Преимущество электрошлакового переплава

 

    Развитие машиностроения, металлургии, горнодобычи, нефтяной, газовой промышленности, нефтехимии, газотурбостроения, авиакосмической техники, ядерной энергетики требует производства специальных сталей и сплавов, способных работать в разнообразных условиях: от температур, близких к абсолютному нулю, до температур в несколько тысяч градусов; в агрессивных средах; при высоких давлениях, при значительных ударных, статических и вибрационных нагрузках и т.д.  При этом постоянно возникает необходимость в создании новых металлических сплавов, обладающих специальными свойствами.

    Специалистами компании ЭПОС-Инжиниринг были разработаны целые линейки оборудования для решения этих важнейших металлургических задач, что обеспечило заказчикам весомые преимущества перед конкурентами.

    Металлургическое качество металла – одна из важнейших характеристик, обусловливающих его работоспособность в конструкции детали или изделии. Многие ответственные детали, узлы и конструкции в настоящее время изготавливаются только из металла высокого качества. К такому виду продукции относятся: подшипники, коленчатые валы, валы-шестерни, прокатные валы, качественный инструмент, штампы и другие детали, от которых требуется высокая прочность, повышенное сопротивление контактной усталости или усталости при повторно-переменных изгибающих нагрузках; сосуды высокого давления, малочувствительные к концентраторам напряжений; роторы паровых и атомных генераторов и другие большегрузные детали энергетического машиностроения с высоким сопротивлением хрупкому разрушению в больших сечениях; нефтехимическая аппаратура, стойкая против коррозии под напряжением в различных агрессивных средах, а также многое другое. Для получения стали высокого качества необходимо, чтобы она соответствовала высокому стандарту чистоты, имела контролируемое содержание и состав неметаллических включений, газов и других вредных примесей, чтобы слиток был, как выражаются, «плотный».

    Обычные методы производства сталей и сплавов, даже при достигнутом существенном их усовершенствовании, не могут в полной мере обеспечить уровень качества металла, отвечающий требованиям, выдвигаемым новыми отраслями техники. Решение этой задачи оказалось возможным с появлением но¬вых способов получения слитков, эти способы составляют область спецэлектрометаллургии. Наиболее широкое практическое применение ввиду экономичности и высокой эффективности, получил способ электрошлакового переплава (ЭШП).

    Установки ЭШП (электрошлаковый переплав) позволяют значительно повысить качество металла, что вызвано действием следующих факторов:

  • Отсутствует контакт жидкого металла с футеровкой и воздухом, это позволяет исключить загрязнение металла во время переплава;
  • Пленочный характер плавления и капельный перенос жидкого металла способствует его интенсивному взаимодействию с рафинирующей средой и очистке металла от газов, примесей  и неметаллических включений;
  • Одновременно и медленно протекающие процессы плавления металла и его затвердевания в водоохлаждаемом кристаллизаторе создают условия для получения квазистационарной жидкометаллической ванны небольшого объёма, что определяет возможность получения роста кристаллов перпендикулярно границе жидкой и твердой фаз, всплывания включений и отсутствие дефектов усадочного и ликвационного характера;
  • Широкая регулировочная способность по тепловому режиму позволяет обеспечить заданную форму жидкой металлической ванны (а, следовательно, и фронта кристаллизации), что дает возможность получать неизменную по высоте слитка структуру, оптимальную по необходимым свойствам металла с учетом дальнейшего передела слитков.

    Сегодня всё большее распространение получают такие методы электрошлаковой технологии, как электрошлаковый переплав в водоохлаждаемый кристаллизатор (ЭШП) и электрошлаковое тигельное литьё (ЭШЛ), электрошлаковая сварка.

Схема процесса электрошлакового переплава, проводимого в кристаллизаторе

    Электрошлаковый переплав – это процесс, при котором расходуемый металлический электрод, изготовленный из металла обычного производства, переплавляется в ванне электропроводного синтетического шлака. Электрический ток проходит от электрода в шлак. Под действием джоулева тепла, выделяющегося в жидком шлаке при прохождении через него электрического тока, электрод плавится. Капли жидкого металла, проходя через шлаковую ванну, образуют металлическую ванну, которая, последовательно затвердевая снизу вверх в охлаждаемом кристаллизаторе, образует слиток. По мере сплавления расходуемый электрод подается в шлаковую ванну, непрерывно восполняя объем кристаллизующейся металлической ванны.

    Плавящийся металл обрабатывается шлаком, предварительно подобранного химического состава, в трех зонах: на рабочей поверхности электрода, находящейся в шлаке, стекающей пленке металла, на поверхности капель при их прохождении через шлаковую ванну и на поверхности жидкометаллической ванны. 

  Температурный режим процесса поддерживается за счет управления вводимой мощностью. Все это позволяет избирательно рафинировать практически любые металлы и сплавы. В результате при переплаве стальных слитков содержание серы можно снизить в 2-5 раз, кислорода и неметаллических включений – в 1,5-2,5 раза. Кроме этого, качество получаемого слитка улучшается за счет направленной кристаллизации, обеспечиваемой условиями непрерывного подвода тепла сверху (от электродного металла и шлаковой ванны) при отводе тепла в слиток и стенку кристаллизатора, образованием между слитком и стенкой кристаллизатора шлакового гарниссажа, уменьшающего теплоотвод в горизонтальном направлении и позволяющего получать слитки с гладкой поверхностью. 

    В результате при ЭШП получают плотные, свободные от дефектов ликвационного и усадочного происхождения слитки с минимальным развитием химической и физической неоднородности. Кроме того, значительно возрастает общая чистота металла.

    Электрошлаковая тигельная плавка или электрошлаковое литьё (ЭШЛ, ЭШТЛ) – ещё одна разновидность электрошлаковой технологии - активный металлургический процесс,  позволяющий точно, как в классическом ЭШП, эффективно рафинировать переплавляемые металлы и сплавы.

   Благодаря тому, что перед окончанием тигельной плавки весь металл находится в расплавленном состоянии, существенно упрощаются методы стабилизации химического  состава сплава, особенно при наличии в нем легкоокисляющихся элементов.

   Облегчается техника легирования и модифицирования металла. Так, доведение металла до требуемого                                                   Рисунок 2                                                       химического состава может достигаться как совместным переплавом  специально подобранных электродов из различных сталей, так и внесением в конце плавки лигатуры непосредственно в расплав.

    При электрошлаковой тигельной плавке могут быть достигнуты более высокие значения производительности переплава, чем при электрошлаковом переплаве, при значительно  меньших величинах выделяемой в шлаке электрической мощности. С энергетической точки зрения, ЭШЛ ( электрошлаковое литье ) – один из самых экономичных способов  получения жидкого металла. Вопреки установившемуся мнению, он может быть даже более экономичным, в сравнении с индукционным переплавом, при несравненно лучшем  качестве слитка.

 Оборудование и установки электрошлакового переплава и электрошлакового литья разработки и производства ЭПОС-Инжиниринг позволяют:

  • Производить слитки от 100 кг до 10 т и более при плавке в глухой и подвижный кристаллизатор на едином небольшом (по массе и габаритам) комплексе установок  электрошлакового переплава, что позволяет значительно сэкономить производственные площади;
  •  Получать высококачественные отливки ЭШЦЛ ( электрошлакового центробежного литья ) массой до 2-х тонн и более;
  • Получать слитки переменного сечения массой до 10 т, которые в дальнейшем могут быть использованы в качестве цельнолитой заготовки, например, под вал-шестерню - рисунок 3;
  • Создавать универсальные многопостовые комплексы электрошлакового переплава и электрошлакового литья на базе одной установки с единым источником питания;
  • Гибко регулировать процесс плавки во время работы установки, что позволяет получать слитки с гладкой и ровной поверхностью по всей высоте проплава, а также получать отливки сложной формы;
  • Создавать комплексы из нескольких установок ЭШП для работы на общий плавильный узел, что позволят значительно увеличить максимальные возможности каждой печи;
  • Применять в качестве плавильной емкости универсальные составные кристаллизаторы, для возможности увеличения (при наличии необходимости) высоты наплавляемого слитка, или возможности получения слитка переменного сечения без использования дополнительного дорогостоящего оборудования, что значительно расширяет номенклатуру получаемых слитков на одной установке;
  • Проводить процесс пуска и плавления электрода в полностью автоматическом режиме с контролем всех параметров плавки и архивацией данных;
  • Использовать в качестве переплавляемого материала лом черных металлов, получая на выходе высококачественную отливку центробежного литья;
  • Использовать в качестве источника питания источники пониженной частоты или источники постоянного тока, что исключает использование дополнительных симметрирующих устройств и компенсаторов для подключения установки к внешней трёхфазной сети, а также позволяет значительно повысить коэффициент мощности установки.

Рисунок 3