Кристаллизатор для электрошлакового переплава
CRYSTALLIZER FOR ELECTROSLAG REMELTING

Настоящее изобретение относится к спецэлектрометаллургии, а именно к кристаллизаторам и оборудованию для электрошлакового переплава и выплавки слитков.
Известен Т-образный блочный кристаллизатор (RU 69867 U1, опубликовано 10.01.2008), состоящий из формирующий части и шлаковой части, при этом шлаковая часть, как наиболее термически-нагруженный элемент, выполнен с возможностью взаимной замены секций между собой в его составе, что позволяет продлить срок службы указанного изделия. Недостатком данной конструкции является выполнение формирующей части без возможности взаимной смены её элементов в составе кристаллизатора, при этом известно, что верхняя часть формирующего участка также как и шлаковая часть, постоянно во время плавки контактирует с расплавом шлака в схеме электрошлакового переплава с вытягиванием слитка, при этом, выходу из строя формирующей части или её элементов также способствует эрозия медной стенки части из-за электрических пробоев или контакта материала формирующей части с выплавляемым слитком, что приводит к необходимости замены всего формирующего участка или его части. Отдельные секции, в предлагаемой в качестве прототипа конструкции кристаллизатора, стягиваются между собой при помощи верней и нижней плиты и шпилек, но не предусматривают унификации элементов для сборки для различных диаметров кристаллизаторов.
Также известен кристаллизатор (RU 9843 U1, опубл. 16.05.1999) состоящий из водоохлаждаемых секций разного диаметра, включающий в себя расширенную и формирующую части, в котором секции соединены горизонтальной плитой, которая является переходной секцией между широкой и узкой частью кристаллизатора. В таком кристаллизаторе отдельные секции шлаковой части и формирующей части взаимозаменяемы между собой и максимально унифицированы, сборка секций между собой также осуществляется шпильками. Недостатком конструкции этого прототипа, по мнению авторов, является соединение широкой и узкой части кристаллизатора горизонтальной промежуточной плитой, что затрудняет сборку кристаллизатора из отдельных секций более сложной комплектации, к примеру, для получения слитков переменного сечения при выплавке в глухой кристаллизатор. Еще одним недостатком такого решения, в отличие от описанной выше конструкции и предлагаемого решения, является отсутствие опоры под формирующей узкой частью подвижного кристаллизатора. При взаимном перемещении слитка и кристаллизатора, в процессе электрошлакового переплава с вытягиванием слитка, на стяжные элементы, удерживающие секции формирующего участка, которые размещены непосредственно в теле секций, неизбежно действует тормозящая механическая нагрузка, при этом стяжные элементы расположены в непосредственной близости к шлаковому и металлическому расплаву - в мощном электромагнитном поле, что способствует их нагреву и тепловому расширению. Совокупность этих факторов может привести к удлинению стяжных шпилек кристаллизатора и смещению водоохлаждаемых секций друг относительного друга в процессе работы установки электрошлакового переплава. Водоохлаждение в секциях такого кристаллизатора выполнено в виде замкнутого ломанного в горизонтальной плоскости канала выполненного методом сверловки глухих отверстий в медной плите секции. Недостатком такого технического решения является неравномерное распределение температуры по диаметру кристаллизатора из-за разнотолщинности стенки кокиля - расстояние до канала водоохлаждения от расплава шлака имеет переменный характер из-за прямолинейности сверловки, что приводит к повышенным удельным расходам воды на охлаждение, при этом наличие каналов водоохлаждения, близко расположенных к расплаву шлака и металла внутри кристаллизатора, снижает общую жесткость конструкции и стойкость секции.
Как альтернативный вариант выполнения системы водоохлаждения - из существующего уровня техники известны кристаллизаторы, состоящие из медного кокиля, который снаружи охвачены рубашкой водоохлаждения (стальным кожухом). В зазоре между кокилем и кожухом протекает вода. Герметичность водяной полости достигается применением уплотнений в нижней и в верхней части кристаллизатора, либо отдельной секции в его составе, также получило распространение сварное соединение рубашки и кокиля. Недостатком таких конструкций является то, что во время электрошлакового переплава часто сгорают применяемые уплотнения, начинает течь вода, что приводит к остановке переплава, а применение жесткого сварного соединения кокиля и кожуха, вместо уплотнений, приводит к разрушению сварных швов вследствие теплового удлинения кристаллизатора, либо отдельной секции.
Все указанные аналоги характеризуются, как правило, большими расходами теплоносителя на систему водоохлаждения. Для съема мощности тепловых потерь часто требуются расход воды до 100 л/мин и более, что требует применения мощных насосных станций, повышения энергозатрат на обслуживание установки ЭШП. Еще одним важным параметром для получения максимально качественного слитка при электрошлаковом переплаве по схеме с вытягиванием слитка, является позиционирование кристаллизатора относительно переплавляемого электрода и формирование строго вертикальной оси получаемого слитка. Соосность системы кристаллизатор-электрод, на современных установках электрошлакового переплава, часто обеспечивается за счет перемещения электрододержателя, нередко с уже закрепленным электродом, что требует применения специализированных приводов с большим развиваемым усилием, а также влечет за собой значительное усложнение и удорожание конструкции печи.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение заключаются в реализации изделия отвечающего следующим современным эксплуатационным требованиям: увеличение срока службы кристаллизатора для электрошлакового переплава, снижение удельных энергозатрат на единицу получаемого изделия (слитка), повышение эксплуатационной надежности кристаллизатора, обеспечение максимального удобства обслуживания и ремонта составных частей кристаллизатора и унификация составных элементов, при повышении требований к безопасности эксплуатации установок электрошлакового переплава и снижении затрат на производство оборудования для переплава.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемой конструкции, кристаллизатор состоит из нескольких однотипных и взаимозаменяемых водоохлаждаемых секций, которые, в сборе между собой, помещены в несущую платформу, выполненную из немагнитных элементов и образующую пространственный каркас вокруг водоохлаждаемых секций. Платформа является основной, несущей конструкцией сборки для секций различного диаметра, при этом все секции устанавливаются непосредственно поверх платформы, благодаря чему платформа может служить конструкцией, которая обеспечивает поддержку сборки секций при перемещении вверх кристаллизатора относительно слитка в процессе электрошлакового переплава с вытягиванием слитка или при раздевании слитка при переплаве в кристаллизатор-изложницу. Наличие такой опоры затрудняет смещение секций, из которых состоит кристаллизатор друг относительно друга за счет возможного теплового удлинения стягивающих их элементов и тормозящих усилий трения при контакте формирующегося внутри кристаллизатора слитка со стенками кристаллизатора во время движения кристаллизатора относительно слитка. Такая фиксация и компоновка секций позволяет предупредить вероятные нарушения технологического режима электрошлакового переплава, связанные с перекосом секций кристаллизатора, что часто приводит к замыканию расплава металла на стенку с образованием электрического и теплового пробоя, что приводит к повреждению основного тела медного кокиля. Указанные нарушения снижают ходимость кристаллизатора и водоохлаждаемых секций в его составе.
Для удобства обслуживания и эксплуатации несущую платформу предлагается выполнить таким образом, чтобы возможно было разместить на одной платформе секции разного диаметра. Так, одна и та же платформа может быть применима для получения слитков диаметром от 200 мм до 400 мм, что зависит только от комплекта применяемых и закрепленных в ней секций, при этом все узлы крепления кристаллизатора к рабочей площадке печи или к подвижной каретке кристаллизатора по своей конструкции и габаритами остаются неизменными. Для коррекции разницы диаметров секций, при установке их на платформу, используются специальные переходные фланцы. Такая унифицированная платформа может служить базой для формирования кристаллизатора, состоящего из разного количества секций, разного диаметра и высоты, как для схем электрошлакового переплава с подвижным кристаллизатором, так и неподвижным, в том числе с формированием слитка переменного сечения.
Выполняется несущая платформа из немагнитного материала для снижения возможного нагрева конструкции в мощном внешнем электромагнитном поле. При этом все водоохлаждаемые секции, устанавливаемые на несущую платформу, скреплены между собой посекционно, либо посредством сквозного протяженного соединения, например, шпилек, и скреплены с несущим основанием разъемным соединением. Шпильки при этом вынесены за пределы основного тела секций кристаллизатора для максимального снижения их нагрева.
Дополнительно, для возможности позиционирования относительно переплавляемого электрода установки электрошлакового переплава (ЭШП), что необходимо для формирования осесимметричного центра кристаллизации, а также исключения сложных механизмов перемещения механизма крепления электрода в составе установки ЭШП, предлагаемый кристаллизатор снабжен узлами крепления несущей платформы к рабочей площадке печи или к подвижной каретке для кристаллизатора, которые выполнены в виде шарнирных элементов. Указанные узлы крепления закреплены через электрические изоляторы по краям несущей платформы для электрической развязки от основных элементов установки ЭШП. Также через электрические изоляторы, например, стеклотекстолит, узлы крепления соединены с рабочей площадкой, каждый узел крепления кристаллизатора к рабочей площадке электрошлаковой печи выполнен в виде шарнира, с возможностью поворота в соединении между несущей опорой, закрепленной на рабочей площадке печи, и зажимом, закрепленном на несущей платформе, при этом каждая несущая опора имеет возможность регулировки её положения, например, винтовыми механизмами Регулировка опоры осуществляется в плоскости закрепления на рабочей площадке печи и по углу - изменением угла наклона шара относительно плоскости крепления, что, при взаимной корректировке положения всех несущих опор, обеспечивает точное позиционирование кристаллизатора относительно переплавляемого электрода и других элементов печи.
Для возможности общего увеличения срока эксплуатации представленного кристаллизатора, собранного из водоохлаждаемых секций, секции в его составе выполнены с возможностью смены их взаимного расположения в составе одной сборки, что является важным фактором при работе с короткими кристаллизатором при взаимном перемещении слитка и кристаллизатора. При такой схеме электрошлакового процесса шлаковая ванна практически не перемещается внутри кристаллизатора. При этом основную термическую нагрузку воспринимает на себя участок шлаковой надставки и верхняя часть формирующего участка. Благодаря возможности взаимной замены секций – после цикла работ сборки с одним расположением секций и при образовании эрозионного разрушения секций в составе наиболее нагруженных участков, которые находятся в зоне расположения шлакового и металлического расплавов, можно поменять местами несколько секций, например, переместить секции из горячего верхнего участка формирующей части кристаллизатора вниз к более холодному участку выхода слитка из кристаллизатора. Та же схема применима при взаимной замене секций шлаковой надставки: нижняя секция, работающая в более горячем участке, может быть заменена верхней секцией, которая не была заполнена шлаковым расплавом или заполнена не полностью. Взаимная центровка и базирование взаимозаменяемых секций выполнены по конической поверхности, при этом каждая секция выполнена с уступом на верхнем торце в виде усеченного конуса и впадиной на нижнем торце, повторяющей форму уступа верхнего торца, при этом форма посадочных поверхностей у всех секций равного или близкого диаметра совпадает. Такая конструкция посадочных поверхностей позволяет избегать смещения секций во время процесса электрошлакового переплава, особенно при процессе ЭШП с вытягиванием слитка. Возможность простой замены секций в составе сборки, при наличии одной или нескольких запасных секций, позволяет проводить смену изношенных участков на новые, что сокращает время ремонта кристаллизатора и позволяет восстанавливать отдельные секции кристаллизатора, не прерывая общую эксплуатацию всего изделия в сборе. Срок эксплуатации такого, к примеру, Т-образного кристаллизатора с взаимной заменой секций может быть значительно увеличен.
Водоохлаждаемые секции в составе представленного кристаллизатора, для компенсации теплового расширения вследствие нагрева в процессе электрошлакового переплава, могут быть выполнены в виде неразборной цельносварной конструкции из рубашки водоохлаждения и кокиля, с гибким компенсатором в своем составе. Кокиль в такой конструкции выполнен из меди или медных сплавов с высокой теплопроводностью, рубашка обычно выполняется из немагнитного материала и концентрически охватывает кокиль. Для возможности взаимного движения кокиля и рубашки без нарушения герметичности сварных швов: рубашка в своем составе может иметь один или несколько компенсаторов, выполненных из металлического деформируемого элемента, например, сильфона или замкнутой трубки, с разрезом вдоль образующей со стороны циркуляции воды. Конструкция компенсатора может быть любой, предполагающей его подвижность и герметичность.
В качестве дополнительного условия для предупреждения аварийных ситуаций во время плавления электрода в кристаллизаторе и, как следствие, прогнозирования возможного износа отдельных секций, предлагаемый кристаллизатор может быть выполненным с раздельным водоохлаждаением и водоснабжением каждой секции или группы секций, что позволяет оснастить отдельные участки кристаллизатора (как правило, самые термически нагруженные) комплектом индивидуальных датчиков для контроля мощности тепловых потерь. К примеру, это могут быть датчики перепада температуры, которые контролируют разницу между температурой охлаждающей воды на входе в контрольный участок и на выходе, и датчик расхода охлаждающей воды. По имеющимся параметрам температуры и расхода можно оценить количество отводимой мощности с участка, что позволяет оператору установки ЭШП во время процесса электрошлакового переплава:
- оценить мощность тепловых потерь с кристаллизатора или мощность тепловых потерь с отдельных секций и группы секций, что может служить дополнительным параметром для контроля состояния процесса плавки;
- по резким изменениям параметров отводимой мощности предупредить вероятное разрушение отдельной секции - уменьшение толщины стенки медного кокиля;
- при наличии небольших секций с раздельным водоохлаждением в составе кристаллизатора, можно по разнице отводимой мощности с отдельных секций оценить текущее положение шлакового расплава в кристаллизаторе и границу раздела шлак-металл.
Для решения задачи, связанной с большим расходом охлаждающей воды и при сохранении качественного теплоотвода от кристаллизатора при проведении электрошлакового переплава, предлагается конструкция водоохлаждаемых секций в его составе, которые состоят из кокиля и рубашки водоохлаждения, при этом внешняя поверхность кокиля, обращенная к воде, выполнена в виде развитой, не менее чем двукратно, поверхности, посредством прямоугольных ребер и пазов, высотой не менее толщины ребра, с организацией равновеликих по высоте каналов водоохлаждения, при этом со стороны подвода и слива воды из секции организованы коллекторы на глубину высоты ребра, площадью сечения не менее полуторакратного сечения всех каналов охлаждения, при этом подвод и слив воды выполнены одинаково и диаметрально противоположно относительно оси кристаллизатора. Такая конструкция позволяет снизить объемный расход воды на охлаждение кристаллизатора более чем в 2 раза, при сохранении жесткости конструкции самого кокиля.
Техническим и экономическим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является:
- снижение механической нагрузки на водоохлаждаемые элементы кристаллизатора за счет применение опорной платформы, что особенно важно на установках электрошлакового переплава работающих по схеме с вытягиванием слитка;
- снижение затрат на изготовление отдельных комплектующих для разных типоразмеров кристаллизаторов и унификация узла крепления кристаллизатора на печи электрошлакового переплава;
- точное позиционирование платформы в сборе с водоохлаждаемыми секциями уменьшает нагрузку на привод перемещения кристаллизатора, исключает возможные перекосы и подклинивание при движении кристаллизатора, способствует улучшению качества получаемой продукции – слитков ЭШП;
- центровка кристаллизатора относительно электрода, вместо схемы с перемещением электрододержателя упрощает и удешевляет выполнение общей конструкции установки ЭШП;
- взаимная замена секций увеличивает общий срок эксплуатации кристаллизатора в сборе;
- снижение себестоимости ремонта кристаллизатора и продление срока службы его составляющих за счет возможности смены секций между собой и замены отдельных элементов;
- увеличение стойкости отдельной цельносварной секции за счет применения гибкого компенсатора теплового расширения;
- развитая поверхность кокиля и равномерность водоохлаждения его поверхности, в совокупности с контролем отводимой мощности, позволяют снизить затраты на водоохлаждение, и предупредить возможные неисправности при работе.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - фронтальный общий вид кристаллизатора;
на фиг. 2 - кристаллизатор. Вид сверху;
на фиг. 3 - вид Б фиг. 2. Узел крепления платформы к рабочей площадке печи;
на фиг. 4 - элементы секции кристаллизатора. Сборка секций;
на фиг. 5 - вид А на фиг. 4. Вид на коллектор секции кристаллизатора со стороны подвода и слива воды.
На фиг. 1 показан, в качестве примера, показан Т-образный короткий кристаллизатор, имеющий формирующую часть и шлаковую надставку, который состоит из несущей платформы 1, на которую, через переходной фланец 2, для компенсации разницы в диаметре отверстия в платформе и получаемого слитка, установлен набор водоохлаждаемых секций разного диаметра 3. Секции притянуты к несущей платформе и зафиксированы между собой при помощи прижимного фланца 4 и стяжных элементов 5, через промежуточный фланец 6. При сборке секций максимально возможного диаметра для применяемой несущей платформы – переходные фланцы не используются. Кристаллизатор закреплен на рабочей площадке 7 при помощи шарнирных узлов крепления 8, установленные через электрические изоляторы 9 по краям несущей платформы 1 и также, через изоляторы 9, закрепленные на рабочей площадке печи 7. На фиг. 1 условно показано, что опорные части узлов крепления кристаллизатора, выполненные в виде шаровых опор и закрепленные на рабочей площадки, имеют возможность изменения угла наклона относительно плоскости своего крепления, что обеспечивает корректировку наклона оси кристаллизатора при подготовке плавильного пространства.
На фиг. 2 и фиг. 3 показан вид сверху на кристаллизатор. При этом фиг. 3, является укрупненным видом узла крепления 8, показанного на фиг. 2. Позицией 10 отмечена опорная часть узла крепления кристаллизатора – шаровая опора, закрепленная на рабочей площадки печи с возможностью перемещения по плоскости рабочей площадки печи 7 в двух направлениях. Позицией 11 схематично показан зажим шаровой опоры, закрепленный на несущей платформе 1.
На фиг. 4 показаны установленные друг на друга водоохлаждаемые секции в составе кристаллизатора, каждая из которых состоит из кокиля 12, который может быть выполнен из медного сплава с высокой теплопроводностью, и рубашки водоохлаждения 14, охватывающей кокиль и выполненной, например, из немагнитной стали. При этом рубашка 13 и кокиль 12 имеют цельносварное неразборное соединение и соединены через гибкий компенсатор 14, выполненный в виде тонкостенной трубки охватывающий кокиль 12 с продольным разрезом со стороны водоохлаждения. Поз. 15 показан способ установки секций друг на друга по конической поверхности. Внешняя поверхность кокиля 12, выполнена развитой по площади поверхностью в виде ребер 16. Ребрами 16 организовано шесть равных по сечению канала водоохлаждения кокиля 12. Одна из секций на фиг. 4 показана в продольном разрезе, где видны трубы подвода и слива воды, при этом условно показаны термодатчики 17 со стороны подвода и слива воды и расходомер 18 со стороны слива для контроля мощности тепловых потерь.
На фиг. 5 показан в сечении вид А фиг. 4 со стороны подвода воды к водоохлаждаемой секции. На фиг. 5 показан вариант выполнения распределительного коллектора секции кристаллизатора путем фрезеровки площадки в кокиле со стороны подвода воды для организации равномерного охлаждающего потока жидкости по всем каналам сформированными ребрами 16 кокиля 12. Со стороны слива воды выполнен аналогичный коллектор (условно не показан).
Собранный и подготовленный к использованию таким образом кристаллизатор имеет гибкую систему регулировки положения плавильного пространства и позволяет при необходимости легко менять положение и количество секций в его составе с обеспечением эффективного теплосъема с каждой секции с контролем теплового режима плавки. При этом несущая платформа позволяет производить сборку различных секций разного диаметра, в том числе для глухих кристаллизаторов с получением слитков переменного сечения.