CC BY
150
К ВОПРОСУ ПОЛУЧЕНИЯ КУЗНЕЧНЫХ СЛИТКОВ ИЗ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА
Пятыгин Дмитрий Александрович
доцент, канд. техн. наук, Южно-Уральский государственный университет,
РФ, г. Златоуст E-mail: [email protected]
Свир Анастасия Игоревна
магистрант, Южно-Уральский государственный университет,
РФ, г. Златоуст E-mail: svirl [email protected]
ON THE QUESTION OF GETTING FORGING INGOTS FROM HEAVILY ALLOYED STEELS AND COMPOSITE METALS BY THE METHOD
OF ELECTROSLAG MELTING
Dmitry Pyatygin
Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, South Ural State University,
Russia, Zlatoust
Anastasia Svir
Master’s Degree Student, South Ural State University,
Russia, Zlatoust
АННОТАЦИЯ
В данной работе рассмотрены способы получения кузнечных слитков из высоколегированных сталей и сплавов. Показано, что ведение электрошлакового переплава с вращением расходуемого электрода благоприятно влияет на процессы формирования первичной литой структуры.
Пятыгин Д.А., Свир А.И. К вопросу получения кузнечных слитков из высоколегированных сталей и сплавов методом электрошлакового переплава // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2015. № 7 (19) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/2410
ABSTRACT
In the article methods of getting forging ingots from heavily alloyed steels and composite metals are considered. It is shown that holding of electroslag melting with rotation of consumable electrode has a positive effect on the formation of the primary cast structure.
Ключевые слова: электрошлаковый переплав, высоколегированные
сплавы, первичная литая структура, кузнечные слитки.
Keywords: electroslag melting, heavily alloyed steels, primary cast structure, forging ingots.
Развитие таких отраслей техники, как авиакосмическая, атомная, энергетическая, определяется наличием сложно- и высоколегированных сталей и сплавов, способных работать в экстремальных условиях. В современной технике требуется использовать материалы, сохраняющие эксплуатационные свойства как при криогенных температурах, так и при температурах свыше тысячи градусов, в агрессивных средах, знакопеременных нагрузках под воздействием радиоактивных излучений и т. д. При этом неуклонно увеличиваются габариты рабочих узлов агрегатов.
Решение задачи соответствия современным условиям вызвало, во-первых, значительное повышение уровня эксплуатационных свойств металлопродукции, во-вторых, разработки новых материалов.
Классические способы производства стали (ДСП — внепечная обработка — разливка) не позволяют получать металл требуемого качества. Контакт жидкой стали в процессе выплавки в ДСП с огнеупорной футеровкой и окислительной атмосферой приводит к значительному загрязнению металла газами и неметаллическими включениями. Разливка высоко- и сложнолегированных сталей и сплавов на машинах непрерывного литья заготовок практически невозможна ввиду высокого сопротивления деформации и низкой технологической пластичности, что является причиной образования дефектов
поверхности и высоких материальных затрат, а также снижения выхода годного. Затвердевание стали и сплавов в чугунных изложницах сопровождается развитием ликвационных процессов и, как следствие, нарушением однородности структуры и усадочными явлениями, вызывающими дефекты кристаллизационного характера [2]. Особенно эти процессы усугубляются с увеличением массы слитка.
Решением вышеизложенных проблем может являться переплав сталей сплавов методами специальной металлургии, в частности электрошлаковым переплавом. Электрошлаковый металл обладает повышенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с металлом открытой выплавки.
Строение слитка ЭШП и его технологические показатели в значительной мере определяются процессом первичной кристаллизации, в частности закономерностями зарождения и роста кристаллов в маточной среде [1]. Изучение этих закономерностей необходимо для обоснования способов активного воздействия на процесс кристаллизации слитка с целью повышения степени однородности литой структуры слитков из высоко-и сложнолегированной стали и сплавов, измельчения первичного (литого) зерна, а также устранения грубых дефектов ликвационного характера (фреклс, полосчатость). Добиться предотвращения появления данных дефектов позволяют такие условия выплавки, как минимальная глубина металлической ванны, минимальное значение локального времени кристаллизации двухфазной зоны, максимально плоская форма двухфазной зоны, независимо от профиля и диаметра кристаллизатора, недопущение нестабильности в тепловом состоянии шлаковой и металлических ванн (например, путем кратковременных отключений мощности, периодического изменения заглубления электрода в шлаковую ванну и др.), обеспечение формирования тонкого гарнисажа для улучшения теплоотвода от слитка и формирования качественной поверхности слитка [3; 5; 6; 9].
При постановке задачи об улучшении кристаллической структуры электрошлакового слитка необходимо учитывать: процессы каплеобразования на торце электрода, траекторию их движения и место падения в металлическую ванну, распределение температурного поля по поперечному сечению и высоте жидкой металлической ванны, пондеромоторные силы, действующие на жидкий металл, силы вязкого трения на границе металлическая ванна — жидкий флюс. С учетом этих факторов соблюдение указанных выше условий применительно к классической схеме ЭШП весьма затруднительно. Так как снижение выделяемой мощности на шлаковой ванне, с одной стороны, приводит к уменьшению объема жидкой металлической ванны, с другой — к уменьшению температуры шлаковой и металлических ванн, вследствие чего увеличивается толщина гарнисажа, нарушается формирование поверхности слитка, а при уменьшении скорости переплава ниже номинальной к появлению «белых пятен». Кроме того, при реализации моноэлектродной (однофазной) схемы ЭШП наибольшее количество тепла выделяется в подэлектродной зоне, препятствуя формированию плоской по форме металлической ванны. В этом случае из-за V-образной формы фронта кристаллизации увеличивается протяженность двухфазной области в осевой части слитка, что способствует облегчению образования кристаллизационных дефектов. Усугубляет ситуацию наличие шлакового гарнисажа на поверхности формируемого слитка, ухудшающего отвод тепла от слитка, и уменьшает скорость кристаллизации.
С целью устранения указанных противоречий разработаны как конструктивно новые процессы — модификации ЭШП, так и способы внешнего воздействия на шлаковую и металлическую ванну при классической схеме электрошлакового переплава.
На рисунке 1 схематически объединены по родственным технологическим признакам электрошлаковые технологии, применяющиеся для производства слитков из высоколегированных сталей и сплавов. Большинство представленных на схеме альтернативных способов производства стальных
изделий крупного сечения, разработанные в основном в России и Украине, не нашли промышленного применения за их пределами. Сегодня в промышленности для производства крупных слитков широко используют только электрошлаковую подпитку, позволяющую повысить плотность и уменьшить химическую неоднородность стали в осевых объемах слитка при сведении к минимуму головной обрези. Этот процесс, усовершенствованный специалистами австрийской фирмы «Белер», получил название BEST, а итальянской фирмы «Терни» — TREST [4].
Рисунок 1. Электрошлаковые технологии, применяющиеся для производства крупных высоколегированных слитков
Большинство представленных на схеме технологий направлены на получение сверхкрупных электрошлаковых слитков, в частности из суперсплавов, избавленных от ликвационных дефектов типа «фреклс» и «белые пятна», за счет выравнивания температурных полей в шлаковой ванне путем периферийного обогрева шлаковой ванны в токоподводящих кристаллизаторах. Однако такое решение не является единственным. Еще в 70-х годах ХХ века авторы М.М. Клюев, А.А. Никулин, Б.И. Медовар,
Ю.В. Латаш, Г.А. Вачугов и др. показали, что основным источником тепла в жидкой металлической ванне при ЭШП являются капли электродного металла, а в зависимости от места их доставки будет и формироваться профиль фронта кристаллизации. Поэтому, на наш взгляд, наиболее эффективным является непосредственное воздействие именно на распределение электродного металла в процессе ЭШП, с целью усреднения температурного поля.
Анализ факторов, влияющих на профиль и вес жидкой металлической ванны, показывает, что выравнивание температурного поля по поперечному сечению жидкой металлической ванны благоприятно скажется на структуре, а следовательно, и на качество электрошлакового металла. Так как основная часть тепла в металлическую ванну поступает с каплями электродного металла, то перераспределить температурное поле в ванне возможно за счет изменения местоположения источника каплеобразования путем вращения кристаллизатора вокруг своей оси.
Однако данная технология мало подходит для производства сверхкрупных слитков, так как масса, приводимая во вращение по мере переплава, постоянно увеличивается, а уменьшение сопротивления электрода в процессе ЭШП еще больше усложняет управление процессом.
На наш взгляд, перспективным способом получения крупных кузнечных слитков из высоколегированных сталей и сплавов является электрошлаковый переплав с вращением расходуемого электрода вокруг своей оси.
Данная технология позволяет комплексное воздействие на процессы формирования кристаллической структуры и удаления неметаллических включений. А также увеличить производительность печи, без увеличения подводимой мощности на шлаковую ванну, до 25 % [7; 8; 10—14]. Это возможно за счет изменения гидродинамической обстановки в шлаковой и металлической ванне и принудительного съема электродного металла с периферийной части оплавляемого торца электрода. Радиальный съем металла под действием центробежных, а не гравитационных сил, как при ЭШП без вращения расходуемого электрода, позволяет, во-первых, обеспечить
плоский торец электрода, во-вторых, доставлять капли электродного металла ближе к стенке кристаллизатора, а не в центральную зону.
Отсутствие на торце электрода конуса оплавления приводит к меньшему вытеснению шлака и, как следствие, уменьшению высоты шлакового пояса. Уменьшение поверхности контакта между водоохлаждаемой стенкой кристаллизатора и шлаковым поясом приводит к улучшению тепловой работы печи и снижению потерь тепла на 9—13 %.
Наличие плоского торца и периферийный съем металла благоприятно сказываются на рафинирующей способности переплава. У электродов, выполненных традиционными способами, наиболее загрязненной является центральная часть, что связано с кристаллизацией от периферии к центру при формировании электрода. В свою очередь лимитирующей поверхностью для удаления неметаллических включений является пленка жидкого металла на торце оплавляемого электрода, и чем она тоньше, тем выше рафинирующая способность процесса. В случае вращения расходуемого электрода наименьшую толщину пленка будет иметь именно в центральной части, в отличие от классической технологии. Под действием центробежных сил траектория капли меняется, и она проходит более длинный путь, чем под действием гравитационных сил, что приводит к увеличению времени контакта металла с рафинирующей средой.
Меняя место доставки металла ближе к стенкам кристаллизатора, возможно дно ванны жидкого металла сделать плоским, а глубину значительно меньшей. Такая форма позволяет обеспечить осевой рост металла и компенсировать объемную усадку в центральной части формируемого слитка, подавляя ликвационные процессы.
Положительные результаты при реализации вращения расходуемого электрода на монофилярных печах дали основание для поиска вариантов электрошлакового переплава на бифилярных и многоэлектродных печах. Многоэлектродные схемы реализуются при получении слябов, трубных заготовок и кузнечных слитков. Так как крайние электроды или их части
находятся в зоне интенсивного охлаждения (ближе к стенкам кристаллизатора), они оплавляются с меньшей скоростью, и если не принять мер, то возможно, либо вмораживание крайних электродов в ванну жидкого металла, либо выход электродов, находящихся в более горячей части из шлака, и переход процесса из электрошлакового в дугошлаковый. Это усугубляется тем, что электроды нельзя сделать абсолютно идентичными между собой как по геометрическим показателям, так и по химическому составу, а следовательно, у них будут разные скорости оплавления. Меняя скорость вращения электрода, можно компенсировать отставание или опережение плавления, тем самым обеспечивая стабильность процесса. Постоянство скорости плавления на протяжении всей плавки обеспечит одинаковую структуру как по сечению формируемой заготовки, так и по высоте слитка.
Вывод. Приведен далеко неполный перечень направлений, по которым возможно совершенствование ЭШП с вращением расходуемого электрода, однако решение поставленных задач позволит еще больше расширить возможности электрошлаковых технологий, обеспечив высокое качество продукции, не ухудшая при этом технико-экономические показатели переплава.
Список литературы:
1. Багмутов В.П. Математическое моделирование формирования макро-и микропористости стального слитка / В.П. Багмутов, И.Н. Захаров // Сталь. — 2006. — № 9. — С. 22—27.
2. Жульев С.И. Результаты моделирования напряженного состояния стальных слитков при затвердевании / С.И. Жульев // Сталь. — 2006. — № 7. — С. 20—22.
3. Медовар Л.Б. О формировании поверхности слитков из никелевых суперсплавов при ЭШП в токопроводящем кристаллизаторе /Л.Б. Медовар, А.К. Цыкуленко, Б.Б. Федоровский, В.Е. Шевченко, И.А. Лацман, Ц.Ф. Грабовский, В.И. Ус, В.Л. Петренко // Проблемы СЭМ. — 2000. — № 4. — С. 7—14.
4. Медовар Л.Б. Электрошлаковые технологии получения крупных кузнечных слитков / Л. Б. Медовар, В.Я. Саенко, А.П. Стовпченко и др. // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 3. — С. 5—10.
5. Митчелл А. Кристаллизация металла в процессах переплава / А. Митчелл // Современная электрометаллургия. — 2008. — № 2. — С. 4—13.
6. Митчелл А. Электрошлаковая технология для производства аэрокосмических сплавов / А. Митчелл // Современная электрометаллургия. — 2008. — № 4. — С. 37—43.
7. Пятыгин Д.А. Особенности ЭШП на постоянном токе с вращением расходуемого электрода /Д.А. Пятыгин, И.В. Чуманов // Известия вузов. ЧМ. — 2006. — № 3. — С. 22—25.
8. Пятыгин Д.А. Удаление неметаллических включений при ЭШП на постоянном токе/ Д.А. Пятыгин, И.В. Чуманов // Известия вузов. ЧМ. — 2006. — № 7. — С. 25—26.
9. Цыкуленко А.К. Кристаллизационные дефекты в суперсплавах / А.К. Цыкуленко // Проблемы СЭМ. — 2000. — № 3. — С. 21—26.
10. Чуманов В.И. Управление карбидной структурой при электрошлаковом переплаве инструментальной стали. Часть II / В.И. Чуманов, И.В. Чуманов // Электрометаллургия. — 2010. — № 8. — С. 15—18.
11. Чуманов В.И. Управление карбидной структурой при электрошлаковом переплаве инструментальной стали. Часть I / В.И. Чуманов, И.В. Чуманов // Электрометаллургия. — 2010. —№ 7. — С. 22—28.
12. Чуманов И.В. О возможности получения многослойных слитков электрошлаковым переплавом. / И.В. Чуманов, М.А. Поpсев // Электрометаллургия. — 2010. — № 4. — С. 13—17.
13. Чуманов И.В. Особенности электрошлакового процесса на постоянном токе с вращением электрода / И.В. Чуманов, В.Е. Рощин, Д.А. Пятыгин // Электрометаллургия.— 2002.— № 1. — C. 45—46.
14. Чуманов И.В. Повышение эффективности электрошлакового переплава / И.В. Чуманов, В.Е. Рощин, Д.А. Пятыгин // Электрометаллургия. — 2001. — № 12. — C. 30—33.
