Электрошлаковый переплав

В 1952 г. в Киеве в Институте электросварки им. Е.О.Патона был выплавлен первый в мире электрошлаковый слиток с уникальными свойствами. Новое тогда физическое явление – электрошлаковый процесс - впоследствии сыграл огромную роль в металлургии и машиностроении. Главное преимущество электрошлакового переплава (ЭШП) по сравнению с вакуумно-дуговым (ВДП), вакуумно-индукционным (ВИП), плазменно-дуговым (ПДП), электронно-лучевым (ЭЛП) переплавами и другими переплавными процессами – это простота и надежность оборудования для его реализации, высокая универсальность и эффективность технологии.

Особенность ЭШП состоит в том, что это бездуговой процесс, а расходуемый электрод переплавляют в водоохлаждаемом кристаллизаторе под слоем шлака. На рис. 45 показана принципиальная схема установки ЭШП. Нагрев жидкого электропроводного шлака до 2000^оС при прохождении тока обеспечивает плавление погруженного в него электрода.

Установка ЭШП состоит из колонны, по которой перемещается каретка с электродержателем и электродом. При помощи электродвигателя и регулятора производится автоматическое перемещение электрода по мере его сплавления. Напряжение на электрод и к поддону кристаллизатора подается кабелями и шинами.

В начале плавки на поддон кристаллизатора заливают жидкий шлак, который готовят в специальной шлакоплавильной электропечи. Электрод опускают вниз до погружения в шлак и включают ток. Электрод плавится, и в кристаллизаторе образуется слиток. После окончания плавки, когда весь металл в кристаллизаторе затвердеет, поддон кристаллизатора опускают вниз вместе со слитком, который снимают краном. Расходуемый электрод для ЭШП может иметь круглое или квадратное сечение; его получают различными способами: отливкой в специальные высокие изложницы, прокаткой, ковкой.

ЭШП – рафинирующий переплав: после него снижается содержание неметаллических включений в 2 - 2,5 раза, снижается содержание серы до 0,001 %, последовательная снизу вверх кристаллизация способствует формированию плотного литого металла с высокой химической и структурной однородностью.

Методом ЭШП получают стали для дисков и лопаток газотурбинных авиационных двигателей, газовых турбин, электро- и парогенераторов, прокатных валков и других деталей различного оборудования, работающих в сложных условиях.

Электрошлаковая технология – перспективный, постоянно развивающийся процесс, различные варианты которого предоставляют все новые возможности улучшения структуры и качества заготовок различного назначения. Например, электрошлаковое литье (ЭШЛ) и его разновидности (центробежное электрошлаковое и электрошлаковое кокильное литье) являются высокоэффективными и металлосберегающими методами заготовительного производства. В 1998 г. на Украине (г. Краматорск) создан первый в мире комплекс для производства методом ЭШН ЖПМ (электрошлаковое наплавление с жидким присадочным материалом) заготовок прокатных валков диаметром до 1000 мм, длиной до 2500 мм и массой до 20 т и изготовлена по новой технологии партия валков. Применение жидкого присадочного металла в комбинации с подачей в металлическую ванну кусковых присадочных материалов также открывает новые возможности в управлении формированием макроструктуры и свойств наплавленного металла.

В тяжелом машиностроении ЭШЛ применяется при изготовлении заготовок штампов горячей и холодной штамповки, цапф и подцапфовых плит к крупным сталеразливочным ковшам, валков горячей и холодной прокатки, бандажей валков и цементных печей, коленчатых валов, металлургического инструмента например, калибров к станам холодной прокатки труб, а также при изготовлении сварных баллонов высокого давления.

Все новые агрегаты ЭШП оснащены компьютерами, снабжены системами автоматического управления. Автоматизированная система управления технологическим процессом ЭШП (АСУ ТП ЭШП) обеспечивает контроль параметров агрегатов и управление процессом, воздействуя на исполнительные механизмы печей. Ее основой является математическая модель, действующая в реальном масштабе времени, разработанная на базе экспериментальных и теоретических исследований. В России такая система действует, например, на одном из ведущих предприятий по производству металлопродукции качественных сталей ОАО «Ижсталь».

Сдерживает широкое развитие ЭШП, во-первых, его высокая стоимость из-за дороговизны расходуемых электродов независимо от способа их производства: прокат, ковка, прессование, непрерывное литье или литье в изложницу. Во-вторых, высокая энергоемкость самого переплава расходуемых электродов.

В 90-е годы ХХ века получил развитие и промышленное применение способ ДШП (дугошлаковый переплав) особенно для производства высокоазотистых сталей и сплавов. По сравнению с ЭШП метод ДШП позволяет в 1,5 раза снизить расход электроэнергии и почти в 2 раза уменьшить расход синтетического флюса. По качеству металл ДШП уступает металлу ЭШП.

ДШП в азотсодержащей атмосфере совмещает в себе три технологических процесса: плавление электрода дугой, легирование металла азотом непосредственно из газовой фазы и обработка металла шлаком с формированием слитка в шлаковом гарнисаже. Процесс может осуществляться как на постоянном, так и на переменном токе. Высокая химическая однородность и низкое содержание вредных примесей, присущие сталям ДШП определяют изотропность механических свойств проката и стойкость против трещин при сварке.

В последнее время выявились и новые перспективные области использования ЭШП и ДШП. Так, проведенные научно-исследовательские работы доказали эффективность применения указанных методов для утилизации артиллерийских стволов танковых пушек.