из­ менению энтальпии, но с противоположным знаком:

Поэтому тепловой эффект реакции, идущей с выделением тепла, является положительным, с поглощением тепла — отрицательным. В дабл. 9 приведены значения тепловых эффектов некоторых реак­ ций при температуре, равной 25°С (298 К) и давлении 1,01-105 Н/м2 (1 ат). Значения АН и Q при этих условиях называются стандартными.

При определении теплового эффекта сложных реакций исполь­ зуют закон Гесса, выведенного им опытным путем: тепловой эффект химической реакции не зависит от пути процесса, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы.

2. ИЗМЕНЕНИЕ ИЗОБАРНО-ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА

Изменение энтальпии или противоположного по знаку тепло­ вого эффекта реакции позволяет составить энергетические балансы химических процессов. Однако в этом случае не предоставляется возможности оценить направление, в котором могут идти химические реакции.

Металлургические процессы в большинстве случаев протекают при определенной температуре и постоянном давлении и могут рассматриваться поэтому как изобарно-изотермические. Для оценки направления изобарно-изотермических процессов используют изме­ нение изобарно-изотермического потенциала, равного изменению энтальпии за вычетом Т AS:

Т — абсолютная температура, К.

Индексы 1 и 2 относятся соответственно к начальному и конеч­ ному состоянию системы.

Энтропия характеризует рассеяние, обесценивание энергии, заключающееся в переходе всех видов энергии в тепловую и рав­ номерном распределении ее между всеми веществами системы.

Изменение изобарно-изотермического потенциала при реакции

цах. Например, необходимо найти значение AZT реакции

С + С 02 = 2СО.

Изменение изобарно-изотермического потенциала обозначают также буквами AG.

117

Изменение энтальпии и энтропии реакции будет равно разности между значениями этих величин для конечных и начальных про­ дуктов реакции:

Д# 2 9 8 = 2Д#со — АНс — Д#со2== 394 100 — 2-110 600 = = 172900 Дж/моль (94052 — 2-26 400 = 41252 кал/моль);

Д5298 = 25со - Sc — Sco2= 2 • 198,2 — 5,70 - 214,0 =

= 171,0 Дж/моль (2-47,30— 1,36 — 51,08 = 42,16 кал/моль).

Тогда

AZm = АНш — TASl98 = 172 900 — 171, ОТ Дж/моль =

= 172,9 —■0,1717’ кДж/моль (41252 — 42,16 7 кал/моль).

120