Нові електрошлакові технології з роз'єднанням плавлення та твердіння металу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

УДК 669.187.56

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

НОВІ ЕЛЕКТРОШЛАКОВІ ТЕХНОЛОГІЇ

З РОЗ'ЄДНАННЯМ ПЛАВЛЕННЯ ТА ТВЕРДІННЯ МЕТАЛУ

Спеціальність - 05.16.07

"Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів"

Чернець Олександр Владиславович

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Науковий консультант:

доктор технічних наук, с.н.с. Медовар Лев Борисович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділом;

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, член-кореспондент НАН України Дубодєлов Віктор Іванович, Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, завідувач відділом;

доктор технічних наук, професор Кожухар Володимир Якович, Одеський державний політехнічний університет, завідувач кафедрою;

доктор технічних наук, професор Цивірко Едуард Іванович, Запорізький державний технічний університет, професор.

Провідна установа:

Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться "__5__" ____грудня___________ 2001 р. о 10:00 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України: 03680, м. Київ-150, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України: 03680, м. Київ-150, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий "__1__" ____листопада_______ 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук Кіреєв Л.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток сучасного промислового виробництва, особливо таких його галузей як енергетичне машинобудування й електроніка, авіакосмічний, нафто- і газодобувний комплекси, супроводжується постійним підвищенням вимог до застосовуваних в них деталей машин і агрегатів. Це, у свою чергу, обумовлює необхідність застосування нових складнолегованих сталей і сплавів, що гарантували б необхідну надійність і необхідний рівень функціональних характеристик устаткування. Як наслідок, зростають вимоги, що висуваються перед сучасними металургійними процесами, які повинні гарантувати одержання металу з необхідними властивостями.

Серед металургійних процесів, що забезпечують одержання якісного злитка чи зварного шва (наплавленого шару), багато років гідне місце займають численні електрошлакові технології (електрошлакове зварювання і наплавлення, переплав і лиття, підживлення і рафінування металів).

Незважаючи на різноманіття існуючих сьогодні схем, електрошлакові технології в класичному варіанті, як правило, засновані на переплаві витратного електрода і характеризуються деякими спільними рисами, а саме: жорстким зв'язком між температурними параметрами електрошлакового процесу і його продуктивністю; центральним характером підведення тепла до заготовки, що кристалізується, і периферійним тепловідведенням від неї.

Багаторічний досвід промислового використання ЕШП показав, що зазначені вище фактори в значній мірі обмежують можливості електрошлакових технологій. Найбільш гостро ці обмеження стали помітні в останні роки, коли якісна металургія почала вирішувати нові більш складні задачі, обумовлені зміною як хімічного складу перероблюємих матеріалів (наприклад, з'явилася все більша потреба в складнолегованих сталях і сплавах, аж до, так званих, суперсплавів), так і сортаменту і геометричних розмірів застосовуваних заготовок (потрібні злитки все більших і більших розмірів). Відзначені вище особливості електрошлакових технологій деякою мірою починають обмежувати їхні можливості й обумовлюють виникнення цілого ряду проблем, що при застосуванні класичних схем ЕШТ уже вирішити не вдається.

Вказані обставини обумовили актуальність проведення робіт, спрямованих на створення нових електрошлакових технологій з незалежними параметрами плавлення і твердіння металу, що дозволяє подолати обмеження класичних схем ЕШП і забезпечити одержання якісного металу, який відповідав би найвищим сучасним вимогам.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до теми НДР №90/1 "Дослідити кінетичні особливості електрошлакового процесу з рідким металом без витратних електродів для різних сталей і сплавів" (1997 - 1999 р.р., № держреєстрації 0198U000032) .

Мета роботи і задачі досліджень. Метою роботи було створення на основі комплексних інженерно-технологічних і фізико-металургійних досліджень нових електрошлакових технологій з розділенням процесів плавлення і твердіння металу для одержання високоякісних заготовок (у тому числі композитних) зі сталей і сплавів, розробка спеціалізованого обладнання та промислової технології для реалізації нових металургійних процесів у сучасному машинобудуванні.

Відповідно до поставленої мети були визначені наступні задачі досліджень:

Розробити технологічні схеми електрошлакових процесів з незалежним управлінням плавленням і кристалізацією металу.

Дослідити технологічні особливості електрошлакового процесу з рідким присаджувальним металом (ЕШТ РМ). Вивчити особливості процесів накопичення, розливання і кристалізації металу при реалізації ЕШТ РМ.

Провести дослідження взаємозв'язку основних параметрів електрошлакового переплаву витратних електродів за двоконтурною схемою (ЕШП ДС). Оцінити вплив основних параметрів ЕШП, реалізованого за двоконтурною схемою, на розміри і форму металевої ванни і дати рекомендації з вибору оптимальних режимів плавки.

Дослідити вплив різних шлакових композицій на особливості формоутворення заготовок, які виготовляються за допомогою ЕШТ РМ і ЕШП ДС, дати рекомендації з вибору оптимальних складів флюсів для здійснення зазначених технологічних процесів.

Дослідити й узагальнити результати оцінки якості заготовок ЕШТ РМ і ЕШП ДС зі сталей і сплавів різного марочного складу.

Створити промислову технологію й обладнання для реалізації процесів ЕШТ РМ і ЕШП ДС.

Наукова новизна отриманих результатів. Створено наукові основи нових електрошлакових технологій, що базуються на принципі поділу процесів плавлення і затвердіння металу - електрошлакових технологій з рідким металом (ЕШТ РМ) і електрошлакового переплаву витратних електродів за двоконтурною схемою (ЕШП ДС).

Встановлено основні особливості струмо- і теплорозподілу в струмопідвідному кристалізаторі при здійсненні різних схем ЕШТ РМ і ЕШП ДС. Показано, що ЕШП у струмопідвідному кристалізаторі на відміну від класичного ЕШП характеризується жорсткою залежністю між величиною струму і рівнем шлакової ванни, залежністю опору шлакової ванни від її розташування в кристалізаторі, а також пристінним характером тепловиділення. Визначено, що внаслідок найбільшого тепловиділення в периферійній області шлакової ванни (і з урахуванням периферійного тепловідведення у водоохолоджувані стінки кристалізатора) температурне поле в металевій ванні має більш рівномірний характер по поперечному перерізу кристалізатора, ніж у випадку класичного ЕШП (де області найбільшого тепловиділення і найменшого тепловідведення збігаються). Встановлено можливість одержання плоскої форми металевої ванни і відповідно сприятливого впливу на кристалічну структуру злитка.

На підставі дослідження основних теплофізичних і технологічних закономірностей електрошлакового переплаву витратних електродів за двоконтурною схемою встановлено, що двоконтурна схема ЕШП плавкого електрода дозволяє значно послабити залежність швидкості плавлення електрода від підводжуваної потужності в порівнянні з класичною схемою ЕШП. Показано, що температурні умови процесу при ЕШП ДС можуть регулюватися незалежно від його продуктивності за рахунок відповідного перерозподілу потужностей на електроді і кристалізаторі, а також зміни величини заглиблення електрода.

Вивчено вплив основних параметрів ЕШП ДС на розміри і форму металевої ванни і видані рекомендації з управління процесом ЕШП ДС з метою одержання металевої ванни необхідної конфігурації. Показано, що плоска форма металевої ванни і відповідно осьова кристалізація металу злитків може бути отримана при виплавці злитків ЕШП ДС з співвідношенням потужностей на кристалізаторі й електроді як (60-75):(40-25) відповідно в залежності від міри легування металу електрода і його фізичних властивостей. Плоска форма металевої ванни може бути забезпечена при плавленні електродів великого перерізу чи електродів малого перерізу, зібраних в пучок, а також електродів малого перерізу, які подають з ексцентриситетом щодо осі кристалізатора при обов'язковому обертанні металевої ванни.

Вивчено і встановлено вплив електрошлакових процесів з роз'єднанням плавлення та твердіння металу на кристалізаційну структуру заготовок. Виявлено, що застосування ЕШТ РМ і ЕШП ДС за рахунок широких можливостей впливу на об'єм і форму металевої ванни дозволяє при виробництві заготовок з інструментальних і швидкорізальних сталей забезпечити одержання тонкодисперсної структури з розірваною карбідною сіткою, а при виробництві заготовок з нікелевих суперсплавів запобігти утворенню властивих для великих злитків дефектів у вигляді плямистої ліквації.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено і впроваджено в промислове виробництво на Новокраматорському машинобудівному заводі технологію електрошлакового наплавлення рідким металом композитних заготовок валків прокатних станів (діаметром до 1000 мм і масою до 20 т) з робочим шаром зі швидкорізальних сталей і високохромистих чавунів.

Розроблено технологію ЕШП ДС одержання вільних від лікваційних дефектів злитків діаметром до 500 мм із високолегованих сталей і сплавів.

Результати виконаних інженерних і технологічних досліджень використані при розробці, проектуванні і створенні спеціалізованих агрегатів ЕШТ РМ і ЕШП ДС для потреб металургійного виробництва.

Особистий внесок здобувача. Запропоноване й обґрунтоване положення про можливість одержання заготовок електрошлаковим способом з роз'єднанням процесів плавлення та твердіння металу. Здобувач у співавторстві й індивідуально брав участь у розробці теоретичних основ нових електрошлакових процесів і методик дослідження основних параметрів процесів ЕШТ РМ і ЕШП ДС, проведенні експериментальних досліджень по встановленню взаємозв'язку між теплофізичними і металургійними параметрами нових технологічних процесів. Ним проведена обробка й аналіз отриманих результатів, виконана значна частина досліджень макро- і мікроструктури, фізико-механічних властивостей і інших якісних показників металу заготовок, виготовлених за технологією ЕШТ РМ і ЕШП ДС; він брав безпосередню участь у роботах по дослідно-промисловому випробуванню і промисловому впровадженню ЕШТ РМ і ЕШП ДС.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертації були повідомлені й обговорені на національних і міжнародних конференціях по якісній металургії, ливарному і прокатному виробництву: Четверта Європейська конференція з передових матеріалів і процесів EUROMAT-95, Венеція, Італія 1995 р.; Тридцять восьма конференція Міжнародного Товариства чавуну та сталі (38^th Mechanical Working and Steel Processing, Iron and Steel Society) Кливленд, США, 1996; Міжнародний симпозіум по обробці рідкого металу і литтю, Санта Фе США, 1997 р.; П'ята Міжнародна конференція "ЧИСТА СТАЛЬ", Угорщина, 1997 р.; Міжнародна конференція зварників "INTERWELDING-97", Катовіце, Польща, 1997 р.; Міжнародна конференція по титану, Ксіань, Китай, 1998 р.; Міжнародний симпозіум по обробці рідкого металу і литтю, Санта Фе, США, 1999 р.; Міжнародний симпозіум ІНТЕКО, Дюссельдорф, 1999 р.; Четверта Міжнародна конференція і виставка по переробці металів, Відень, Австрія, 1999 р.; Третій міжнародний конгрес прокатників, Липецьк, Росія, 1999 р.; Сорок друга конференції Міжнародного Товариства чавуну та стали (42^nd Mechanical Working and Steel Processing, Iron and Steel Society) Торонто, Канада, 2000 р. електрошлакова технологія плавлення твердіння

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 37 наукових працях, представлених у науково-технічних журналах і матеріалах конференцій, отримано 5 патентів України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків і додатків. Основний зміст викладений на 274 сторінках машинописного тексту, включаючи 107 рисунків, 25 таблиць і список використаних літературних джерел з 234 найменувань.

Автор назавжди залишиться вдячний своєму вчителю академіку НАН України Борису Ізраільовичу Медовару, під науковим керівництвом якого були виконано багато досліджень, результати яких представлені в даній роботі. Автор вдячний науковому консультанту доктору технічних наук Медовару Леву Борисовичу за поради і практичну допомогу в ході виконання роботи. Автор вдячний своїм колегам з відділу №9 ІЕЗ ім. Є.О. Патона, НІЦ ЕШТ і "Елмет-Рол" за допомогу в проведенні експериментальних робіт і обговоренні результатів досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Сучасний стан, досвід застосування і тенденції розвитку електрошлакових технологій і устаткування в промисловому виробництві

Аналіз багаторічного практичного досвіду використання і сучасного стану електрошлакових процесів у промисловості свідчить, що електрошлакові технології, як і раніше, продовжують займати провідне місце при виробництві високоякісних заготовок найвідповідальнішого призначення.

Унікальні гнучкість і універсальність технологічного процесу електрошлакового переплаву (ЕШП) дозволили розробити технологію виробництва злитків дуже широкого сортаменту. Створено технологічні процеси виробництва злитків квадратного перерізу, листових і порожнистих злитків. ЕШП знайшов широке застосування в промисловості для виробництва високоякісних злитків з конструкційних і інструментальних сталей, середньолегованих і високолегованих нержавіючих сталей, сплавів на основі заліза і нікелю, міді і її сплавів та ін. Безупинний розвиток електрошлакових технологій супроводжувався постійним їх удосконалюванням і появою нових металургійних схем. На основі досвіду використання електрошлакового переплаву для виробництва злитків у промисловості з'явилося електрошлакове лиття (ЕШЛ), спрямоване на одержання фасонних виливків, максимально наближених по розмірах і формі до готових деталей. Розроблені і знайшли своє місце на ринку електрошлакові технології плавки в захисній атмосфері і під тиском (ЕШПТ), дугошлаковий переплав (ДШП) і цілий ряд інших.. На стику з ливарним виробництвом розроблені технології, що базуються на електрошлаковій тигельній плавці (ЕШТП) - відцентрове (ВЕШЛ) і кокільне (ЕКЛ) електрошлакове лиття.

На сьогоднішній день у світі функціонують сотні промислових агрегатів, призначених для реалізації тих чи інших схем електрошлакового процесу, виготовлено сотні тисяч тонн високоякісного електрошлакового металу.

Незважаючи на існування широкої гами способів і методів плавлення і кристалізації металу, об'єднаних у класичному понятті "електрошлакова технологія", усім їм властиві кілька спільних рис. До них відносяться:

· наявність витратного плавкого електрода;

· існування жорсткого зв'язку між температурними параметрами електрошлакового процесу і його продуктивністю;

· центральний (осьовий) характер підведення тепла до заготовки, що кристалізується, і периферійне тепловідведення від неї.

Ці особливості класичного електрошлакового процесу проявляються в заснованих на ньому технологіях і не носять негативного характеру, поки злитки (заготовки) мають відносно невеликий розмір, перероблювані матеріали досить прості за своїм хімічним складом, мало схильні до прояву процесів ліквації, спадкування структури і т.п.

В сучасних умовах перед якісною металургією ставляться нові більш складні задачі, обумовлені зміною як хімічного складу вживаних матеріалів (наприклад, з'являється наростаюча потреба в складнолегованих сталях і сплавах, аж до суперсплавів), так і сортаменту й геометричних розмірів застосовуваних заготовок (потрібні злитки усе більших розмірів). Відзначені вище особливості електрошлакових технологій деякою мірою починають обмежувати їхні можливості, виникає ряд проблем, що при застосуванні класичних схем ЕШТ уже вирішити не вдається.

Жорсткий зв'язок між температурними параметрами електрошлакового процесу і його продуктивністю не дозволяє істотно підвищити потужність на шлаковій ванні, не збільшуючи при цьому швидкість подачі витратного електрода. Зростання кількості електродного металу, який подається в плавильну зону, викликає необхідність витрат потужності, що додатково вводиться, для нагрівання і плавлення цього металу. У результаті температурний режим у класичному електрошлаковому процесі може змінюватися в порівняно вузькому інтервалі температур. При цьому температура перегріву крапель електродного металу звичайно складає близько 200 С, забезпечуючи такий температурний градієнт у рідкій металевій ванні, що сприяє утворенню стовпчастої структури.

Центральний характер теплопідведення до металу, що кристалізується, і периферійний характер тепловідведення від металевої ванни обумовлює при канонічній схемі ЕШП формування параболічної металевої ванни. У результаті має місце перемінна ширина двофазної зони по перерізу електрошлакового злитка. Об'єм і форма металевої ванни є, мабуть, одними з найважливіших параметрів, що визначають якість металу злитка, виробленого при електрошлаковому переплаві. Очевидно, що для одержання якісного злитка необхідно прагнути до плоскої форми металевої ванни. Цього можна досягти за рахунок зниження підводжуваної до шлакової ванни електричної потужності. У той же час, для одержання добре сформованих злитків (особливо злитків великого діаметра) необхідно збільшувати потужність на шлаковій ванні. Оскільки це підведення здійснюється за допомогою витратного електрода, і він же є джерелом рідкого присаджувального металу, зі зростанням діаметра злитка і відповідному збільшенні потужності на шлаковій ванні збільшується і швидкість надходження перегрітого рідкого металу в металеву ванну. Збільшення діаметра злитка призводить одночасно до ослаблення інтенсивності охолодження його центральних областей за рахунок зниження тепловідведення в стінки кристалізатора - у результаті глибина і конусність металевої ванни зростають. При цьому, навіть незважаючи на певні можливості, пов'язані, наприклад, зі змінами співвідношення струму і напруги на шлаковій ванні, коефіцієнта заповнення кристалізатора і т.п., зменшення теплової потужності, що виділяється в шлаковій ванні, неминуче призводить до зменшення температури шлакової ванни і погіршення умов формування поверхні злитка. Таким чином збільшення діаметра злитка неминуче спричиняє збільшення об'єму і глибини металевої ванни, а отже приводить до зменшення температурного градієнта в металевій ванні і розширення зони двофазного стану, особливо в центральній частині злитка. У результаті в цій зоні створюються умови для протікання лікваційних процесів і формування сегрегацій різного типу. Чим більше і складніше легований переплавлюваний матеріал, тим при меншому діаметрі виникають сегрегаційні області в злитку. Спроби зменшити об'єм і глибину металевої ванни за рахунок зменшення швидкості плавлення витратного електрода і відповідного зниження введеної потужності, зазвичай не дають позитивного результату через порушення умов формування поверхні злитка. Навіть при порівняно невеликому діаметрі злитка ЕШП досить важко отримати задовільну структуру металу, наприклад, зі швидкорізальної сталі, через суцільну карбідну сітку по границях первинних зерен, яка утворюється внаслідок сильного перегріву електродного металу. Тобто можливість регулювання об'єму і форми металевої ванни при канонічній схемі ЕШП виявляється в значній мірі обмеженою.

Крім відзначених технологічних особливостей ЕШП, з моменту появи цього процесу в промисловому виробництві досить проблемним залишається питання дорожнечі витратних електродів (незалежно від того, який був спосіб їх виробництва - прокат, кування, пресування, безперервне лиття чи лиття у виливницю). Іноді до 60% собівартості металу ЕШП складала саме вартість витратних електродів. Крім того, переплав твердого витратного електрода - це завжди висока енергоємність процесу, що також негативно позначається на економічних показниках ЕШП.

З самого початку розвитку процесу електрошлакового переплаву робилися спроби змінити відзначені вище особливості класичної схеми ЕШП і досягти розширення її можливостей. Відомі численні роботи з введення в шлакову ванну при ЕШП різного роду дисперсних макрохолодильників у вигляді дробу, січки, дроту і т.п., що ставили своєю метою послабити жорстку залежність продуктивності від температурних параметрів ЕШП. Спробою, спрямованою на відмовлення від витратних електродів, були роботи з електрошлакового переплаву металізованих окатишів (ЕШПО). Відмова від схеми переплаву компактних витратних електродів з регулюванням масової швидкості подачі розплаву для направленого формування злитка була реалізована у розробленому в ІЕЗ ім. Є.О. Патона і впровадженому в промисловості способі порціонної електрошлакової виливки (ПЕШВ) великих злитків. Ще одним методом у ряду технологічних процесів ЕШП, спрямованих на відмовлення від плавки витратного електрода, був запропонований у 70-і роки в Інституті електрозварювання спосіб електрошлакового переплаву кускових присаджувальних матеріалів (дробу, стружки і т.п.) у струмопідвідному кристалізаторі - ЕШП КПМ. Однак за різними причинами як об'єктивного, так і суб'єктивного характеру, досягти комплексного рішення проблеми розширення можливостей класичної схеми ЕШП все-таки не вдавалося.

Для подолання проблем, притаманних класичній схемі ЕШП, і розширення можливостей технологій, що базуються на електрошлаковому процесі, були запропоновані нові технологічні схеми електрошлакового процесу в струмопідвідному кристалізаторі з використанням рідкого присаджувального металу замість твердого витратного електрода, які одержали назву електрошлакові технології з рідким металом - ЕШТ РМ (рис. 1). Нові технології в значній мірі зняли багато економічних проблем класичного ЕШП, пов'язаних з виробництвом і підготовкою витратних електродів, а також, що більш важливо, дозволили розірвати жорсткий зв'язок між продуктивністю процесу ЕШП і його температурними параметрами.

Були запропоновані три основних варіанти реалізації ЕШТ РМ - для виробництва суцільних і порожнистих злитків - ЕШП РМ (рис. 1, а, б), а також біметалічних заготовок - ЕШН РМ.

Суть технологічних процесів з рідким металом полягає в наступному. При реалізації схеми ЕШП РМ для виробництва суцільних злитків на першому етапі усередину водоохолоджуваного мідного струмопідвідного кристалізатора заливають розплавлений в окремому агрегаті шлак і подають напругу від джерела живлення. У даному випадку кристалізатор є не тільки пристроєм, що формує виплавлюваний злиток, але і невитратним електродом, що підтримує електрошлаковий процес. По досягненні заданих теплових параметрів плавки в кристалізатор з окремо розташованого сталеплавильного агрегату порціонно (по заданій програмі) чи безперервно подається рідкий метал необхідного хімічного складу. У процесі плавки злиток постійно витягається з кристалізатора і здійснюється заливання наступних порцій (чи безперервне заливання) рідкого металу до одержання злитка заданої довжини. Послідовність технологічних операцій при ЕШП РМ порожнистих злитків і ЕШН РМ практично така ж. Тільки у випадку реалізації схеми виробництва порожнистих злитків усередину кристалізатора додатково встановлюється мідний водоохолоджуваний дорн, що забезпечує формування порожнини заданих розмірів, а при виробництві біметалічних заготовок усередину кристалізатора поміщається заготовка, на яку власне і провадиться наплавлення. Як і у випадку ЕШП РМ суцільних злитків, після заливання в кристалізатор рідкого шлаку в плавильний простір (кристалізатор) порціонно чи безперервно подається рідкий метал заданого складу в кількості, необхідній для формування порожнистого злитка чи наплавленого шару необхідних розмірів.

З огляду на той факт, що реалізація схем ЕШТ РМ вимагає не завжди простих засобів для підтримки розплавленого металу в рідкому стані і дозування його протягом тривалого часу, а також той момент, що схеми ЕШТ РМ не завжди можуть бути використані через відсутність виробничих можливостей у того чи іншого підприємства для приготування рідкого металу (що, як правило, має місце в існуючих цехах ЕШП), був запропонований ще один метод, який одержав назву електрошлакового переплаву витратного електрода в струмопідвідному кристалізаторі за двоконтурною схемою - ЕШП ДС (рис. 2). При ЕШП ДС живлення подається по двох контурах - "витратний електрод - піддон" і "кристалізатор - піддон". У цій схемі, як і при ЕШТ РМ, струмопідвідний кристалізатор також виступає в ролі невитратного електрода. При цьому забезпечуються можливості для розриву жорсткого зв'язку між температурними параметрами і продуктивністю процесу ЕШП, а також значно розширюються можливості управління тепловими процесами, які протікають у шлаковій і металевій ванні, що було важко досяжним при класичній схемі ЕШП.

Технологічні особливості електрошлакових процесів у струмопідвідному кристалізаторі

Реалізація нових технологічних процесів ЕШТ РМ і ЕШП ДС здійснюється в кристалізаторі спеціальної конструкції, так званому струмопідвідному кристалізаторі. Струмопідвідний кристалізатор (СПК) являє собою секційний пристрій, що виконує функції невитратного електрода й одночасно забезпечує формування злитка чи наплавлюємої заготовки. Як правило, СПК у вертикальному перерізі складається з ізольованих одна від одної трьох (чи більше) секцій:

- Струмопідвідна секція - призначена для подачі електричного живлення. У струмопідвідній секції виконано наскрізний вертикальний проріз, заповнений електроізоляційним матеріалом, який визначає наявність кругового електричного струму, що забезпечує обертання шлако-металевого розплаву в кристалізаторі.

- Розділювальна секція - перешкоджає електричному пробою між струмопідвідною і формуючою секціями.

- Формуюча секція - забезпечує формування зовнішньої поверхні виплавлюваної заготовки.

На підставі проведених робіт, спрямованих на дослідження особливостей електрошлакового процесу в СПК, обумовлених специфікою його конструкції, було встановлено, що електрошлаковий процес у струмопідвідному кристалізаторі характеризується: жорсткою залежністю між величиною струму і рівнем шлакової ванни; залежністю електричного опору шлакової ванни від її розташування в кристалізаторі; залежністю глибини шлакової ванни від геометричних розмірів кристалізатора; пристінним тепловиділенням; можливістю керування інтенсивністю обертання шлакової і металевої ванн за рахунок зміни електричних параметрів електрошлакового процесу.

Фізичне і математичне моделювання теплових процесів і характеру струморозподілу в СПК показало, що при переплаві в СПК завдяки найбільшому тепловиділенню в периферійній області шлакової ванни температурне поле металевої ванни виявляється набагато більш рівномірним у поперечному перерізі кристалізатора (з урахуванням периферійного тепловідведення у водоохолоджувані стінки кристалізатора) у порівнянні з класичним ЕШП, де області найбільшого тепловиділення і найменшого тепловідведення збігаються. Такий характер струмо- і теплорозподілу дозволив при плавці в СПК забезпечити одержання більш плоскої форми металевої ванни, що сприятливо позначається на структурі формованого злитка.

Була розроблена спеціальна система управління обертанням шлако-металевого розплаву, що дозволила змінювати в необхідних межах параметри обертання шлакової ванни і, у разі потреби, забезпечувати реверсивний характер руху розплаву. Це створило можливості додаткового впливу на структуру формованої заготовки.

Досвід експлуатації струмопідвідного кристалізатора в його класичному виконанні при реалізації запропонованих нових технологічних схем виявив ряд істотних конструктивних недоліків, що були усунуті під час виконання даної роботи. Були запропоновані конструктивні модифікації СПК, які дозволили істотно розширити металургійні можливості електрошлакового процесу в ньому і підвищити надійність його роботи в цілому.

Струмопідвідна секція кристалізатора виконана розширеною. Збільшений у порівнянні з формуючою секцією діаметр струмопідвідної секції дав можливість вільного доступу до плавильного простору для заливання рідкого металу, подачі легуючих компонентів чи розкислювачів і т.п. Крім того, збільшений при цьому об'єм шлакової ванни забезпечив підвищення її теплоакумулюючої і рафінуючої здатності.

Для запобігання можливого утворення дефектів у вигляді нерівномірного проплавлення наплавляємої заготовки через нерівномірність електричного контакту між струмопідвідною секцією і її захисним шаром, внутрішня поверхня струмопідвідної секції кристалізатора виконана з рифленнями (накаткою), а контактуючі поверхні захисного шару і струмопідвідної секції виконані конусними.

При використанні струмопідвідного кристалізатора розширеного типу, мало місце достатньо сильне руйнування поверхні кристалізатора, розташованої на стику струмопідвідної і розділової секцій, що при попаданні в зазор металу могло призвести до замикання і як наслідок виходу з ладу кристалізатора. Для запобігання цьому запропоновано виконати в розділовій секції проточку глибиною 2-10 мм, розташовану безпосередньо під захисним неохолоджуваним шаром. У початковий момент плавки - безпосередньо після заливання в кристалізатор рідкого шлаку - зазначена проточка заповнюється шлаком, який кристалізується в ній і надійно захищає стик між розділовою і струмопідвідною секцією від розгару і можливого потрапляння в нього металу.

Для захисту внутрішньої (робочої) поверхні мідного струмопідвідного кільця від електроерозії в СПК класичної конструкції передбачається неохолоджуване змінне кільце з тугоплавкого електропровідного матеріалу - графіту, вольфраму чи молібдену. Наявність такого захисного кільця перешкоджає руйнуванню мідного кільця і попаданню міді в переплавлюваний чи наплавлений метал. Разом з тим, наявність такого неохолоджуваного змінного кільця з тугоплавкого матеріалу - графіту, вольфраму, молібдену може сприяти попаданню в розплав зазначених елементів. Якщо невеликі добавки вольфраму і молібдену в наплавлений або переплавлюваний метал не викликають, як правило, особливих проблем, то навіть найменші добавки графіту (вуглецю) у сталі і сплави з ультранизьким вмістом вуглецю унеможливлюють використання такого кристалізатора. Досвід експлуатації змінних кілець з молібдену чи вольфраму показав, що основною проблемою при їхньому використанні є низька стійкість цих металів до окислювання при температурах електрошлакового процесу, що приводить до швидкого виходу їх з ладу. Крім того, ці матеріали мають надзвичайно високу ціну. У результаті ні вольфрам, ні молібден не знайшли на практиці застосування для виготовлення змінних кілець внутрішньої гільзи в струмопідвідних кристалізаторах.

Для запобігання ускладнень, що виникають при експлуатації СПК зі змінним захисним кільцем з тугоплавкого електропровідного матеріалу, була запропонована нова конструкція кристалізатора, де внутрішня гільза струмопідвідної секції виготовлена з біметалу, перший шар якого, що контактує з зовнішнім кожухом, виконаний мідним, а другий шар, звернений до переплавлюваного (або наплавлюємого) металу, виконаний з матеріалу, що має більш низьку теплопровідність і склад, компоненти якого при попаданні в переплавлюваний (наплавлюємий) метал не змінюють його властивостей. Наприклад, в якості такого матеріалу може бути використаний метал, хімічний склад якого відповідає марці переплавлюваного чи наплавлюємого металу. Такий кристалізатор у меншій мірі, ніж кристалізатор з чисто мідною гільзою, піддається електроерозії, а головне, продукти електроерозії не впливають на хімічний склад і властивості наплавлюємого чи переплавлюваного металу. Крім того, такий кристалізатор легко ремонтується, оскільки ремонтуємий матеріал має меншу теплопровідність, а, отже, не вимагає попереднього підігріву. У той же час біметалічна структура внутрішньої гільзи забезпечує надійний струмопідвід через внутрішню гільзу до шлакової ванни і досить добре тепловідведення від металу, що кристалізується.

Для забезпечення обертання розплаву, струмопідвідна секція кристалізатора виконується розрізною. При цьому для забезпечення обертання шлакової ванни досить мати тільки один проріз. Однак проведені експерименти показали, що в цьому випадку має місце нерівномірний розподіл щільності струму в шлаковій ванні - максимальна щільність спостерігається біля струмопідводу і менша біля протилежного кінця розрізного кільця. Наслідком такої нерівномірності щільності струму є нерівномірне тепловиділення, що у випадку реалізації технологічного процесу наплавлення може призвести до нерівномірного проплавлення заготовки - з максимумом у місці струмопідводу. З метою запобігання виникнення дефектів у вигляді нерівномірного проплавлення була запропонована конструкція струмопідвідного кільця, у якій виконується, принаймні, два розрізи. Застосування такої конструкції дозволило забезпечити рівномірний розподіл щільності струму по периметру наплавляємої заготовки і як наслідок гарантувати рівномірність її проплавлення.

Для незалежного (від робочих параметрів плавки) управління процесом обертання шлако-металевого розплаву з метою одержання заданої форми металевої ванни, усереднення температурних параметрів процесу, кристалізатор забезпечується додатковим джерелом живлення підмагнічування, що з'єднується із секціями кристалізатора. Таке рішення дозволило розділити функції плавлення металу й обертання шлакової і металевої ванни між струмом плавки, що подається від основного джерела живлення, і струмом підмагнічування, що подається від додаткового джерела. При цьому напрямок і інтенсивність обертання шлакової і металевої ванни залежать від величини струму підмагнічування, що подається від додаткового джерела живлення, а швидкість плавлення металу витратного електрода чи підплавлення наплавлюваної заготовки залежить від струму плавки, що забезпечується основним джерелом живлення. Крім того, при реалізації такої схеми підключення СПК створюються умови для додаткової обробки металу шлаком на границі їх розподілу, що сприяє більш глибокому рафінуванню металу.

Металургійні і технологічні особливості електрошлакового процесу з використанням рідкого металу

Для визначення оптимальних умов реалізації електрошлакових процесів з рідким металом були виконані всебічні дослідження особливостей основних стадій ЕШТ РМ, починаючи з приготування рідкого металевого розплаву і закінчуючи формуванням і кристалізацією одержуваної заготовки.

Важливою ланкою, що визначає якість майбутньої заготовки при ЕШТ РМ, є етап виплавки (накопичення), підтримування в рідкому стані і заливання в кристалізатор рідкого металу. Як показали проведені експерименти, об'єм подаваного в кристалізатор металу коливається від 1 до 20 кг за хвилину. З огляду на той факт, що сьогодні в металургійному виробництві немає промислових агрегатів, що дозволяють забезпечити безперервне заливання металу з такими швидкостями, для ЕШТ РМ була прийнята схема порціонної подачі рідкого металу.

При здійсненні ЕШП чи ЕШН РМ приготовлений для заливання в кристалізатор рідкий метал повинен досить тривалий час зберігатися в рідкому стані. Це може викликати певні проблеми з підтримуванням постійного хімічного складу розплаву протягом усього процесу реалізації ЕШТ РМ. У роботі виконаний аналіз функціональної придатності відомих металургійних агрегатів для накопичення і порціонної подачі рідкого металу і зроблений висновок про можливість використання цих агрегатів для тієї чи іншої схеми ЕШТ РМ. Встановлено, що за своїми характеристиками в якості подібних агрегатів найбільш придатними представляються хитні індукційні печі, електрошлакові тигельні печі (ЕШТП) чи магнітодинамічні міксери-дозатори (МДН). ЕШТП і МДН при цьому виглядають більш прийнятними з економічної точки зору. Крім того, застосування ЕШТП дуже перспективно у випадку перепрофілювання існуючих цехів електрошлакового переплаву. Як правило, у цехах ЕШП немає агрегатів для приготування рідкого металу, і в цьому випадку наявні установки ЕШП при зовсім незначних доробках можуть бути перетворені в агрегати для електрошлакової тигельної плавки.

Досліджено можливості застосування ЕШТП і МДН як агрегатів для одержання рідкого металу при ЕШТ РМ. Виконані експерименти по оцінці зміни хімічного складу рідких металевих розплавів у зазначених агрегатах протягом часу, порівнянного з часом, необхідним для реалізації техпроцесу електрошлакового переплаву (наплавлення) з використанням рідкого металу показали, що при дотриманні відповідних технологічних параметрів в електрошлаковій тигельній печі можна забезпечити незмінність хімічного складу металу в процесі його накопичення і витримки. Забруднення металу матеріалом футеровки не виявлене. Аналогічні результати були отримані і для магнітодинамічних міксерів-дозаторів.

Одним з найважливіших моментів технологічних процесів ЕШП і ЕШН РМ, які визначають якість майбутнього виробу, є процеси формоутворення і кристалізації заготовки. Причому, якщо при виробництві злитків з використанням рідкого металу, технологія плавки багато в чому може бути побудована на досвіді стандартного ЕШП, то при одержанні біметалічних заготовок методом ЕШН РМ існує ряд особливостей, що вимагають спеціальних підходів при розробці технологічного процесу наплавлення. Для рішення даної задачі був виконаний комплекс досліджень особливостей формування наплавленого шару при ЕШН РМ.

Одержання якісного наплавленого шару, що характеризується високою структурною і хімічною однорідністю, є першорядною задачею при виробництві композитних заготовок. Рівень властивостей біметалічної заготовки в значній мірі визначається бездефектністю зони сплавлення основного і наплавлюємого металів. У цій зоні не допускається несплавлення основного і наплавляюємого металів, наявність шлакових та інших включень. Якість зони сплавлення визначається головним чином енергетичними параметрами процесу наплавлення і теплофізичними характеристиками застосовуваних матеріалів. Останнє особливо треба враховувати в тих випадках, коли характеристики основного і наплавлюємого металів істотно відрізняються одне від іншого. Крім того, порціонна подача рідкого металу і відзначені вище особливості плавки в струмопідвідному кристалізаторі створюють специфічні умови, котрі визначають формування наплавленого шару при ЕШН РМ.

На підставі проведених експериментів встановлено, що в залежності від співвідношення величини підведеної потужності і швидкості витягування заготовки при наплавленні вигляд зони сплавлення може носити або прямолінійний, або хвилеподібний характер. У тому випадку, коли проплавлення заготовки мінімальне, відбувається лише незначне підплавлення її поверхні і сплавлення з подаваним у зазор рідким присаджувальним металом відбувається практично по прямій лінії. У випадку, коли температурні параметри наплавлення такі, що відбувається проплавлення наплавлюємої заготовки всередину, у тілі заготовки утвориться глибока лунка. Присаджувальний метал, що надходить у кристалізатор, заповнює об'єм лунки, що утворилася в тілі заготовки. У випадку, якщо висота порції, що заливається, перевищує висоту лунки, що утворилася, характер лінії сплавлення буде хвилеподібним. З урахуванням різниці хімічного складу основного (наплавлюємої заготовки) і наплавлюваного металу слід прагнути до мінімізації глибини проплавлення. При глибокому проплавленні значний обсяг металу наплавлюємої заготовки буде потрапляти в металеву ванну. Це призведе до істотного розведення металу наплавлення основним металом і відповідно до зміни хімічного складу, і, отже, властивостей наплавленого шару. Це явище слід в першу чергу враховувати при формуванні композитних заготовок з відносно тонким наплавлюємим шаром, тобто коли існує найбільша небезпека сильного розбавлення металу наплавлюємого шару основним металом, і як наслідок істотна зміна хімічного складу металу наплавлення, а значить і властивостей наплавленого шару.

У ході роботи проведені експерименти по вивченню впливу глибини шлакової ванни на процес початку проплавлення в умовах струмопідвідного кристалізатора. Встановлено, що висота шлакової ванни (за інших рівних умов) практично не впливає на час і місце початку проплавлення при ЕШН РМ.

На базі комплексних досліджень наплавлення заготовок з різних матеріалів з різними геометричними розмірами (як осі так і наплавлюємого шару) отримана залежність висоти зони проплавлення від її глибини. Ці два параметри процесу ЕШН РМ незалежно від типу металу і геометрії наплавлених заготовок мають жорсткий зв'язок. Встановлений взаємозв'язок дозволяє забезпечити чітке відстеження стану процесу наплавлення і необхідне його коригування при реалізації ЕШН РМ у промислових умовах.

На основі результатів експериментальних плавок по відпрацюванню технології ЕШН РМ біметалічних заготовок різних діаметрів була розроблена математична модель процесу. Ця модель дозволила, виходячи з існуючих параметрів наплавлення і теплофізичних характеристик застосовуваних матеріалів, розраховувати характер проплавлення в процесі наплавлення. Порівняння розрахункових даних про характер проплавлення, отриманих з використанням математичної моделі, з реальними даними макротемплетів наплавлених заготовок, показало високий ступінь їхнього збігу. Отримані результати лягли в основу розробленої комп'ютерної системи управління процесом ЕШН РМ, яка пройшла промислову апробацію при наплавленні валків прокатних станів.

Якість металу заготовок, отриманих методами ЕШТ РМ

У роботі були проведені комплексні дослідження макро- і мікроструктури, хімічного складу, включаючи розподіл елементів по перерізу, вміст неметалічних включень і газів, механічні і службові властивості металу заготовок ЕШТ РМ різних розмірів з цілого ряду матеріалів.

Завдяки технологічним особливостям електрошлакового процесу з застосуванням рідкого металу створюються необхідні умови для одержання плоскої ванни рідкого металу і, як наслідок, умови для одержання дисперсної первинної структури злитків ЕШП РМ.

Дослідження макроструктури заготовок ЕШН РМ із різною товщиною наплавленого шару (від 20 до 60 мм) з інструментальних і швидкорізальних сталей показали, що метал наплавленого шару щільний, без мікропор, тріщин, раковин і інших дефектів; лінія сплавлення щільна, без дефектів несплавлення основного і наплавленого металу; проплавлення по висоті і діаметру заготовки рівномірне.

Аналіз ізотропності хімічного складу злитків ЕШП РМ і заготовок, наплавлених за технологією ЕШН РМ, показав рівномірний розподіл основних легуючих елементів як по їхній висоті, так і по перерізу. При дотриманні оптимальних технологічних параметрів наплавлення розбавлення наплавленого металу основним було мінімальним.

Застосування ЕШТ РМ забезпечує одержання гомогенної високодисперсної мікроструктури. Позитивний вплив нових технологічних процесів на структуру литого металу пояснюється головним чином тим, що з'явилася можливість розірвати жорсткий зв'язок між етапами плавлення, обробки рідкого металу і кристалізацією заготовки і, таким чином, здійснити їх у найбільш оптимальних умовах. Як відомо, електрошлаковий процес характеризується високим ступенем перегріву (150 - 200 °С) переплавлюваного металу над температурою ліквідусу. При цьому відбувається рафінування металу від газів і шкідливих домішок. Обидва цих фактора позитивно позначаються на зниженні мікронеоднорідності металевого розплаву. У той же час ЕШТ із витратними електродами характеризуються порівняно невеликим часом існування рідкого металу в перегрітому стані. Сильно перегрітими є тільки краплі рідкого електродного металу, металева ванна ж швидко охолоджується за рахунок інтенсивного тепловідведення в стінки водоохолоджуваного кристалізатора. Час існування металевої ванни в рідкому стані може виявитися недостатнім для повного усунення неоднорідності розплаву. Іншою особливістю ЕШП витратних електродів є "гаряче розливання", тобто коли на фронт кристалізації надходить метал безпосередньо з перегрітої металевої ванни. Це призводить до формування грубозернистої структури переплавленого металу. На відміну від класичного ЕШП при використанні схем ЕШТ РМ рідкий метал, що готується в окремому сталеплавильному агрегаті, може бути перегрітий до будь-якої заданої температури і витриманий при цій температурі необхідний час. Розливання рідкого металу може провадитися після його підстуження будь-яким відомим способом до потрібної температури, аж до значень температури, близької до ліквідусу. Представлені на рис. 6 мікроструктури свідчать про те, що у випадку застосування ЕШТ РМ забезпечуються необхідні умови для подавлення мікроструктурної неоднорідності і формування дрібнозернистої структури. У литому металі заготовок ЕШТ РМ вдається усунути виникнення грубих великих карбідів, забезпечити рівномірний їхній розподіл, а також практично цілком позбутися евтектичних виділень по границях зерен, які характерні для традиційних способів металургійного виробництва.

Кількісна оцінка карбідної неоднорідності злитків ЕШП РМ зі швидкорізальних сталей (табл. 1) у порівнянні зі злитками аналогічних розмірів, отриманих стандартним ЕШП, свідчить про позитивний вплив нового технологічного процесу на цей показник якості металу.

Таблиця 1

Оцінка карбідної неоднорідності в злитках із швидкорізальної стали М1 (80Х4М8В2Ф), отриманих методом ЕШП РМ (в литому стані)

За рівнем міцності і пластичності литий метал суцільних і порожнистих злитків ЕШП РМ не поступається деформованому і відрізняється ізотропністю механічних властивостей по висоті і перерізу. Дослідження механічних властивостей композитних заготовок, отриманих за технологією ЕШН РМ, показало, що метал наплавленого шару також характеризується ізотропністю механічних властивостей по висоті і перерізу.

Розробка і дослідження електрошлакового процесу з використанням двоконтурної схеми переплаву витратного електрода

При реалізації схеми ЕШП ДС електроживлення витратного електрода і струмопідвідного кристалізатора провадиться в роздільних контурах (електричних ланцюгах) від окремих джерел живлення. Характерною ознакою цієї схеми є те, що в шлаковій ванні одночасно знаходяться по суті два електроди: один плавкий у вигляді сталевої переплавлюваної заготовки, а інший, неплавкий у вигляді струмопідвідного кристалізатора. Якщо неплавкий електрод обігріває периферію шлакової ванни, то металевий плавкий електрод, розташовуваний зазвичай по центру шлакової ванни, гріє в цьому місці не тільки шлакову ванну, але і вносить із краплями рідкого металу дуже значну частину тепла в центральну частину металевої ванни. Такий характер теплопідведення вносить якісні зміни в умови плавлення електрода і формування металевої ванни; з'являються зовсім нові, відмінні від класичного ЕШП, особливості у взаємозв'язку температурних параметрів процесу і швидкості плавлення металу.

З метою дослідження зазначених особливостей були проведені спеціальні роботи, спрямовані на вивчення основних технологічних параметрів процесу електрошлакового переплаву витратного електрода за двоконтурною схемою і встановлення взаємозв'язку між ними.

Встановлено, що зміна співвідношення між потужністю на електроді (Pе) і потужністю на кристалізаторі (Pкр) на користь потужності на електроді при постійній потужності на шлаковій ванні (Pсум) і постійній швидкості подачі електрода (постійній продуктивності процесу - Q) призводить до збільшення температури шлакової ванни (Тшл) при зниженні величини заглиблення (Нзагл) електрода в шлак.

При плавці на постійній потужності на шлаковій ванні і підтримці постійним співвідношення між потужностями на кристалізаторі й електроді зі збільшенням швидкості подачі електрода збільшується швидкість його плавлення, а температура шлакової ванни зменшується.

Встановлено, що зі збільшенням сумарної потужності на шлаковій ванні при постійному співвідношенні між потужностями на електроді і кристалізаторі і підтримці постійним величини заглиблення електрода в шлак швидкість плавлення електрода і температура шлакової ванни збільшуються.

Зі збільшенням сумарної потужності на шлаковій ванні при відповідній зміні співвідношення між потужностями на електроді і кристалізаторі на користь кристалізатора при постійній величині заглиблення електрода в шлак можна підтримувати температуру шлакової ванни постійною при одночасному збільшенні швидкості плавлення електрода.

Встановлено, що зі збільшенням заглиблення електрода в шлак і постійній сумарній потужності на шлаковій ванні при відповідній зміні співвідношення потужностей на електроді і кристалізаторі на користь електрода можна підтримувати температуру шлакової ванни постійною при збільшенні швидкості плавлення електрода.

Двоконтурна схема ЕШП плавкого електрода дозволила значно послабити залежність швидкості плавлення електрода від підводжуваної потужності в порівнянні з класичною схемою переплаву. Температурні умови процесу при ЕШП ДС можуть регулюватися незалежно від його продуктивності. Це забезпечує можливість управління в більш широких межах об'ємом і формою металевої ванни і тим самим позитивно впливає на якість металу злитка ЕШП.

Плоску форму металевої ванни і відповідно осьову кристалізацію металу злитків можна одержати при виплавці злитків ЕШП за двоконтурною схемою зі співвідношенням потужностей на кристалізаторі й електроді як (60-75):(40-25) відповідно в залежності від міри легування металу електрода і його фізичних властивостей при загальній потужності (в КВА) на шлаковій ванні чисельно рівної приблизно 0,85 діаметра злитка (в мм). Одержання плоскої форми металевої ванни може бути забезпечене при плавленні електродів великого перерізу чи електродів малого перерізу, зібраних у пучок, а також електродів малого перерізу, подаваних з ексцентриситетом щодо осі кристалізатора при обов'язковому обертанні металевої ванни. Груба транскристалітна структура металу може бути послаблена за рахунок обертання шлакової і металевої ванн.