Технология электрошлакового литья

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Традиционными методами выплавки и разливки стали не удается достичь очень глубокой очистки металла от примесей. В процессе плавки металл контактирует с огнеупорной футеровкой и атмосферой, что приводит к его загрязнению неметаллическими включениями и газами. Затвердевание слитков в изложницах приводит к получению ряда дефектов кристаллизационного и ликвационного характера.

Задача коренного улучшения качества легированных сталей и сплавов и придания им комплекса уникальных свойств была решена на основе создания принципиально новых способов их получения путм переплава с использованием электрической энергии и рафинирования (т.е. очистки от вредных примесей) в особых условиях.

Эти новые процессы получили общее название специальные процессы плавки или специальная металлургия. К ним относится и электрошлаковый переплав.

В нашей стране ежегодно производятся многие сотни тысяч тонн электрошлакового металла. Сортамент металла ЭШП охватывает сегодня практически все виды и классы сталей и сплавов, все виды проката, выпускаемые металлургической промышленностью. Здесь сортовой прокат и проволока, толстый и тонкий лист, трубы и кольца, бандажи и пр. Весьма широк ассортимент электрошлаковых поковок и штамповок. Все больше становится разновидностей отливок, в том числе и фасонных, получаемых из электрошлакового металла.

Электрошлаковому переплаву (ЭШП) подвергают шарикоподшипниковые и инструментальные, конструкционные и высокопрочные, нержавеющие и жаростойкие стали, сплавы на железной, никелевой, никелекобальтовой и железоникелекобальтовой основе, медь и ее сплавы, электротехнические стали и сплавы, в том числе железоалюминиевые. В последние годы переплавляют высокореакционные и даже тугоплавкие металлы.

Наряду с переплавным процессом, т. е. собственно ЭШП расходуемого электрода, развиваются и другие направления электрошлаковой технологии, т. е. технологии, использующей в качестве источника нагрева джоулево тепло, выделяемое в синтетическом шлаке при прохождении через него электрического тока.

Важным новым технологическим процессом является электрошлаковое литье (ЭШЛ) и прежде всего такие его виды, как фасонное и центробежное, основанные на заливке электрошлакового металла в стационарную или вращающуюся форму.

Развиваются электрошлаковые процессы, в которых расходуемые электроды используются лишь частично либо вовсе не применяются (электрошлаковая отливка, в том числе и порционная, электрошлаковая обработка, электро-шлаковый обогрев, электрошлаковое рафинирование, электрошлаковая подпитка и др.).

Одним из новых применений электрошлакового процесса является его использование при электропечной выплавке стали из металлизованных железных окатышей, электрошлаковой выплавке синтетического чугуна из продуктов прямого восстановления железа (окатышей, губчатого железа).

Так или иначе, как бы ни назывался тот или иной вариант электрошлаковой технологии, его конечным продуктом является металл, то ли в виде слитка или отливки, то ли в виде поковкиили штамповки. Во всех случаях этот продукт носит общее наименование - электрошлаковый металл.

1. Технология электрошлакового литья

Элетрошлаковое литьё (ЭШЛ) - вид электрошлакового процесса (ЭШП), литейная технология с защитой металлической ванны от взаимодействия с воздухом находящейся сверху шлаковой ванной, подогреваемой проходящим через неё электрическим током. Используется, например, при изготовлении биметаллических прокатных валков.

Рабочая поверхность валков холодной прокатки должна быть износостойкой, а для этого - твёрдой. Иначе она быстро сомнётся. Дешёвый, но достаточно твёрдый материал - серый чугун. Но он не достаточно прочен. Весь же валок должен быть прочным, иначе он не выдержит нагрузки и сразу лопнет. Достаточно прочный материал - конструкционная сталь. Но она слишком мягкая. Можно сделать весь валок из инструментальной стали. Но инструментальная сталь дороже, а валок - не резец. У него значительно больше объём и масса, из-за чего такое изделие окажется много дороже большинства инструментов, а служит он всё равно недолго. Выход: сделать поверхность твёрдой, а основное тело валка - прочным. Для этого применяют плазменную наплавку инструментальной стали на конструкционную. Но во-первых, это лишь частично решает проблему дороговизны материала (инструментальной стали), а во-вторых, достаточно дорога сама технология. Одна из альтернатив - наворачивание цельно чугунного бандажа на цельно стальное основное тело валка (обе детали должны иметь резьбу). Но при эксплуатации таких валков бандаж сворачивается с основного тела валка. Кроме того, недостаточная прочность чугуна обуславливает формы разрушения бандажа в процессе эксплуатации, отличные от мгновенного хрупкого разрушения, в первую очередь по поверхности контакта бандажа с основным телом валка. Значит, нужен прочный белый чугун. Но белый чугун дороже серого. Электрошлаковое же литьё позволяет дешево отбелить серый чугун за счёт экономного легирования серого чугуна хромом. Эта же технология позволяет соединить сплавлением (сварить по всей поверхности контакта) бандаж и основное тело валка. При обычном литье аналогичных изделий диспергирование струи ведёт к избыточному окислению металла, а из-за слишком быстрой кристаллизации чугун шва будет иметь повышенную хрупкость (а не прочность) и не произойдёт сплавление достаточных объёмов стали и чугуна, из-за чего шов будет тонким и в нём не сформируется область плавного перехода по составу от чугуна к стали. Электрошлаковая же технология позволяет решить все эти проблемы. Поверхности кокиля (литейной формы, если она используется) и заготовок(ки) обмазываются фторидами и хлоридами щелочных и щёлочноземельных металлов, термическое разложение этих солей создаёт защитную атмосферу. Струя металла также диспергируется, но теперь это ведёт не к окислению, а к рафинированию металла. Рафинирование металла более интенсивно продолжается также и в шлаке. Остальные проблемы решаются подогревом зоны кристаллизации. Кроме того, элетрошлаковая технология позволяет создать переходный слой (шов) с рельефом двух встречных псевдорезьб. Этот рельеф и работает аналогично двум встречным резьбам (как у талрепа - резьбового приспособления для натяжения тросов), дополнительно скрепляя части изделия, но при этом, не допуская сворачивания бандажа.

Поддерживается также раздельное легирование зон отливки. При ЭШЛ в шлаковой ванне существует магнитное поле и в ней же протекает электрический ток. Силовые линии магнитного поля ориентированы вертикально, а вектор плотности электрического тока в любой точке имеет горизонтальные проекции. В результате взаимодействия электрического тока с магнитным полем возникает горизонтальная сила Лоренца. Радиальная компонента плотности тока обуславливает азимутальную составляющую этой силы, причём, во внешней и внутренней, относительно электрода, зонах знак радиальной проекции плотности тока противоположен, а направление магнитного поля совпадает. В результате направление азимутальной составляющей силы Лоренца в этих областях противоположно. А это ведёт к возбуждению двух встречных тороидальных потоков шлака. Причём, характер течения ламинарный. Поэтому оба потока не смешиваются. Материал электрода делится между ними ровно пополам, но даже его концентрация в различных зонах шлаковой ванны может быть не одинакова. Если эти зоны имеют различный объём, то в них концентрация материала электрода обратно пропорциональна объёмам зон. В металлической ванне (которая находится под шлаковой) имеет место диффузия, но состав до конца всё равно не выравнивается. Таким образом, электрод из порошковой проволоки можно использовать для раздельного легирования зон отливки. Кроме того, подача легирующих сверху непосредственно во внутреннюю, или во внешнюю зону шлаковой ванны позволяет добиться раздельного легирования, независимого от соотношения объёмов зон, так как присадки в одну зону вообще не попадают в другую.

2. Основы электрошлакового литья

2.1 Сущность и область применения метода электрошлакового литья

Получение заготовок деталей машин любым способом литья состоит в приготовлении металлического расплава и заливке его тем или иным способом в литейную форму. В процессе заливки и охлаждения в литейной форме расплав взаимодействует с газами воздуха и среды литейной формы, материалами, из которых она изготовлена.

Наряду с этими факторами ухудшение свойств литого металла по сравнению с металлом, обработанным давлением, связано также с нескомпенсированной усадкой расплава при затвердевании. В то же время следует отметить, что заготовки, получаемые обработкой давлением, часто имеют значительно большие, чем отливки, припуски на обработку резанием. При использовании поковок для изготовления крупных деталей машин отходы металла в стружку велики.

В Институте электросварки им. Е. О. Патона АН Украины разработан способ обработки металлов, позволяющий получать литьем точные крупные заготовки со свойствами металла, не уступающими поковке. Этот способ получил название «электрошлаковое литье».

Метод электрошлакового литья основан на процессе, который заключается в расплавлении металла за счет теплоты, выделяющейся в слое жидкого электропроводного шлака (шлаковой ванне) при прохождении через него электрического тока. Шлаковая ванна находится в водоохлаждаемом кристаллизаторе, имеющем форму будущей заготовки, и подсоединяется к источнику тока с помощью токоподводов.

Рис. 1. Схема получения отливки электрошлаковым литьем:

1 - электроды (стрелками показано направление их движения); 2 - кристаллизатор; 3 - стержень (наружной стрелкой показано направление его движения вверх; фигурной стрелкой - направление потока охлаждающей воды); 4 - шлаковая ванна; 5 - расплав; 6 - отливка; 7 - затравка.

Металлический неохлаждаемый токоподвод, торец которого погружен в шлак и расплавляется в нем, называется расходуемым электродом. Вторым токоподводом является поддон, на котором производится выплавка заготовки. По мере оплавления торца расходуемого электрода его подают в шлаковую ванну. Капли жидкого металла, образовавшиеся на торце, проходят через шлак, накапливаются под ним и создают жидкую металлическую ванну.

Интенсивный теплоотвод от металлической ванны к охлаждаемым стенкам обеспечивает направленную кристаллизацию переплавленного метала, а непрерывное накопление металлических капель приводит к перемещению ванны жидкого металла вверх.

Схема изготовления отливок электрошлаковым литьем представлена на Рис. 1. В кристаллизатор 6 заливают расплавленный шлак 4 (фторид кальция или смесь на его основе), обладающий высоким электросопротивлением. При пропускании тока через электрод 7 и затравку 1 выделяется значительное количество теплоты, и шлаковые ванна нагревается до 1700 оC, происходит оплавление электрода.

Капли расплавленного металла проходят через расплавленный шлак и образуют под ним металлическую ванну 3. Она в водоохлаждаемой форме затвердевает последовательно, образуя плотную без усадочных дефектов отливку 2.

Внутренняя полость образуется металлической вставкой 5. Расплавленный шлак способствует удалению кислорода, снижению содержания серы и неметаллических включений, поэтому получают отливки с высокими механическими и эксплуатационными свойствами.

Направленная кристаллизация слитка обеспечивает получение плотной структуры литого металла. Способ ЭШП был изобретен и разработан в институте электросварки им. Е.О. Патона АН УССР в начале 50-х годов. Первые лабораторные слитки ЭШП были выплавлены в 1953 г., а в 1958 г. было налажено промышленное производство слитков ЭШП на заводе «Днепроспецсталь». Высокая технологическая гибкость процесса ЭШП и хорошее качество переплавляемого металла способствовали быстрому внедрению процесса ЭШП в практику отечественной металлургии и машиностроения. Быстро увеличивалась и масса наплавляемого слитка.

Изготавливаются отливки ответственного назначения массой до 300 тонн: корпуса клапанов и задвижек атомных и тепловых электростанций, коленчатые валы судовых двигателей, корпуса сосудов сверхвысокого давления, ротора турбогенераторов.

Таким образом, в ходе электрошлакового процесса в кристаллизаторе последовательно формируется заготовка заданной формы с направленной структурой. Именно такая структура обеспечивает уникальные свойства литого электрошлакового металла, сочетающего в себе прочность кованого (деформированного) металла и очень высокой пластичности и вязкости.

Многочисленные исследования подтвердили этот факт [1]. В частности, используемые для изготовления корпусов энергетической арматуры малоуглеродистые легированные стали 20Х2М и 15Х2МФ в эдектрошлаковых отливках отличаются высокими показателями механических свойств в осевом, радиальном и тангенциальном напраалениях, в напраалении вдоль и поперек кристаллов, а также на границе их встречи [2].

Промышленность методом ЭШЛ серийно изготавливала заготовки корпусов клапанов и задвижек массой до 2 т с патрубками под сварку с условным проходом диаметром от 80 до 400 мм из теплоустойчивой стали 15Х1М1Ф и нержавеющей стали 0Х18Н10Т [2].

В связи с увеличением глубины добычи углеводородов резко возрос спрос на фланцевые задвижки, работающие при давлении до 70 МПа. Такие задвижки с условным проходом от 50 до 100 мм входят в комплект фонтанной арматуры, устанавливаемой на устье каждой скважины, а также используются для обустройства нефтяных и газоконденсатных промыслов.

Испытания литой электрошлаковой стали 15Х2МФ на термическую и малоцикловую усталость установили, что она и по этим показателям не уступает деформированной стали обычной выплавки, а по такой важной характеристике, как стойкость против хрупких разрушений, заметно превосходит ее [3].

Испытания среднеуглеродистой стали 40Х, которая может использоваться для изготовления корпусов задвижек фонтанной арматуры высокого давления, также показали, что в литом электрошлаковом виде она имеет более высокую стойкость против хрупкого разрушения, чем исходный прокат обычной выплавки [1].

2.2 Технологические основы формообразования отливок электрошлаковым литьем

Таким образом, суть процесса электрошлакового литья заключается в том, что приготовление расплава (плавка) совмещено по месту и времени с заполнением литейной формы: отливка последовательно наплавляется в форме [5].

Первый этап состоит в получении стали в обычном сталеплавильном агрегате (дуговая электропечь, мартеновская печь, кислородный конвертер). Уже на этом этапе стараются получить сталь с возможно низким содержанием вредных примесей, газов и неметаллических включений.

Второй этап состоит в изготовлении из выплавленной стали длинномерных заготовок - электродов для последующего переплава в установках ЭШП. Эти электроды (круглого, квадратного или прямоугольного сечения) отливают в специальные изложницы или используют заготовки, получаемые непрерывной разливкой стали на МНЛЗ. В некоторых случаях электроды получают путем прокатки обычных слитков квадратного или прямоугольного сечения.

Литейная форма при ЭШЛ выполняет две функции: служит устройством и для приготовления расплава, и для формирования отливки. Это позволяет использовать преимущества процесса ЭШЛ для повышения качества металла отливок.

При ЭШЛ качество отливок обусловлено особенностями формирования отливки. Перенос капель расплава с конца электрода через шлаковую ванну, интенсивное взаимодействие расплава со шлаком, последовательная и направленная кристаллизация расплава при высокой интенсивности охлаждения способствуют удалению из расплава неметаллических включений и растворенных газов, получению плотного однородного металла отливки.

На кристаллическое строение отливки существенное влияние оказывает направление тепловых потоков: основное количество теплоты отводится в осевом направлении. Переносу теплоты в радиальном направлении препятствует тонкая корочка низкотеплопроводного шлака между отливкой и кристаллизатором.

Основное количество теплоты подводится в верхнюю часть отливки расплавленным электродом, а высокий перегрев шлаковой ванны создает градиент температур в осевом направлении. В результате расплав кристаллизуется в осевом или радиально-осевом направлениях [4].

Это способствует формированию в отливке столбчатых кристаллов и благодаря осевой или радиально-осевой их направленности - непрерывному питанию растущих кристаллов; в отливке исключаются усадочные дефекты, трещины, ликвационная неоднородность.

Химический состав металла в отливке по основным элементам практически не изменяется по сравнению с металлом электрода, но содержание кислорода и азота снижается в 1,5-2 раза, понижается концентрация серы и уменьшается в 2-3 раза загрязненность металла неметаллическими включениями [4]. При этом неметаллические включения становятся мельче и равномерно распределяются в отливке. Особенности формирования отливки оказывают положительное влияние на механические свойства металла: улучшается микроструктура, резко возрастают пластические свойства. Поэтому механические свойства отливок ЭШЛ выше, чем у поковок и проката из металла одинакового химического состава [4].

Поскольку отливка выплавляется в металлической форме, по-крытой изнутри тонким слоем шлака, качество поверхности отливки получается высоким, отливка не требует очистки, а во многих случаях и обработки резанием.

3. Центробежное электрошлаковое литье

Установка центробежного электрошлакового литья состоит из установки электрошлакового переплава и центробежной машины. Принцип действия установки ЭШП, тот что мы уже описывали: за счет джоулева тепла выделяющегося при прохождении тока сквозь шлак, последний разогревается до температуры выше температуры плавления стали на 150-200'С, происходит плавление расходуемого электрода, который непрерывно подается в плавильную емкость и накопление металла в тигле. Процесс протекает под слоем флюса, который защищает расплавленный металл от взаимодействия с воздухом, что предотвращает протекание окислительных процессов. По мере расплавления электрода (или нескольких электродов), тигель заполняется жидким металлом.

После наплавления необходимого объема металла, расплав из тигля сливается во вращающуюся изложницу центробежной машины. Первым в изложницу поступает шлак, смачивая внутреннюю поверхность формы и образуя на ней корочку керамического гарнисажа. Затем начинает поступать жидкий металл, причем во время слива на поверхности струи металла присутствует пленка из шлака, защищающая её от контакта с воздухом. Жидкий металл кристаллизуется без соприкосновений с формой и не прилипает к ней. Под воздействием центробежных сил сталь (как наиболее плотный материал) прижимается к стенкам изложница, а шлак (имеющий значительно меньшую плотность выдавливается к центру, в центральное отверстие отливки). В результате отливка остывает и кристаллизуется по идеальной схеме: от наружных стенок к центру. Очень положительное влияние оказывает шлак, который, обладая низкой теплопроводностью, не позволяет остывать внутренней поверхности отливки. Таким образом, металл, находящийся в жидком состоянии во внутренней части отливки, по сути дела работает как прибыль. За счет этого исключается образование усадочных дефектов.

Отливка в изложнице выдерживается из расчета 10 кг -- одна минута выдержки, т.е. за 30 минут в форме кристаллизуется отливка массой 300 кг. После застывания отливки её извлекают из изложницы и в течении 2 - 3 минут выбивают шлак из её центрального отверстия. В дальнейшем отливку опускают в термос и, под действием внутреннего тепла, она отжигается без образования микротрещин, даже если в литейном цеху отрицательная температура. Качество поверхности отливок произведенных способом электрошлакового литья позволяет оставлять минимальные припуски на мех обработку 3 - 5 мм. Механические свойства литого металла не уступают свойствам поковки.

Центробежное электрошлаковое литье (ЦЭШЛ) является на сегодняшний день самым прогрессивным и экономически обоснованным методом производства литых фланцев и литых фланцевых соединений.

4. Суть электрошлакового переплава

В донной части водоохлаждаемого медного кристаллизатора размещается затравка, которая служит одним из электродов. Второй переплавляемый (расходуемый) электрод (обычно прокат круглого сечения) располагается сверху. В кристаллизатор (в пространство между электродами) заливают жидкий, предварительно расплавленный синтетический шлак специального состава. Шлаковая ванна обладает малой электропроводностью. При прохождении через нее электрического тока выделяется большое количество тепла, что позволяет нагреть шлаковую ванну до 1700'С и выше. При этом погруженные в нее концы электродов оплавляются. Капли расплавленного металла стекают низ на дно кристаллизатора, проходя сквозь шлаковую ванну, собираются в зоне кристаллизации на поверхности затравки, образуя под слоем шлака ванну металлического расплава. Металлическая ванна непрерывно пополняется в верхней части расплавом от плавящихся электродов и последовательно затвердевает в нижней части вследствие отвода теплоты через стенки кристаллизатора. Электрод, по мере оплавления, постепенно опускаются вниз.

«Принципиальная схема процесса электрошлакового литья ничем не отличается от ЭШП. Как там, так и здесь главное действующее «лицо» -- шлак. Играет он сразу пять ролей: служит нагревательным элементом -- источником тепла, под действием которого плавится металл расходуемого электрода, «чистилищем» для расплавленного металла, надежной защитой его от контактов с окружающей атмосферой, тепловой надставкой над кристаллизующимся металлом, что способствует получению отливки, свободной от усадочной раковины, и, наконец, образует на боковой поверхности отливки гарнисаж -- тонкую шлаковую корочку, которая препятствует взаимодействию металла с материалом формы и, уменьшая отвод тепла в горизонтальном направлении, также способствует формированию отливки без осевой рыхлости и усадочной раковины. Кроме того, благодаря гарнисажу отливка получается с такой чистой поверхностью, что последующая механическая обработка практически не требуется», -- рассказывает Георгий Александрович БОЙКО руководитель лаборатории Института электросварки, лауреат Государственной премии УССР, кандидат технических наук.

Таким образом, при ЭШЛ отпадает необходимость в плавильных печах, приготовлении формовочных и стержневых смесей, формовке, литниковых системах и прибылях. Отливки характеризуются высоким качеством металла и поверхности.

Вместе с тем для изготовления отливки требуется достаточно сложная и дорогостоящая литейная форма, специальные заготовки - электроды из проката или полученные предварительно литьем.

Рис. 2. Схема выплавки кривошипа коленчатого вала судового дизеля способом электрошлакового литья:

1 - плавильный карман (стрелка вверх - направление его движения); 2 - кристаллизатор; 3 - ранее выплавляемая часть изделия; 4 - выплавляемая часть изделия; стрелка вниз - направление движения электрода.

Накопленный производственный опыт показывает, что наиболее выгодно использовать этот процесс для получения отливок из специальных сталей и сплавов и отливок ответственного назначения, к которым предъявляются повышенные требования по качеству металла, механическим свойствам [5]. электрошлаковый литье сталь центробежный

Кристаллизаторы для ЭШЛ обычно изготовляют из меди, их делают тонкостенными, водоохлаждаемыми. В зависимости от предназначения используют кристаллизаторы двух типов: для выплавления отливки целиком (см. Рис. 1) и для выплавления только объединяющей части изделия, а остальные части, изготовленные заранее, устанавливают в соответствующие отверстия литейной формы и во время выплавки приплавляют их к объединяющей части изделия (Рис. 2).

Для выплавки фасонных отливок сложной формы используют кристаллизаторы, имеющие вертикальный и горизонтальный разъемы. Разъемные литейные формы бывают двух типов: с разборкой после окончания процесса получения отливки и с подвижными частями для уменьшения напряжений в отливке, возникающих при ее усадке (см. Рис. 2).

Литейные формы с подвижными частями для ЭШЛ с переливом состоят из неподвижной (формообразующей) и подвижной (плавильной) частей. Формы рассмотренных типов позволяют использовать для ЭШЛ универсальные установки [5].

5. Состояние ЭШЛ в Российской Федерации и за рубежом

Автором использования сварочного процесса для получения отливок является талантливый инженер Николай Гаврилович Славянов, впервые в мире применивший на практике в 1888 году дуговую сварку металлическим (плавящимся) электродом под слоем флюса. Пионером в освоении электрошлаковых технологий, разработке и производстве оборудования и оснастки для реализации технологического процесса выступил Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины.

Началом проведения исследовательских работ послужили наблюдения Г.З. Волошкевича, во время проведения восстановительных работ специалистами ИЭС им. Е.О. Патона на металлургическом заводе «Запорожсталь» после окончания Великой Отечественной войны. При выполнении вертикальных швов дуга под флюсом иногда гасла, но процесс сварки не прекращался, а переходил в бездуговой. При этом флюс полностью расплавлялся и именно в это время в сварочном зазоре формировалось вместо шва нечто в виде отливки, отделенной от свариваемых кромок шлаковым гарнисажем.

Обратив внимани е на высокое качество литого металла шва специалисты пришли к выводу, что с помощью электрошлакового процесса, путем переплава расходуемого электрода, можно получать высококачественный металл. В 1952 году ИЭС им. Е.О. Патона в специальном водоохлаждаемом кристаллизаторе выплавляет первые электрошлаковые слитки массой несколько килограммов. Металл слитков обладал превосходными физико-механическими свойствами и был изотропен. Это послужило основанием для выдвижения идеи использования электрошлакового процесса в металлургии. Так в 50-е годы в институте началась разработка технологии электрошлакового переплава (ЭШП).

Георгий Александрович отмечает: «Свою рафинирующую функцию шлак выполняет на всех стадиях контакта с металлом: соприкасаясь с оплавляющимся электродом, во время прохождения капель металла через шлаковую ванну и на границе ее раздела с металлической ванной. Благодаря такой активной обработке металла из него удаляются неметаллические включения, вредные примеси и газы. Например, в конструкционных сталях общее количество включений снижается более чем в 2 -- 3 раза. Главный эффект в улучшении свойств металла приносит очистка от серы (десульфурация) -- наиболее опасной и крайне нежелательной примеси для большинства сталей и сплавов, ее повышенное содержание в стали ведет к «красноломкости», резко снижает пластичность, свариваемость. Очень важно, что рафинирующим действием шлака можно управлять. Меняя его состав, удается избирательно рафинировать от тех или иных примесей».

Понимая, что классическая технология ЭШЛ мало пригодна для производства отливок сложной конфигурации и малой массы, ИЭС им. Е.О. Патона в 70-х годах минувшего столетия проводит работы по развитию процесса ЭШЛ с использованием слива жидкого металла. В это время разработана новая технология - электрошлаковая тигельная плавка, которая предусматривала переплав в керамическом тигле расходуемого электрода, составленного преимущественно из отходов производства (изношенных или бракованных деталей) и последующую разливку металла вместе со шлаком в металлическую или керамическую форму. Технология с использованием кокиля получила название - электрошлаковое кокильное литье (ЭКЛ), технология разливки во вращающуюся изложницу - центробежное электрошлаковое литье (ЦЭШЛ). В 80-е годы ИЭС им. Е.О. Патона разрабатывает новые установки для разливки во вращающуюся форму, наиболее совершенной из которых является ЦЭШЛ УШ-148, позволяющая получать отливки массой до 350 кг и диаметром до 1000 мм.

6. Современное оборудование для электрошлакового литья

Электрошлаковое литье основано на электрошлаковом процессе плавления расходуемого электрода. Электрод расплавляется с использованием теплоты, выделяющейся в электропроводном шлаке при прохождении через него электрического тока. Отливка при электрошлаковом литье кристаллизуется в тонкой корочке шлакового гарнисажа. В результате замедленной и строго направленной кристаллизации небольшого количества жидкого металла обеспечивается его высокая химическая и структурная однородность. Типичными представителями деталей, получаемых методом электрошлакового литья являются: заготовки штампового и режущего инструмента, заготовки крупногабаритных шестерен, колец, шкивов, зубчатых колес, различного вида вилки, проушины, корпуса, цапфы, биметаллические заготовки типа червячных колес, прокатных роликов и т. д.

Разработаны технологические процессы и оборудование для получения ряда заготовок деталей методом электрошлакового переплава. Установка электрошлакового переплава предназначена для получения слитков легированных сталей или биметаллических литых заготовок червячных колес. Разработаны следующие технологические процессы ЭШП: электрошлаковая наплавка; электрошлаковое литье в водоохлаждаемый кристаллизатор; электрошлаковое кокильное литье; электрошлаковое центробежное литье; электрошлаковое литье в комбинированные металло-песчаные формы.

Установка ЭШП включает в себя механизм захвата, перемещения и коррекции электрода, источник питания, короткую сеть, устройство жидкого старта, механизм извлечения заготовок из кристаллизатора, и систему управления установкой.

Технические преимущества установки электрошлакового переплава заключаются в следующем: однастадийность процесса переработки лома инструментальных сталей (нет необходимости в отдельном проведении металлургических процессов десульфации, вакуумирования и внепечной обработки для снижения количества вредных и неметаллических включений); универсальность оборудования (возможно получение на одной установке слитков легированных сталей а также биметаллических заготовок); повышенная химическая однородность слитков и наплавленной части биметаллических заготовок, обусловленная наличием процесса направленного затвердевания и малым объемом жидкого металла при электрошлаковом переплаве в водоохлаждаемые кристаллизаторы; компактность оборудования и простота его обслуживания.

Способ позволяет получать отливки в водоохлаждаемой металлической форме путем приготовления жидкого металла непосредственно в ее полости методом электрошлакового переплава расходуемого электрода.

Операция приготовления расплава, заливка и выдержка отливки в форме совмещены по месту и времени.

В медный кристаллизатор 1, представляющий собой водоохлаждаемую форму из металла, заливают расплавленный шлак 2, в который погружают расходуемый электрод 3. Источник питания подает напряжение 45-60 В, обеспечивая ток 20 А на 1 мм диаметра электрода; в цепи - кристаллизатор 1, затравка 4, шлак 2, электрод 3 (рис. 3). Так как электрическое сопротивление шлака высокое, то он нагревается на 200-300°С выше температуры плавления стали. В результате электрод 3 плавится, капли металла проходят через шлак и заполняют металлическую форму - кристаллизатор. Расплав, проходя через шлак, рафинируется (очищается от серы, газов), модифицируется магнием и кальцием при их восстановлении из шлака.

Рис. 3 Схема получения отливки электрошлаковым литьем:

1 - кристаллизатор; 2 - расплавленный шлак; 3 - электрод; 4 - боковой стержень; 5 - источник тока; б - ванна расплавленного металла;
7 - канал электродугового разряда; 8 - капли расплавленного металла электрода 3; 9 - затравка

Для получения отливки не нужны литниковая система и прибыли. Повышенная плотность металла, его чистота (по содержанию вредных примесей и неметаллических включений) обеспечивают высокие механические свойства отливок. Поверхность отливок гладкая. При производстве отливок не нужны формовочные смеси. Получают заготовки массой до 300 кг. В связи с отсутствием прибылей и литников обеспечивается большой Kим. Способ конкурирует со штамповкой и сваркой при изготовлении ответственных деталей. Коэффициент выхода годного приближается к 100%.

Способ применяют для получения заготовок прокатных валов, шатунов судовых двигателей, роторов турбогенераторов и т.д. Способ применяют для получения заготовок кубиков ковочных штампов.

Заключение

В представленной работе рассмотрены технологические основы формообразования отливок электрошлаковым литьем. Приведены основные термины и определения, коротко описана сущность процесса. Бегло изучены особенности используемых форм и формообразования и качественные характеристики получаемых отливок.

Процесс ЭШП имеет более широкие возможности, чем вакуумные переплавы. Он может удовлетворить самые разнообразные потребности промышленности. Этому способствуют высокая гибкость и универсальность процесса. Универсальность процесса находит свое выражение в многообразии электрических схем и конструкций печей, а также в возможности использования оборудования для различных специальных целей.

Возможность управления процессом в относительно широком диапазоне параметров определяет его гибкость и одновременно расширяет возможности применения. Высокая гибкость процесса ЭШП определяется значительно большим, чем при ВДП, количеством регулируемых параметров (химический состав шлака, глубина шлаковой ванны и ее температура, состав газовой фазы над шлаком) и более широким диапазоном их регулирования (скорость плавления, соотношение сечения электрода и кристаллизатора).

Большим преимуществом ЭШП по сравнению с ВДП является относительно низкая стоимость оборудования. Процесс переплава протекает в обычной атмосфере. При этом используется переменный ток, что исключает необходимость иметь вакуумные системы и достаточно сложные источники питания. Оборудование для ЭШП проще и надежнее, чем для ВДП. Процесс ЭШП легко управляем.

Возможности ЭШП использованы далеко не полностью. Простота и значительные преимущества процесса открывают все новые области его применения. Одной из таких областей, которая, несомненно, будет развиваться в будущем, является производство крупных заготовок массой до нескольких сот тонн.

Список литературы

1 Новые возможности электрошакового фасонного литья. / Б.Е. Патон, Б. И. Медовар, Г. А. Бойко и др. // Специальная электрометаллургия. Часть 1. Киев, Наукова думка, 1972, с. 126-130.

2 Электрошлаковое литье заготовок корпусов задвижек, работающих при высоком давлении /М.А. Поле щук, Л.Г. Пузрин, B.JI. Шевцов и др.// Современная электрометаллургия. - 2009, №1, с. 12-17.

3 Электрошлаковый металл / Под. ред. Б.Е. Патона, Б.И. Медовара // - Киев: Наук. думка, 1981. - 680с.

4 Электрошлаковое литье вместо ковки / B.Л. Шевцов, M.Л Жадкевич, В.Я. Майданник и др. // Современная электрометаллургия. - 2003, №3, с. 3-8.

5 Гини Э.Ч., Зарубин А.М., Рыбкин В.А. Технология литейного производства. Специальные виды литья - Учебник для ВУЗов. - Под. ред. В.А.Рыбкина. - М.: Академия, 2005. -352 с.

6 Статья в «Большом энциклопедическом словаре» «Электрошлаковое литьё».

7 Учебный фильм "Электрошлаковая технология".

Размещено на Allbest.ru