4.4. Электрошлаковая технология
Изобретённая в начала пятидесятых годов электрошлаковая сварка (см. разд.2.2) стала основой для нового технологического направления в заготовительном производстве тяжелого транспортного, химического машиностроения и в раде других отраслей. Это направление, получившее название электрошлаковая технология (ЭШТ), включает такие процессы, как электрошлаковый переплав (ЭШП), электрошлаковое литье (ЭШЛ) и некоторые другие, рассматриваемые в специальной литературе.
Для изготовления многих машин и агрегатов, таких как краны, прессы, конвертеры, станины прокатных станов и металлорежущих станков, сталеразливочные ковши и т.п., используется листовой прокат из низколегированной стали толщиной 40 мм и более. При обычном способе выплавки стали (открытая выплавка в мартеновских печах или конвертерах) в толстолистовом металле нередко обнаруживается строчечная микроструктура с ярко выраженными скоплениями сульфидных и оксидных включений, обусловливающих значительную анизотропию прочностных свойств и появление, так называемых, расслоений. Металл с такими дефектами не пригоден для ответственных конструкций, поэтому нередко бракуются большие его партии.
ИЭС им. Е.О. Патона совместно с рядом металлургических и машиностроительных заводов были разработаны промышленные установки и технология ЭШП, позволяющие получить чистый металл без вредных примесей, газов и неметаллических включений.
Как же осуществляется процесс ЭШП?
Расходуемый металлический электрод 1 (рис.4.12), подключенный к источнику тока, нижним концом погружают в расплавленный электропроводный шлак 2, обладающий большой рафинирующей (очищающей) способностью. При прохождении сильного тока через шлак он нагревается до высокой температуры, что вызывает разогрев и плавление электрода. Капли металла 3 проходят сквозь толщу шлаковой ванны, очищаются от примесей и опускаются на ее дно, образуя металлическую ванну 4. Все это происходит в водоохлаждаемом кристаллизаторе 5, где металл постепенно, направленно - снизу вверх - кристаллизуется. По мере оплавления электрод подается в шлаковую ванну, поэтому объем металлической ванны непрерывно восполняется. В результате образуется слиток металла 6 сверхвысокого качества. Часть шлака кристаллизуется на боковых поверхностях слитка, образуя шлаковую корочку (гарнисаж) 7.
Полученный слиток можно использовать для получения проката или как заготовку для будущей детали.
Достоинства ЭШП были столь убедительны, что за короткое время была создана принципиально новая специальная электрометаллургия. быстро распространившаяся во многих развитых странах..
Достижения ЭШП создали предпосылки для развития и других процессов ЭШТ, в частности, электрошлакового литья. Действительно, ведь сам ЭШП, по существу, литейная технология, посредством которой получают заготовки простой конфигурации: слитки прямоугольного или круглого сечения.
При традиционном литейном производстве заранее приготавливают жидкий металл в различных печах, а затем его заливают в предварительно изготовленную литейную форму. На различных стадиях литья изделий (плавка металла, его транспортировка от печи до формы, разливка) может происходить загрязнение металла от взаимодействия с воздухом, огнеупорными материалами ковша, с самой формой. Кроме того, в процессе кристаллизации жидкого металла в форме неизбежно возникает химическая и структурная неоднородность по объему отлитой детали (ликвация).
Рис.4.12. Схема процесса электрошлакового переплава.
По сравнению с традиционным литьем ЭШЛ имеет неоспоримые преимущества. Для его выполнения не нужны плавильные печи, разливочные ковши, формовочные смеси, земляные формы.
Для осуществления ЭШЛ нужно практически такое же оборудование. как и для ЭШП. Главное отличие здесь в конструкции кристаллизатора, который усложняется в соответствии с усложнением формы отливки (рис.4.13). Применение ЭШЛ эффективно как при изготовлении уникальных, единичных изделий, так в отдельных случаях массового производства. Одно из главных достоинств ЭШЛ – значительная экономия металла при замене поковок отливками.
Рис.4.13. Схема электрошлаковой выплавки корпуса запорной арматуры: 1 – расходуемые электроды; 2 – водоохлаждаемый кристаллизатор; 3 – шлаковая ванна; 4 – металлическая ванна; 5 – отливка; 6 – водоохлаждаемый дорн; 7 – затравка.
Сегодня ЭШЛ находит широкое применение в энергетическом машиностроении (запорные клапаны и задвижки для паропроводов сверхвысокого давления), судовом машиностроении (главные детали судового дизеля - коленчатый вал, шатун и т.д.), в металлургическом машиностроении (кузнечные штампы, прокатные валки и др.).
Без преувеличения можно говорить о принципиально новой технологии получения первоклассных отливок на стыке сварочной технологии и литейного производства, включая фасонное, кокильное и центробежное литье.
Можно утверждать, что в обозримом будущем электрошлаковая технология будет широко использоваться как в металлургии, так и в машиностроении.