Принципиальная схема ЭШП представлена на рис. 22.1, б. Электрическая цепь между расходуемым электродом и наплавляемым слитком замыкается через слой расплавленного шлака (электрическая дуга отсутствует). Жидкий шлак электропроводен, но обладает высоким сопротивлением, поэтому он нагревается до температуры 1700—2000 ºС и погруженный в него конец расходуемого электрода оплавляется. В результате металл в виде капель проходит через слой шлака и застывает в ванне кристаллизатора в виде плотного слитка.
Составы шлаков при ЭШП различны; чаще всего используют шлак, состоящий из CaF2 с добавками СаО, А12О3, SiO2. Проходя через такой шлак, капли металла очищаются от серы; в них снижается содержание неметаллических включений, а в кристаллизаторе образуется плотный качественный слиток. Оборудование ЭШП проще и дешевле, чем при ВДП.
Процесс ЭШП разработан в Институте электросварки им. Е. О. Патона АН Украины. Практическое распространение метода ЭШП началось с 1958 г. на металлургическом заводе «Днепроспецсталь». ЭШП получил большое распространение; появился специальный термин ЭШТ (электрошлаковая технология), имеющий ряд разновидностей: электрошлаковое литье (ЭШЛ), центробежное электрошлаковое литье (ЦЭШЛ) и т. д.
|
|
Существует два типа установок ЭШП: с расходуемым электродом и с нерасходуемым электродом. Суть процесса при этом остается неизменной: капли металла проходят через слой жидкого шлака (через шлаковую ванну). Нерасходуемые электроды, используемые для поддержания требуемой температуры в шлаковой ванне, бывают графитовые или металлические водоохлаждаемые. Проходя через слой жидкого шлака, капли металла попадают или в кристаллизатор, или в огнеупорный тигель. В последнем случае плавка ведется в так называемых установках 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 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 ЭШП слитки имеют обычно развес до 5—6т. В отдельных случаях (например, при получении заготовок для последующего изготовления роторов турбин электростанций) отливаются ЭШП слитки массой 60т и более. В СССР была разработана специальная электрошлаковая технология, позволяющая отливать слитки массой до 300т. 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 только несколько раз в году. Поэтому для производства сверхкрупных слитков Институтом им. Е. О. Патона совместно с рядом заводов создан способ, получивший название 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. 22.4, а). Через слой шлака заливают первую порцию стали, полученной в печи, емкость которой равна части емкости изложницы. В период заливки металла погруженные в шлак электроды автоматически поднимаются (рис. 22.4, б).
|
|
После заливки первой порции металла ведут электрошлаковый обогрев зеркала металла. За счет подводимой мощности зеркало должно оставаться 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. 22,4, в). Металл следующей порции аналогичным образом заливают в изложницу, и он смешивается с остатком жидкого металла первой порции (рис. 22.4, г). Этот процесс повторяют несколько раз до заполнения всей изложницы. После заливки последней порции металла постепенно снижают электрическую мощность, подводимую к шлаковой ванне, с тем чтобы предотвратить образование усадочной раковины в головной части слитка (рис. 22.4, 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 200т можно отлить способом последовательной заливки в изложницу четырех—шести плавок, полученных в ДСП (или ином агрегате) емкостью всего 35—50 т.
Другим технологическим приемом, позволяющим получать высококачественные крупные слитки, является технология, названная ЭШП с расходуемым электродом, согласно которой у отлитого по обычной технологии крупного слитка удаляется осевая зона (здесь металл обычно поражен дефектами вследствие ликвации вредных примесей, неметаллических включений, скопления газов и т. п.). Образовавшуюся таким образом полость в слитке с помощью ЭШП заполняют доброкачественным металлом.
Разновидностью ЭШП является электрошлаковая отливка (ЭШО), для получения которой жидкий металл заливается в водоохлаждаемые кристаллизаторы через слой жидкого шлака. Кристаллизация в этом случае протекает при электрошлаковом обогреве головной части слитков.
Существует разновидность ЭШП, называемая электрошлаковое литье (ЭШЛ), в процессе которого происходит электрошлаковое плавление расходуемого электрода, а переплавленный металл приобретает форму
Рис. 22.4. Схема порционной электрошлаковой отливки
|
|
внутренней поверхности кристаллизатора или формы. Сечение формы может быть переменным. При ЭШЛ широко используется прием закладки деталей с последующим их приплавлением к основной части отливки в процессе переплава расходуемого электрода. Таким образом, техника ЭШЛ включает в себя элементы сварки.
В отличие от ЭШЛ суть 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), металлизованного сырья (например, металлизованных окатышей) и т. п. В этом направлении ведутся интенсивные исследования.
Исследования ведутся также с целью разработки электрошлаковой технологии получения ферросплавов (ферротитана, феррованадия). При этом в качестве сырья используются титановая и железная губки, пентаок-сид 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-процессы ВИП—ЭШП и ЭШП-ВДП.
ВДП и ЭШП — основные переплавные процессы, с помощью которых 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.
|
|