Электрошлаковый переплав. Технологические схемы ЭШП. Флюсы ЭШП. Перспектива развития ЭШП.
Общая характеристика эшп
Электрошлаковый переплав (Э.п.) - это электрометаллургический процесс, при котором металл (расходуемый электрод) переплавляется в ванне электропроводного синтетического шлака под действием тепла, выделяющегося в шлаке при прохождении через него электрического тока. Э. п., существенно повышающий качество металлов и сплавов, разработан в начале 50-х гг. 20 в. в институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР на основе электрошлакового сварочного процесса (Расходуемый электрод представляет собой отливку, прокатное изделие или поковку из металла, полученный в мартеновской, дуговой, вакуумно-индукционной печах или кислородном конвертере. В процессе Э. п. температура шлака, состоящего из CaF2, CaO, SiO2, Al2O3 и других компонентов, превышает 2500°С. Капли жидкого электродного металла проходят через слой шлака и образуют под ним слой металла, из которого при последовательном затвердевании в водоохлаждаемом кристаллизаторе формируется слиток.
По мере оплавления расходуемый электрод подаётся в шлаковый слой, непрерывно восполняя объём кристаллизующегося металла. Шлак является рафинирующей средой. Электрошлаковое рафинирование металла происходит в плёнке жидкого металла на оплавляющемся конце электрода, при прохождении капель металла через шлаковую ванну и на поверхности раздела шлаковой и металлической ванн.
Изменяя состав шлака и температурный режим процесса, осуществляют избирательное рафинирование металла. В результате Э. п. содержание серы снижается в 2—5 раз, кислорода и неметаллических включений в 1,5—2,5 раза. Слиток характеризуется плотной направленной микроструктурой, свободен от дефектов литейного и усадочного происхождения. Химическая и структурная однородность слитка обусловливает изотропность физических и механических свойств металла в литом и деформированном виде. Способом Э. п. получают слитки массой от десятков г до 200 т практически любой нужной формы, определяемой формой кристаллизатора. Наряду с передельными (для прокатки сортовых профилей, труб и листа) и кузнечными (для ковки, прессования и штамповки) слитками производят фасонные отливки (коленчатые валы, корпуса запорной арматуры, сосуды давления, зубчатые колёса и др.). Э. п. применяется в чёрной металлургии (шарикоподшипниковые, конструкционные, нержавеющие, инструментальные стали, жаропрочные сплавы), цветной металлургии (хромистая бронза, никелемедные сплавы), тяжёлом машиностроении (теплоустойчивые, высокопрочные штамповые, валковые стали). Процесс запатентован и используется по советской лицензии во многих странах. Часть тепла шлаковой ванны передается погруженному в нее торцу электрода, который оплавляется, а капли металла, проходя через шлак, очищаются от вредных примесей. Химический состав применяемых флюсов отличается высокой основностью. Наплавляемый в водоохлаждаемый кристаллизатор металл формируется в плотный слиток с однородной макроструктурой, отличающейся ровной гладкой поверхностью, которая не требует дополнительной механической обработки (обдирки) перед прокаткой, ковкой. Хорошая поверхность слитка, получаемого в установках ЭШП, связана с образованием на поверхности кристаллизатора шлакового гарнисажа.
Высокая основность и температура шлаковой ванны обеспечивают высокую степень удаления серы (от 0,015—0,02 до 0,003—0,006%). Кроме того, при электрошлаковом переплаве из металла удаляются газы и неметаллические включения. Так, если сталь не содержит нитридообразующих элементов (титана, ниобия), то содержание кислорода снижается в 2 раза, водорода — в 1,5—2,0 раза, азота — в 1,5—2,5 раза, общее содержание неметаллических включений — в 2—Зраза. Необходимо отметить, что степень удаления газов при электрошлаковом переплаве стали меньше, чем при вакуумно-дуговой плавке.
Схема электрошлакового переплава с одним (а) и двумя (б) расходуемыми электродами: 1 — расходуемый электрод; 2 — шлаковая ванна; 3 — металлическая ванна; 4 — слиток.
Процесс плавки включает следующие операции: вспомогательные (разгрузка слитка из кристаллизатора, установка расходуемого электрода и соединение его с головкой электрододержателя), наведение шлаковой ванны, наплавление слитка в кристаллизатор и выведение усадочной раковины. Шлаковая ванна может наводиться с применением твердого или предварительно расплавленного флюса. Для расплавления твердого флюса непосредственно в кристаллизаторе применяют специальные электропроводящие в холодном состоянии смеси. При этом перед загрузкой смеси на медный поддон кристаллизатора укладывают затравку - шайбу из углеродистой стали. Расход флюса независимо от способа наведения шлака составляет обычно 3-5 % массы слитка.
В конструктивном отношении установки ЭШП относительно просты по сравнению с ВДП, так как они работают в основном на воздухе и не требуют герметичности и сложных вакуумных откачных систем. Установка ЭШП включает следующие узлы: кристаллизатор, стойку-колонну, по которой с помощью специального механизма перемещается каретка электрододержателя или кристаллизатор, электрододержатель с механизмом зажима электродов, поддон, тележку для установки и отката кристаллизатора, устройство для сифонной заливки шлака в кристаллизатор.
Установки ЭШП нашли широкое применение в металлургии и машиностроении для получения слитков сплошного сечения цилиндрической, квадратной и прямоугольной форм (табл. 1). Наряду с получением слитков сплошного сечения метод ЭШП применяют, как было сказано выше, для выплавки полых слитков. Для этого созданы специализированные установки ЭШП. Схема выплавки полых слитков с расположением электродов в кольцевом зазоре, образуемом наружным и внутренним кристаллизаторами (дорном), является наиболее распространенной. При выплавке относительно коротких полых слитков целесообразно иметь внутренний кристаллизатор, подвижный относительно наружного кристаллизатора и поддона. Если внутренний кристаллизатор остается по ходу плавки неподвижным, то в этом случае поддон со слитком и наружным кристаллизатором должен подниматься вверх.
Методом электрошлакового переплава получают также фасонные литые отливки ответственного назначения. Технологические возможности ЭШП велики, и они еще себя полностью не исчерпали.