ПОРТАЛЬНАЯ ПЕЧЬ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА ДЛЯ ВЫПЛАВКИ ДЛИННЫХ СЛИТКОВ

Полезная модель относится к области электрометаллургии, а именно к конструкциям печей электрошлакового переплава, и может быть использована для получения высококачественных стальных слитков сплошного и кольцевого сечения длиной до десяти метров.
Известны печи для электрошлакового переплава, состоящие из одной вертикальной колонны, по которой перемещаются каретки с консольно закрепленными переплавляемым электродом и кристаллизатором (патент RU №2247163 С2, фиг.1-3, МПК С22В 9/187, В23К 25/00, опубл. 20.08.2003 г., а.с. SU №669752 А1, фиг.1, МПК С22В 9/187, опубл. 23.11.1991 г.; а.с. SU №340293 А, МПК С21С 5/56, опубл. 25.06.1980 г.).
Однако известные печи используются только для выплавки слитков небольшой длины. Использование печей таких конструкций для выплавки длинных слитков требует от колонны, кареток кристаллизатора и переплавляемого электрода, а также механизмов их перемещения большой жесткости, что значительно увеличивает их габариты, материалоемкость и мощность приводов. Жесткость необходима потому, что по мере снижения массы переплавляемого электрода в процессе плавки, изменяется нагрузка, действующая на каретку переплавляемого электрода и создающая изгибающий момент на колонне. Кроме того, при перемещении кареток вдоль колонны изменяются точки приложения нагрузок. При использовании известных печей консольной конструкции для выплавки слитка длиной 10 метров, рабочая высота колонны должна быть 19 метров, т.к. в процессе плавки каретки перемещаются по ней на 8 метров, в результате чего ось переплавляемого электрода смещалась бы относительно осей слитка и кристаллизатора на величины, многократно превышающие технологические зазоры между переплавляемым электродом и кристаллизатором, что привело бы к короткому замыканию между ними. Расширение технологического зазора для сплошного слитка за счет уменьшения сечения электродов, приводит к резкому увеличению их длины и уменьшению переплавляемой массы - то есть уменьшению длины выплавляемого слитка. При выплавке полых тонкостенных слитков, для которых переплавляемый электрод изготавливается из большого количества параллельных тонких стержней, размеры сечений которых сравнимы с возможным смещением оси электрода, использование печи такой конструкции не возможно в принципе.
Известны решения для центровки кристаллизатора по оси переплавляемого электрода, содержащие вертикально перемещаемую каретку с кристаллизатором, переплавляемые электроды, закрепленные на горизонтальной траверсе, установленный на плите поддон (а.с. SU №369804 А, МПК С21С 5/56, опубл. 05.06.1980 г.; а.с. SU №449593 А, МПК С21С 5/56, F27D 5/00, опубл. 30.05.1980 г.).
Однако они применимы только для центровки кристаллизатора при подготовке печи к плавке, поскольку экономически целесообразные промышленные методы контроля зазоров между переплавляемыми электродами и кристаллизатором в процессе плавки, в высокотемпературной ванне, заполненной смесью твердых и расплавленных флюса и металла, отсутствуют.
Известна конструкция печи электрошлакового переплава, имеющая опорную металлоконструкцию в виде П-образного портала, на котором установлены каретки, несущие кристаллизатор и электрододержатели, размещенные на горизонтальной балке для нескольких электродов (а.с SU №554689 А, МПК С21С 5/56, опубл. 30.05.1982 г.).
Известна конструкция печи электрошлакового переплава, содержащая опорную металлоконструкцию в виде П-образного портала в виде механизма подачи электродов, на каждой стойке портала установлены по одному электрододержателю на консолях и кристаллизатор из двух взаимосвязанных частей, установленные с возможностью их синхронного перемещения в вертикальном и горизонтальном направлении (а.с. SU №1838438 A3, МПК С22В 9/187, опубл. 30.08.1993 г.).
Известна печь для электрошлакового переплава, содержащая для придания печи устойчивости при ее перемещении опорную металлоконструкцию в виде П-образного портала, на горизонтальных балках которых расположены подвижные электрододержатели, а на вертикальных стойках установлены подвижные и неподвижные кристаллизаторы (а.с. SU №442705 А, МПК С21С 5/56, опубл. 15.01.83 г.).
Известна печь для электрошлакового переплава, содержащая для придания печи устойчивости при ее перемещении опорную металлоконструкцию в виде П-образного портала, на горизонтальных балках которых расположены каретки горизонтального перемещения электродов, на вертикальных колоннах размещены каретки вертикального перемещения электрододержателей с расходуемыми электродами и каретки вертикального перемещения кристаллизаторов (а.с. SU №618962 А, МПК С21С 5/56, опубл. 30.12.1981 г.).
Однако вышеуказанные конструкции используются только для выплавки слитков небольшой длины. Переплавляемые электроды расположены на подвижных каретках консольно к металлоконструкциям печей. По мере переплава электродов в слиток, также как и в одноколонных конструкциях, будут изменяться нагрузки, создающие изгибающие моменты в опорных колоннах, и крутящие моменты в горизонтальных балках. Соответственно, будет изменяться пространственное положение оси переплавляемого электрода по отношению к осям кристаллизатора и слитка.
Наиболее близким по конструктивному исполнению является печь для электрошлакового переплава, содержащая опорную металлоконструкцию в виде П-образного портала, на неподвижной горизонтальной балке которого размещены электрододержатели с переплавляемыми электродами, на вертикальных стойках установлены подвижно каретка кристаллизатора и поддон, (а.с. SU №546179 А1, МПК С22В 9/18, опубл. 30.10.1986 г.).
Однако в известной конструкции переплавляемые электроды закреплены неподвижно на горизонтальной балке портала и количество электродов больше одного, в результате чего невозможно обеспечить расположение осей электродов, кристаллизатора, слитка и поддона на линии пересечения плоскостей симметрии портала печи, что может привести к изменению точки приложения нагрузок по мере перемещения кристаллизатора при выплавке длинных слитков - то есть изменению изгибающего момента на колоннах. Для исключения влияния изменения изгибающего момента на положение кристаллизатора, необходимо усиление конструкции печи, что приведет к увеличению материалоемкости печи и мощности привода кристаллизатора.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в создании печи электрошлакового переплава для выплавки длинных слитков такой конструкции, чтобы любое изменение массы переплавляемого электрода и расположения кареток, не приводило к перемещению оси переплавляемого электрода по отношению к осям кристаллизатора и слитка. Этот результат должен быть получен при минимальной материалоемкости конструкции и мощности приводов кареток.
Поставленная задача достигается тем, что портальная печь электрошлакового переплава для выплавки длинных слитков, содержащая неподвижно закрепленные на опорах вертикальные колонны, соединенные горизонтальной траверсой, каретку с кристаллизатором, подвижно установленную на колоннах, переплавляемый электрод, поддон, согласно полезной модели, переплавляемый электрод размещен на каретке, подвижно установленной на колоннах, при этом переплавляемый электрод, кристаллизатор и поддон установлены симметрично относительно оси, совпадающей с линией пересечения плоскостей симметрии портала печи, на наружной и внутренней стороны колонн размещены рельсы для перемещения по ним кареток кристаллизатора и переплавляемого электрода, а на наружной стороне колонн между рельсами установлены зубчатые рейки, находящиеся в зацеплении с приводами кареток для обеспечения их вертикального перемещения вдоль колонн, при этом каретки кристаллизатора и переплавляемого электрода снабжены противовесами, которые выполнены с возможностью обеспечения передачи симметричных нагрузок от упомянутых кареток внутрь сечения колонн и на портал печи.
Размещение переплавляемого электрода на каретке, подвижно установленной одновременно на двух колоннах, позволяет постоянно совмещать ось переплавляемого электрода, независимо от изменения его массы в процессе плавки с осью кристаллизатора, слитка и поддона, совпадающей с линией пересечения плоскостей симметрии портала печи, что обеспечивает качественную выплавку длинных слитков разных сечений. Кроме того, обеспечивается жесткая фиксация колонн портала взаимно четырьмя элементами в виде каретки переплавляемого электрода, каретки кристаллизатора, неподвижных опор, горизонтальной траверсы.
При одноколонной конструкции печи, достичь этого технического результата можно только в случае, когда оси слитка, кристаллизатора и переплавляемого электрода будут совпадать с вертикальной осью колонны, что делает конструкцию печи крупногабаритной и тяжелой. При портальной конструкции с двумя опорными колоннами, достичь этого технического результата можно только в случае, если оси слитка, кристаллизатора и переплавляемого электрода будут находиться в месте пересечения плоскости, проходящей через оси колонн и перпендикулярной ей плоскости, находящейся на равном удалении от колонн. Условно можно считать это место осью симметрии металлоконструкции портала. Это и было реализовано в предлагаемой полезной модели.
Установленные с наружной и внутренней стороны колон рельсы обеспечивают перемещение по ним кареток переплавляемого электрода и кристаллизатора, позволяют жестко фиксировать взаимное расположение колонн в месте приложения к ним нагрузки при перемещении кареток и предотвратить смещение кареток относительно плоскости симметрии портала д-д.
Установленные на наружных поверхностях колонн зубчатые рейки, в зацепление с которыми входят зубчатые колеса приводов кареток переплавляемого электрода и кристаллизатора, обеспечивают вертикальное перемещение кареток вдоль колон. Зубчатые рейки, а, следовательно, и нагрузки, создаваемые в зубчатых зацеплениях при работе приводов, смещены внутрь сечения колонн, и параллельны их вертикальным осям, что исключает их влияние на изгиб колонн и смещение оси переплавляемого электрода по отношению к осям кристаллизатора и слитка в процессе его выплавки. Этот результат получен при минимальной материалоемкости конструкции и мощности приводов кареток.
Снабжение кареток кристаллизатора и переплавляемого электрода системой противовесов обеспечивает возможность передачи симметричных нагрузок от упомянутых кареток внутрь сечения колонн-и на портал печи, что приводит к снижению воздействия на привод массы кареток, и установленного на ней технологического оборудования с целью минимизации мощности приводов, и обеспечивает перенос нагрузки от этой массы внутрь сечения колонн, что исключает необходимость увеличения массы конструкции и мощности приводов кареток.
Прилагаемые чертежи поясняют суть полезной модели. На фиг.1 изображена портальная печь, фронтальный вид;
на фиг.2 - вид А на фиг.1, показано положение зубчатого колеса привода каретки переплавляемого электрода; показаны расположенные симметрично относительно плоскостей портала д-д и е-е система противовесов каретки переплавляемого электрода, состоящая из четырех тросов, восьми колесных блоков и четырех грузов; система противовесов каретки кристаллизатора, состоящая из двух тросов, четырех колесных блоков и двух грузов; положение переплавляемого электрода на каретке переплавляемого электрода;
на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1, показано положение зубчатого колеса привода каретки кристаллизатора, показаны расположенные симметрично относительно плоскостей портала д-д и е-е кристаллизатор и переплавляемый электрод;
на фиг.4 - сечение В-В на фиг.1 показаны расположенные симметрично относительно плоскостей портала д-д и е-е поддон, слиток, колонны и опоры;
на фиг.5 - выносной элемент Г на фиг.3 показана конструкция одной симметричной колонны, расположение в ней противовесов и зубчатой рейки, рельсов, гладких и двухребордных роликов каретки кристаллизатора.
Портальная печь состоит из двух вертикальных колонн 1, на которых расположены подвижно каретка 2 с переплавляемым электродом 3 и каретка 4 с кристаллизатором 5 (фиг.1). Колонны 1 внизу закреплены на неподвижных опорах 6, а вверху соединены траверсой 7. Таким образом, колонны 1 портала жестко взаимно зафиксированы четырьмя элементами: неподвижными опорами 6, горизонтальной траверсой 7, кареткой 2 переплавляемого электрода 3 и кареткой 4 кристаллизатора 5. Сечение колонны 1 - неравнопо-лочный двутавр, со стенкой, укрепленной ребрами жесткости, развернутый полками большей длины к центру печи. На наружной и внутренней поверхности вдоль колонн 1 расположено по два рельса 8 (всего восемь рельсов), по которым вдоль колонн 1 катятся ролики каретки 2 переплавляемого электрода 3 и каретки 4 кристаллизатора 5 (фиг.5). Каждая каретка 2 и 4 имеет восемь двухребордных роликов 9 и восемь гладких роликов 10 - по два на рельс 8, что позволяет использовать ее как кондуктор, жестко фиксирующий взаимное расположение колонн 1 в месте приложения к ним нагрузки. Двухребордные ролики 9 расположены в одной плоскости и предотвращают смещение кареток 2 и 4 относительно плоскости симметрии портала д-д. На наружных поверхностях колонн 1 установлены также зубчатые рейки 11, в зацепление с которыми входит зубчатое колесо 12 привода каретки 2 переплавляемого электрода 3 (фиг.2), и зубчатое колесо 13 привода каретки 4 кристаллизатора 5 (фиг.3), обеспечивая вертикальное перемещение кареток 2 и 4 вдоль колон 1. Зубчатые рейки 11, а, следовательно, и нагрузки, создаваемые в зубчатых зацеплениях при работе приводов, смещены внутрь сечения колонн 1, и параллельны их вертикальным осям, что исключает их влияние на изгиб колонн 1. Каждая каретка 2 и 4 снабжена системой противовесов, во-первых, снижающих воздействие на привод массы кареток 2 и 4, и установленного на ней технологического оборудования с целью минимизации мощности приводов, и, во-вторых, переносящих нагрузку от этой массы внутрь сечения колонн 1. Нагрузки, создаваемые системами противовесов, параллельны вертикальным осям колонн 1.
Система противовесов каретки 2 переплавляемого электрода 3 состоит из четырех тросов 14 (фиг.2), восьми колесных блоков, установленных на траверсе 7 и четырех грузов 15 (фиг.3). Все перечисленные элементы расположены симметрично относительно плоскостей портала е-е и д-д (фиг.2). Тросы 14 закреплены на каретке 2 максимально близко к колоннам 1, исходя из ее конструктивных особенностей. Вторые концы тросов 14 закреплены на противовесах, центры тяжести которых находятся на поперечных плоскостях симметрии колонн 1. Массы противовесов, рассчитаны так, чтобы кроме разгрузки привода каретки 2, обеспечить одно из условий безопасной эксплуатации печи: при отказе привода каретки 2 переплавляемого электрода 3, исключается возможность ее движения от действия силы тяжести в направлении каретки 4 кристаллизатора 5, независимо от остаточной массы переплавляемого электрода 3.
Система противовесов каретки 4 кристаллизатора 5 состоит из двух тросов 16 (фиг.2), четырех колесных блоков, установленных на траверсе 7 и двух грузов 17 (фиг.3). Все перечисленные элементы расположены симметрично относительно плоскости портала е-е и лежат в плоскости д-д (фиг.2). Конструктивные особенности каретки 4 позволили закрепить тросы 16 на ней еще ближе к колоннам 1, чем тросы каретки 2 переплавляемого электрода 3. Вторые концы тросов 16 закреплены на противовесах, центры тяжести которых лежат в плоскости д-д и смещены от поперечных плоскостей симметрии колонн для уравновешивания нагрузок, создаваемых зубчатыми зацеплениями приводов кареток. Массы противовесов, рассчитаны так, чтобы кроме разгрузки привода каретки 4, обеспечить еще одно из условий безопасной эксплуатации печи: при отказе привода каретки 4 кристаллизатора 5, она не должна перемещаться от действия силы тяжести в направлении к слитку 18 (фиг.1).
Последним шагом в обеспечении симметричности нагрузок, действующих на портал, стало размещение всех элементов, непосредственно участвующих в процессе плавки - переплавляемого электрода 3, кристаллизатора 5, слитка 18 и поддона 19, установленного на тележку, перемещающуюся по рельсовому пути, - на линии пересечения плоскостей портала печи д-д и е-е (фиг.1-4).
Описанные выше решения позволили создать конструкцию портала печи, колонны 1 которого постоянно жестко взаимно зафиксированы четырьмя элементами: опорами 6, траверсой 7, кареткой 2 переплавляемого электрода 3 и кареткой 4 кристаллизатора 5. Все нагрузки, действующие на портал, симметричны и параллельны вертикальным осям колонн 1, находятся внутри сечений колонн 1, кроме нагрузок, передаваемых тросами 14 и 16 через колесные блоки на жесткую траверсу 7, а через нее на полки колонн 1. Таким образом, силы, которые могли бы смещать ось переплавляемого электрода 6, при изменении его массы в процессе плавки, относительно осей кристаллизатора 5, слитка 18 и поддона 19, отсутствуют, что обеспечивает достижение требуемого технического результата. При этом опоры 6 и колонны 1, составляющие основную массу металлоконструкции печи, работают только на сжатие, что обеспечивается при наименьших сечениях конструктивных элементов, в результате чего выполняется требование минимальной материалоемко-сти конструкции печи. Системы противовесов обеспечивают максимально возможные, с учетом условий безопасности эксплуатации печи, мощности приводов кареток 2 и 4 - это требование также выполнено.
Выплавка слитка 18 на печи производится в следующем порядке. Регулировочными элементами тележки, закрепленный на ней поддон 19 устанавливают на оси симметрии печи. На поддон 19 устанавливают кристаллизатор 5, и в этом положении фиксируют его на каретке 4. Перемещение каретки 4 кристаллизатора 5 осуществляют посредством привода, обеспечивающего прокатывание зубчатого колеса 13 по зубчатой рейке 11, и роликов 9, 10, которые катятся по рельсам 8, закрепленным на внутренних и наружных поверхностях колон 1. Переплавляемый электрод 3 устанавливают в каретке 2, его положение на оси симметрии печи обеспечивает конструкция каретки 2. Каретку 2 переплавляемого электрода 3 опускают приводом в кристаллизатор 5 до обеспечения зазора 20 - 30 мм между верхней плоскостью поддона 19 и нижней плоскостью переплавляемого электрода 3. Перемещение каретки 2 осуществляют посредством привода, обеспечивающего прокатывание зубчатого колеса 12 по зубчатой рейке 11, и роликов 9, 10, которые катятся по рельсам 8, закрепленным на внутренних и наружных поверхностях колон 1. В кристаллизатор 5 заливают расчетное количество расплавленного флюса. Включив электрический ток, получают между переплавляемым электродом 3 и поддоном 19 электрическую дугу. Поскольку поддон 19 и кристаллизатор 5 охлаждают, а переплавляемый электрод 3 - нет, происходит расплавление нижней плоскости переплавляемого электрода 3 во флюсовой ванне. Жидкий металл, с плотностью большей, чем плотность флюса, оседает и кристаллизуется на охлаждаемых поверхностях поддона 19 и кристаллизатора 5 - начинается формирование слитка. Зона жидкого металла поднимается в кристаллизаторе 5, выходя в его рабочую зону. Перемещая вверх приводом каретку 2 переплавляемого электрода 3, поддерживают необходимый зазор между верхней поверхностью металлической ванны и нижней поверхностью переплавляемого электрода 3, контрольным параметром которого является изменение силы тока, создающего дугу. Когда граница между твердым и жидким металлом поднимется выше установленного в кристаллизаторе 5 датчика уровня границы сред, он дает сигнал на подъем каретки 4 кристаллизатора 5. После подъема датчика вместе с кристаллизатором 5 в зону границы между расплавленным металлом и флюсом, датчик остановит подъем каретки 4 кристаллизатора 5. Дальнейшую плавку слитка 18 ведут, поддерживая эти два параметра - силу тока дуги на переплавляемом электроде 3 и положение границы сред в кристаллизаторе 5, постоянно добавляя в кристаллизатор 5 дозированное количество твердого флюса, который оплавляется за счет теплоты электрической дуги. По достижении требуемой длины и сечения слитка 18 заканчивают плавку, выключив электрический ток дуги, выведя подъемом каретки 2 переплавляемого электрода 3 огарок переплавляемого электрода 3 из кристаллизатора 5 и поднимая кристаллизатор 5 до верхней кромки слитка, по мере его кристаллизации.
Таким образом, предлагаемая конструкция печи позволяет обеспечить выплавку длинных слитков сплошного или кольцевого сечения длиной до десяти метров и при этом не требуется увеличение габаритов и материалоемкости печи, а также мощности приводов.