Электрошлаковый переплав: Учебное пособие (Принцип электрошлакового переплава, технология процесса наплавки слитка, физико-химические процессы при ЭШП, плавление и кристаллизация металла), страница 8

Рисунок 8 – Схема распределения тока в шлаковой ванне при ЭШП

Характер распределения тока в шлаковой ванне ЭШП определяется соотношением электрических сопротивлений на участке расходуемый электрод - металлическая ванна (R_э-м) и расходуемый электрод - стенка кристаллизатора(R_э-к). Факторы, увеличивающие отношение R_э-м/R_э-к, повышают долю тока, идущего на стенку кристаллизатора (так называемый “боковой ток”). К таким факторам относятся:

1. Повышение напряжения при неизменной силе тока (электрод удаляется от металлической ванны).

2. Увеличение коэффициента заполнения кристаллизатора (уменьшается зазор между электродом и стенкой кристаллизатора при данном диаметре кристаллизатора).

3. Увеличение глубины шлаковой ванны (увеличивается поверхность контакта шлака со стенкой кристаллизатора).

4. Повышение электрической проводимости шлакового гарнисажа на стенке кристаллизатора (применяют шлак с высокой электрической проводимостью при температурах его затвердевания).

При небольших значениях коэффициента заполнения кристаллизатора (до 0,3 - 0,4), когда практически весь ток электрода протекает в слиток, увеличение глубины шлаковой ванны не влияет на размер межэлектродного промежутка и вызывает увеличение погружения электрода в шлак. С ростом коэффициента заполнения кристаллизатора, когда снижается R_э-к и увеличивается боковой ток, углубление шлаковой ванны приводит к увеличению межэлектродного промежутка и погружения электрода в шлак не происходит. Так, при ЭШП с коэффициентом заполнения кристаллизатора, превышающим 0,6, когда доля тока в цепи кристаллизатора может достигать до 90 - 95 % общего тока, заглубление электрода в шлак практически не зависит от глубины шлаковой ванны.

Удаление электрода от металлической ванны приводит к тому, что зона выделения тепла смещается в верхние объемы шлаковой ванны. О прохождении части тока в стенку кристаллизатора можно судить по нередко наблюдающемуся свечению и потрескиванию в месте контакта шлаковой ванны со стенкой кристаллизатора вследствие образующихся микродуговых разрядов. Известно, что в электрической дуге переменного тока, горящей между электродами с резко различной температурой (при ЭШП - между шлаковой ванной и холодной медной стенкой кристаллизатора), возможно частичное выпрямление тока, так называемый "вентильный эффект" [4]. Экспериментально установлено, что при ЭШП в зависимости от глубины шлаковой ванны и ее состава составляющая постоянного тока достигает 20 -30 % переменного тока. Учитывая недостатки, присущие ЭШП при постоянном токе (низкую степень рафинирования металла от серы, кислорода, неметаллических включений, а также плохую поверхность слитка), следует стремиться к снижению факторов, вызывающих это явление. Для этого необходимо поддерживать оптимальный электрический режим и контролировать токораспределение в цепях кристаллизатора и слитка. С токораспределением в шлаковой ванне тесно связано явление так называемого электропробоя, приводящие к образованию макродефектов в слитках ЭШП. Электропробой возникает в том случае, когда значительно возрастает электрическое сопротивление в основной токовой цепи и нарушается распределение тока в шлаке. В момент пробоя электрический ток (чаще всего на уровне металлической ванны) протекает от стенки кристаллизатора в слиток. Поскольку плотность тока в месте пробоя велика, происходит оплавление металла слитка, сопровождаемое дуговыми разрядами, что приводит к образованию дефектов в слитке.

В случае потери контакта кристаллизатора с поддоном нормальное токораспределение нарушается, а цепь кристаллизатора оказывается разорванной. В этих условиях возможно образование пробоя, в результате чего цепь кристаллизатора восстанавливается. Ток пробоя протекает от электрода в шлак, далее в стенку кристаллизатора и затем в слиток (рисунок 8, б). Вероятность возникновения электрического пробоя этого типа увеличивается с возрастанием коэффициента заполнения кристаллизатора, глубины шлаковой ванны и напряжения процесса, т.е. с увеличением доли тока, протекающего в цепи кристаллизатора. При ЭШП с малым коэффициентом заполнения кристаллизатора нарушение контакта кристаллизатора с поддоном может не вызвать пробоя, но способствует перераспределению тока в шлаке в сторону увеличения тока в цепи слитка.