Энергетические особенности вакуумного дугового переплава

Энергетическая эффективность ВДП зависит от особенностей источника теплоты и технологии переплава. Как следует из предыдущих параграфов, для дугового разряда в вакууме характерны преимущественное падение напряжения в катодной зоне и малые значения градиента потенциала в столбе дуги. Теплота выделяется в основном на катоде и небольшая доля — излучением столба. Из особенностей технологии можно отметить переплав на прямой полярности короткой дугой (10—30 мм) при большом коэффициенте (0,7—0,85) заполнения кристаллизатора. Благодаря этому дуговой разряд локализуется в узком промежутка между оплавляющимся торцом электрода и поверхностью металлической ванны, площадь которой, не экранированная электродом, очень мала. Гарнисаж («корона»), образующийся на стенке кристаллизатора выше уровня расплава, уменьшает величину теплового потока к охлаждающей воде.

Перечисленные особенности способствуют эффективному использованию теплоты при ВДП (рис. 45). Затраты энергии на плавление и перегрев металла составляют более половины всей выделяемой в дуговом разряде теплоты. Потери теплопроводностью к охлаждаемому штоку электрододержателя, излучением нижней части электрода и незкранированной поверхности ванны, испарением металла составляют всего 20—40 % общих энергозатрат. Отметим, что ВДП — самый эффективный в энергетическом отношении способ переплава расходуемого электрода по сравнению с остальными процессами СЭМ.

В связи с преимущественным падением напряжения в катодной зоне увеличение мощности дуги усиливает тепловыделение в основном на электроде. Температура его торца стабилизирована образованием капать, поскольку расплавленный металл здесь удерживается только силами поверхностного натяжения. Несмотря на интенсивное тепловыделение в этой зоне, перегрев стали над температурой ликвидуса не превышает 20 К. Поэтому приращение мощности дуги приводит в основном к увеличению производительности переплава.

Однако для практических целей скорость плавления электрода связывают не с мощностью, а с током дуги:

Это объясняется тем, что в условиях ВДП дуга имеет слабо возрастающую вольт-амперную характеристику, а на величину мощности влияют значения тока и длины дуги.

Строго говоря, коэффициент плавления Kп не является константой даже для конкретного случая, поскольку возрастает с увеличением тока. Тем не менее результаты обработки многочисленных экспериментальных данных по ВДП различных металлов (от алюминия до вольфрама), сталей и сплавов показывают справедливость зависимости (3.8), т. е. наличие «жесткой» связи производительности и электрического режима процесса (рис. 46). Иногда эту зависимость уточняют:

где I0 — ток, при котором дуга существует, но электрод не плавится. Для различных условий переплава эта величина изменяется примерно от 0,5 до 2,5 кА.

Зная приведенную удельную скорость плавления, можно оценить удельные затраты электроэнергии при ВДП. При переплаве конструкционных сталей и жаропрочных сплавов в кристаллизаторах диаметром до 600 мм коэффициент плавления изменяется от 10,5 до 11,4 г/(кА*с). Полное напряжение дуги при ВДП сталей составляет 23—25 В. В соответствии с этими данными удельные затраты электроэнергии (величина, обратная коэффициенту плавления) изменяются от 0,56 до 0,66 (кВт*ч)/кг. Расчетный анализ распределения энергии дуги при ВДП в кристаллизатор диаметром 800 и 1350 мм дает несколько большие величины (750—850 (кВт*ч) /т), которые совпадают с данными Г.Н. Окорокова. Такие жe показатели (0,66—0,88 (кВт*ч)/кг) приведены для вакуумных дуговых печей с кристаллизатором диаметром от 300 до 850 мм. Эти данные подтверждают вывод о высокой энергетической эффективности ВДП, поскольку теоретически для плавления тонны стали требуется около 400 кВт*ч.

Примечательно, что приведенной на рис. 46 линейной зависимости соответствуют результаты как лабораторных опытов, так и переплава в промышленных условиях для широкого диапазона диаметра слитков (100—800 мм) и коэффициента заполнения кристаллизатора (0,5—0,9), причем опытные данные коррелируют с этим графиком даже при значительной его экстраполяции.

Производительность ВДП зависит не только от величины тока. При прочих неизменных параметрах она обратно пропорциональна значению коэффициента заполнения кристаллизатора, что обусловлено повышением утечки тока в охлаждаемую стенку или возникновением боковых паразитных дуг. Увеличение дугового промежутка сопровождается экстремальным (с максимумом) изменением скорости плавления. Исходя из этого при использовании кристаллизаторов диаметром до 800 мм коэффициент заполнения ограничивают величиной 0,8—0,85, а длину дуги поддерживают в пределах 12—20 мм.

Сведений об аналогичных оптимальных параметрах применительно к выплавке слитков большего диаметра в литературных источниках нет. По данным, максимальный диаметр электродов для кристаллизаторов диаметром 970 и 1520 мм составляет 870 и 1390 мм. Следовательпо, коэффициент заполнения равен соответственно 0,89 и 0,91. Отметим, однако, что коэффициент заполнения кристаллизатора и длина дуги выбираются не только из соображений максимальной энергетической эффективности процесса. При их оптимизации руководствуются металлургическими особенностями ВДП, а также возможностями АСУ.

На производительность ВДП влияют и другие факторы. Она уменьшается при ухудшении вакуума в печи, при повышенной газонасыщенности переплавляемого металла, а также при асимметрии магнитных полей в кристаллизаторе. Переплав на обратной полярности дуги приводит к уменьшению скорости плавления примерно в 1.3 раза с повышением тепловложения в кристаллизатор в зоне плотного контакта со слитком примерно на 20 %.

Температура жидкого металла — один из важных показателей любого металлургического процесса, по которому можно определить, в частности, его рафинирующие возможности. При ВДП металл находится в жидком состоянии на трех этапах: тонкой пленки на торце электрода, капли и ванны. Единого мнения о температуре металла на перечисленных этапах нет. Однако большинство исследователей считают, что в пленке и каплях она незначительно превышает температуру ликвидуса переплавляемого металла. Вероятно, при этом идет речь о среднемассовой температуре металла, поскольку температура поверхности пленки на электроде должна быть выше. Согласно, разница этих показателей при ВДП стального электрода составляет примерно 200 К.

В результате перераспределения энергии между катодом и анодом среднемассовая температура ванны при ВДП оказывается на 30—50 К выше температуры плавления металла. Благодаря тонким экспериментам удалось описать и распределение температуры по глубине ванны. На поверхности последней металл значительно (на 100—300 К) перегрет. Однако существенная доля сообщаемой металлу теплоты перегрева отбирается в зоне плотного контакта слитка с кристаллизатором, т. е. в верхней части ванны. Поэтому уже на глубине 40 мм независимо от величины тока перегрев металла не превышает 60 К, а с приближением к фронту затвердевания уменьшается до нескольких градусов. При интенсивном вращении ванны (электромагнитном перемешивании) ее температурное поле становится более однородным.

Как указывалось, глубина и форма металлической ванны при любом переплавном процессе СЭМ предопределяют физическую, структурную, химическую неоднородность слитка, влияют на процесс рафинирования металла. Поэтому исследователи уделяют большое внимание управлению этими показателями при переплаве.

Геометрия металлической ванны косвенно характеризует соотношение количества подводимой и отводимой от нее теплоты. Теплосодержание ванны увеличивается за счет поступления в нее теплоты капель и теплоты, выделяемой в анодной зоне дуги. He исключено, что анод нагревается и за счет остальных зон разряда, поскольку источник теплоты при ВДП причисляется к коротким дугам, характеризующимся взаимным влиянием электрических, а значит, и теплообменных процессов в катодной и анодной зонах. Отводится теплота от металлической ванны, как указывалось, излучением и испарением с ее поверхности, а также через подвижную фазовую границу (фронт затвердевания) теплопроводностью в твердый металл (слиток) и далее в кристаллизатор.

Тепло- и массообмен, происходящие на зеркале расплава, не могут служить регулятором теплоотвода, поскольку размеры неэкранированного электродом участка поверхности ванны постоянны, а ее температура изменяется мало. Поэтому основной путь уменьшения теплосодержания металлической ванны — увеличение площади фронта затвердевания.

В начале переплава тепловоспринимающая способность поддона очень высока. Металл в кристаллизаторе быстро затвердевает, и глубина металлической ванны мала. С учетом этого начальный период ВДП проводят при повышенном значении тока (см. рис. 44). Обычно такой форсированный режим удерживают до наполнения присталлизатора на высоту, примерно равную его радиусу, когда охлаждающее влияние поддона ослабевает. После этого величину тока уменьшают до номинальной.

Однако стабилизация скорости плавления электрода еще не означает постоянства геометрии металлической ванны. Если количество вводимой в нее теплоты велико, то площадь поверхности ванны будет увеличиваться до тех пор, пока не будет достигнуто квазистационар-нос состояние теплообмена. При неизменной площади зеркала расплава это может быть реализовано только увеличением площади фронта затвердевания, т. е. за счет изменения глубины и формы ванны. В противном случае (при малой производительности) глубина ванны будет уменьшаться.

Поскольку скорость плавления электрода тесно связана с электрическим режимом, глубину металлической ванны при ВДП аналитически выражают зависящей от величины тока. Существуют два типа таких зависимостей. Одни описывают изменение глубины ванны h'м ходе всего переплава:

где Kп — коэффициент, учитывающий размеры кристаллизатора и электрода, длину дуги, состав сплава; Hс — длина направленного слитка; V0 — скорость наплавления; А' — константа.

Для кристаллизаторов сравнительно небольшого диаметра такая зависимость иллюстрирует стабилизацию глубины ванны при наплавлении слитка высотой около 1,5Dк (рис. 47, а). Другие зависимости дают возможность рассчитать глубину ванны только для установившегося режима ВДП:

где K'п — постоянная величина, зависящая от свойств переплавляемого металла, размеров электрода и кристаллизатора (рис. 47, б). Однако необходимо отметить, что при получении слитков большого диаметра или при форсированной скорости переплава постоянство h'м может и не достигаться.

При малой производительности ВДП металлическая ванна представляет собой параболоид вращения, близкий по форме к шаровому сегменту (рис. 48). Повышение тока приводит к изменению профиля ванны, у которой появляются цилиндрическая и коническая части. Кроме того, в верхних горизонтах ванны выделяют еще одну зону, напоминающую по форме усеченный параболоид вращения. Изменение кривизны контура в этой части ванны объясняют резким ухудшением теплоотвода из-за усадки слитка и нарушения контакта его поверхности со стенкой кристаллизатора.

По мнению авторов данной монографии, такая конфигурация верхней части профиля ванны, характерная и для слитка ЭШП, объясняется не только своеобразием теплообмена слитка с кристаллизатором, по и условиями повышения теплосодержания расплава. Теплота поступает в металлическую ванну двумя путями. Основная доля ее приходится на теплосодержание капель (см. рис. 45). Скорость расплавления электрода является регулятором общей глубины ванны, высоты ее цилиндрической и формы донной части. Остальное количество теплоты поступает в расплав за счет обогрева его поверхности. Именно этим, а также гидродинамической обстановкой в верхних горизонтах ванны объясняется обратная кривизна ее профиля. Это предположение подтверждается тем фактом, что конфигурация верхней части профиля металлической ванны слабо зависит от глубины и формы остальной ее части (см. рис. 48).

Далее будет показано, что перегиб контура и чрезмерная высота цилиндрической части ванны свидетельствуют о возможности возникновения в слитке дефектов макроструктуры. Поэтому увеличение глубины металлической ванны при ВДП в большинстве случаев нежелательно.

Кроме величины тока на глубину металлической ванны влияют и другие параметры ВДП. Одни взаимосвязаны с глубиной ванны через их влияние на скорость плавления электрода, например, длина дуги, коэффициент заполнения кристаллизатора, глубина вакуума и т. д. Другие влияют на условия теплообмена расплава с кристаллизатором, например, интенсивное вращение жидкого металла улучшает отвод теплоты и усредняет температуру ванны, способствует уменьшению се глубины и изменению профиля (см. рис. 48). Вероятно, большое значение имеет также динамическое воздействие расплава на фронт кристаллизации, вызывающее появление многочисленных обломков кристаллов — центров зародышеобразования, следовательно, ускорение затвердевания. Это подтверждается фактом изменения структуры металла при включении соленоида: практически всегда рост столбчатых дендритов прекращается и появляются равноосные кристаллы. Однако следует помнить, что, наряду с позитивными последствиями применения электромагнитного поля при ВДП, в ряде случаев вращение расплава является причиной дефектов слитка.