§ 3. Электрошлаковый переплав

Принципиальная схема ЭШП представлена на рис. 227. Элек­трическая цепь между расходуемым электродом и наплав­ляемым слитком замыкается через слой расплавленного шлака (электрическая дуга отсутствует). Жидкий шлак электропро-воден, но обладает высоким сопротивлением, он нагревается до температуры 1700—2000 °С, в результате чего погружен­ный в него конец расходуемого электрода оплавляется, и металл в виде капель проходит через слой шлака и застыва­ет в ванне кристаллизатора в виде плотного слитка.

664

Составы шлаков при ЭШП различны, чаще всего исполь­зуется шлак, состоящий из CaF₂ с добавками CaOj А1₂О_э, Si0₂. Проходя через такой шлак, капли металла очищаются от серы, в них снижается содержание неметаллических вклю­чений, в кристаллизаторе образуется плотный качественный слиток. Оборудование ЭШП проще и дешевле, чем при ВДП. Это обусловило широкое распространение этого вида пере­плава.

Процесс ЭШП был разработан в институте электросварки им. Е.О.Патона АН Украины. Практическое распространение метода ЭШП началось в 1958 г. на металлургическом заводе "Днепроспецсталь". Электрошлаковый переплав получил боль­шое распространение. Появился специальный термин "элект­рошлаковая технология" (ЭШТ), имеющая ряд разновидностей: "электрошлаковое литье" (ЭШЛ), "центробежное электрошла­ковое литье" (ЦЭШЛ) и т.д.

На установках одних типов переплав осуществляют с рас­ходуемым электродом, на установках других типов — с не­расходуемым электродом. Существо процесса остается при этом неизменным: капли металла проходят через слой жидко­го шлака (через шлаковую ванну). Нерасходуемые электроды, используемые для поддержания требуемой температуры в шла­ковой ванне, бывают графитовые или металлические водо-охлаждаемые. Проходя через слой жидкого шлака, капли ме­талла попадают или в кристаллизатор или в огнеупорный ти­гель. В последнем случае установки называются "установка­ми с керамическим тиглем". Для производства стальных слитков обычно используют процесс с расходуемым электро­дом и охлаждаемым кристаллизатором.

Расходуемые электроды получают, выплавляя предвари­тельно металл нужного состава в обычном сталеплавильном агрегате (чаще — в дуговой сталеплавильной или мартенов­ской печи) и разливая его на слитки или непрерывно-литую заготовку. Для получения расходуемых электродов необходи­мых размеров (по сечению) слитки могут подвергаться про­катке или ковке. Получаемые электрошлаковые слитки имеют обычно развес до 5—6 т. В отдельных случаях (например, при получении заготовок для последующего изготовления роторов турбин электростанций) отливаются электрошлаковые слитки массой 60 т и более. В СССР была разработана спе­циальная электрошлаковая технология, позволяющая отливать

665

с литки массой до 300 т. Большие слитки массой 200—300 т (для роторов турбин, валов судовых двигателей и т.п.) выплавляют редко, и заводам нерационально иметь у себя крупные агрегаты для того, чтобы использовать их несколь­ко раз в году. Поэтому для производства сверхкрупных слитков институт им. Патона совместно с рядом заводов создал способ, получивший название способа порционной электрошлаковой отливки (ПЭШО). В отличие от обычного ЭШП, основанного на переплаве расходуемых электродов, способ ПЭШО предусматривает получение слитков непосредст­венно из жидкого металла. В водоохлаждаемой изложнице с помощью нерасходуемых электродов расплавляется смесь шла-кообразующих компонентов. При этом в изложнице образуется слой жидкого шлака (шлаковая ванна), обладающий высокой рафинирующей способностью (рис. 230, а). Через слой шлака заливают первую порцию стали, полученной в печи, емкость которой равна части емкости изложницы. При заливке метал­ла погруженные в шлак электроды автоматически поднимаются (рис. 230, б).

Рис. 230. Схема порционной электрошлаковой отливки

После заливки первой порции металла ведут электрошла­ковый обогрев зеркала металла. Подводимая мощность должна поддерживать его жидким по всему сечению изложницы. При этом залитый металл постепенно затвердевает в направлении снизу вверх и к моменту заливки следующей порции металла под слоем жидкого шлака остается небольшой объем жидкого металла (рис. 230, в). Металл следующей порции аналогич­ным образом заливают в изложницу, и он смешивается с ос­татком жидкого металла первой порции (рис. 230, г). Этот

процесс повторяют несколько раз до заполнения всей излож­ницы. После заливки последней порции металла постепенно снижают электрическую мощность, подводимую к шлаковой ванне, т.е. предотвращают образование усадочной раковины в головной части слитка (рис. 230, д). Интенсивная обра­ботка металла рафинирующим шлаком обеспечивает высокую чистоту металла слитка по сере и неметаллическим вклю­чениям.

Направленная снизу вверх последовательная кристаллиза­ция металла в изложнице при постоянном наличии сравни­тельно небольшого объема жидкого металла и высокого гра­диента температур в металлической ванне ограничивает раз­витие в слитке зональной ликвации и исключает образование в нем дефектов усадочного и ликвационного происхождения.

Преимуществом способа ПЭШО является также возможность получения слитков практически неограниченной массы при наличии сталеплавильного агрегата сравнительно малой емкости.

Например, слиток массой 200 т можно отлить способом последовательной заливки в изложницу четырех-шести пла­вок, полученных в дуговой электропечи (или ином агрегате) емкостью всего 35—50 т.

Другим технологическим приемом, позволяющим получать высококачественные крупные слитки, является технология, названная "ЭШП с расходуемым электродом". При данной тех­нологии у отлитого по обычной технологии крупного слитка удаляется осевая зона, в которой металл обычно поражен дефектами вследствие ликвации вредных примесей, неметал­лических включений, скопления газов и т.п. Затем образо­вавшуюся таким образом полость в слитке путем электро­шлакового плавления заполняют доброкачественным металлом.

Разновидностью ЭШП является электрошлаковая отливка (ЭШО), при которой жидкий металл заливается в водоохлаж-даемые кристаллизаторы через слой жидкого шлака и крис­таллизация протекает при электрошлаковом обогреве голов­ной части слитков.

Другой разновидностью ЭШП является электрошлаковое литье (ЭШЛ), в процессе которого происходит электрошлако­вое плавление расходуемого электрода, а переплавленный металл Приобретает форму внутренней поверхности кристал­лизатора или формы. Сечение формы может быть переменным.

666

667

П ри ЗШЛ широко используется прием закладки деталей с по­следующим их приплавлением к основной части отливки в процессе переплава расходуемого электрода.

Таким образом, ЭШЛ включает в себя элементы сварочной техники.

В отличие от ЭШЛ сущность метода центробежного электрошлакового литья (ЦЭШЛ) заключается в расплавлении и накоплении металла электрошлаковым способом с последую­щей заливкой этого металла во вращающуюся форму.

Чистота металла, прошедшего рафинирование жидким шла­ком, и своеобразные условия кристаллизации этого металла во вращающейся форме обеспечивают высокое качество полу­чаемых заготовок, что позволяет использовать их для из­готовления деталей самого ответственного назначения.

Успехи электрошлаковой технологии вызвали к жизни мно­гочисленные предложения об организации электрошлакового переплава кусковых материалов (например, стружки), метал-лизованного сырья (например, металлизованных окатышей) и т.п. В этом направлении ведутся интенсивные исследования.

Исследования ведутся также по разработке электрошла­ковой технологии получения ферросплавов (ферротитана, феррованадия). При этом в качестве сырья используются ти­тановая и железная губки, пятиокись ванадия и т.п.

Исследуется также возможность организации процесса ду­гового электрошлакового переплава (ДШП), при котором ме­талл расходуемого электрода плавится за счет тепла элек­трической дуги, горящей в промежутке электрод—поверхность жидкой шлаковой ванны, а капли металла электрода, проходя через слой шлака, накапливаются в нижней части кристалли­затора и, затвердевая, образуют однородный слиток.

Недостатком ЭШП является невозможность организовать в открытом агрегате удаление водорода. В связи с этим широ­кое распространение получили дуплекс-процесс ВИП—ЭШП и ЭШП-ВДП.

ВДП и ЭШП — основные переплавные процессы; пользуясь ими, в промышленно развитых странах ежегодно переплавляют десятки и сотни тысяч тонн высококачественной стали и сплавов. Во многих случаях металл переплавляют дважды и трижды: ВИП-ВДП; ЭШП-ВДП; ВИП-ЭШП-ВДП и т.п.