CC BY
45
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УШВЕРСИТЕТУ 2001 р. Вип. № 11
УДК 669.187.56
Чепурной А.Д.1, Литвиненко A.B.
ОПЫТ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНОТОННАЖНЫХ ПОЛЫХ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК ДЛЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ СПЕЦИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИИ
НА ОАО «АЗОВМАШ»
Рассмотрено одно из многих направлений научно-исследовательских разработок в области спецэлектрометаллургии, выполнявшихся в течение ряда лет на ОАО «Азовмаш» совместно с кафедрой теории металлургических процессов ПГТУ, руководимой доктором технических наук, профессором, Заслуженным деятелем науки Украины Евгением Александровичем Казачковым. Рассмотрены особенности технологических схем получения широкой номенклатуры крупнотоннажных полых стальных заготовок из углеродистой и высоколегированной сталей методом электрошлакового литья и отливки полых армированных квазимонолитных слитков для ответственных изделий машиностроения на производственном опыте ОАО «Азовмаш».
Развитие в Украине рыночных отношений поставило отечественные машиностроительные предприятия в достаточно жесткие условия конкурентной борьбы как с местными, так и с зарубежными производителями. Важнейшим условием завоевания рынка сбыта, а тем более, выхода на внешний рынок, становится высокий технический уровень и качество выпускаемых изделий, не уступающий лучшим мировым аналогам, а также обеспечение привлекательной для потребителя цены на продукцию.
В связи с этим, одной из центральных задач в развитии отечественного машиностроения сейчас является создание и широкое внедрение технологий, позволяющих многократно поднять производительность труда, повысить эффективность использования ресурсов, снизить материало- и энергоемкость производства, а также повысить качество производимой продукции. Для решения этой задачи в заготовительном производстве машиностроительных предприятий необходимо внедрять малоотходные и безотходные технологии, оптимизировать раскрой (расход) материалов, использовать экономичные способы формообразования, повышать качество литых заготовок (слитков и отливок), в том числе для возможности использования их вместо поковок при изготовлении различных тяжелонагруженных узлов и деталей изделий ответственного назначения.
Одним из реальных путей достижения этой цели является широкое использование в практике украинского машиностроения высококачественных металлических заготовок, полученных с применением разработанных отечественными учеными и специалистами перспективных технологических процессов электрошлаковой технологии (ЭШТ) электрошлакового литья (ЭШЛ), бифилярной электрошлаковой сварки крупных поковок и отливок (ЭШСб), электрошлакового обогрева (ЭШО), кокильного электрошлакового литья (ЭКЛ), центробежного электрошлакового литья (ЦЭШЛ) и многих других.
Основанием для подобного утверждения является как зарубежный опыт развитых стран, так и имеющийся отечественный опыт ведущих машиностроительных предприятий Украины (ОАО «НКМЗ», ОАО «Азовмаш» и др.).
' ОАО "ГСКТИ", д-р техн. наук, проф 2 ОАО "ГСКТИ", канд. техн. наук
Действительно, несмотря на негативные для спецэлектрометаллургии последствия экономического кризиса охватившего нашу страну с начала 90-х годов, электрошлаковая технология в странах дальнего зарубежья развивается достаточно интенсивно и масштабно [1]. Только за последние годы введено в действие множество печей ЭШП в Австрии, Австралии, Италии, Англии, Швеции, ФРГ, Японии, США, особенно в Китае, обладающих совершенно уникальными мощностями по ЭШП. При этом все без исключения новые агрегаты ЭШП оснащены компьютерами, снабжены совершенными системами автоматического управления. Внедрены и внедряются принципиально новые технологии, как например, технология скоростного ЭШП (ESRR - Electroslag Rapid Remelting), заключающаяся в переплаве электрода большого диаметра Т-образной формы. Такая технология освоена в Австрии, Словении, Италии и находится в стадии освоения и в некоторых других странах. Американская фирма «Дженерал Электрик» создала агрегат, в котором жидкий электрошлаковый металл подвергается распылению струей защитного газа, электрошлаковый процесс в сочетании с Оспрей - процессом [2,3,4] нашел применение при напылении деталей двигателей для авиационной и космической техники.
Наметившийся за последние годы общий подъем отечественной промышленности, и, в частности, машиностроительного производства, позволяют со сдержанным оптимизмом предполагать, что в ближайшее время окажутся востребованными многие из несомненно огромных достижений украинских ученых и производственников, полученных за почти 45-летний период развития ЭШТ -- отечественного процесса, родившегося в ИЭС им. Е.О. Патона и получившего признание и распространение во всем мире.
Свой существенный вклад в разработку и промышленное внедрение новых перспективных процессов электрошлаковой технологии внесли представители г. Мариуполя, где инженерно-техническими работниками ОАО «Азовмаш» совместно с учеными ИЭС им. Е.О. Патона и кафедры теории металлургических процессов ПГТУ в течение ряда лет выполнялся целый комплекс исследовательских и опытно-промышленных работ по получению на основе ЭШТ заготовок тяжелонагруженных узлов и деталей для ответственных изделий машиностроения.
Одним из важных направлений применения технологий спецэлектрометаллургии для нужд машиностроения является получение полых отливок и слитков, широко используемых в качестве исходных поделочных машиностроительных заготовок для различных ответственных изделий.
Традиционные способы производства полых заготовок состоят либо в прошивке сплошных кузнечных слитков и их последующей ковке на оправке, либо в отливке полых слитков в обычные кузнечные изложницы с использованием дорна специальной конструкции. В случае использования для изготовления полых изделий сплошных слитков, их обычно отливают с уменьшенным объемом металла в прибыли (6-12 %). После нагрева их подвергают осадке, производят прошивку и последующую вытяжку под прессом [5]. Таким путем производят заготовки типа цилиндров, барабанов, ободов, бандажей и других пустотелых изделий. Несмотря на значительное снижение объема металла в прибыли, расходный коэффициент металла (РКМ) при ковке изделий средней и большой массы составляет 1,60-1,65. Применение для этой цели так называемых бесприбыльных слитков позволяет сократить РКМ на 12-20 %. Однако при прошивке бесприбыльных слитков не удается полностью удалить околоусадочную зону металла, пораженную ликватами и загрязненную неметаллическими включениями [5].
Более прогрессивным является способ получения полых слитков отливкой металла в обычную изложницу для кузнечных слитков с установкой в ее центральной части специального охлаждаемого стержня - дорна. Применение полых слитков для изготовления пустотелых поковок, наряду с повышением качества изделий, обеспечивает сокращение расхода металла на 25-30 %, расхода топлива на нагрев заготовок и сокращение общего цикла изготовления изделий [5].
Качество получаемых полых слитков резко ухудшается с увеличением их массы за счет развития химической и физической неоднородности, плохой поверхности внутренней полости (образование трещин и других дефектов, связанных с большими внутренними напряжениями при интенсивном охлаждении со стороны дорна).
Еще более сложные проблемы возникают при получении по этой схеме крупных полых заготовок из аустенитных высоколегированных сталей в связи с особенностями структурообразования сталей этого класса и возникновением большого количества дефектов при ковке.
Значительным шагом вперед в развитии технологии получения высококачественных полых слитков, особенно высоколегированных аустенитных сталей, было использование для их отливки электрошлаковой технологии. Институтом электросварки им. Е.О. Патона HAH Украины в 70-е годы была разработана технология получения полых стальных слитков методом электрошлакового литья (ЭШЛ) [6]. При этом получали практически готовые полые изделия с уровнем механических свойств литого металла, не уступающего кованому и требующие только минимальной последующей механической обработки.
ОАО «Азовмаш» и ИЭС им. Е.О. Патона совместно с Приазовским техническим университетом была разработана [7] на основе метода ЭШЛ технология получения полых заготовок из аустенитных сталей 12Х18Н10Т и 03Х20Н16АГ6 для криогенных сосудов высокого давления, предназначенных для работы на повышенных параметрах (Рраб>700 атм, Гра6=-196 °С).
Полые заготовки сосудов изготавливались методом ЭШЛ в подвижном водоохлаждаемом кристаллизаторе диаметром 710 мм с водоохлаждаемым дорном диаметром 310 мм на многоцелевой крупнотоннажной электрошлаковой печи УШ-100 (рис.1).
Разработанная технология ЭШЛ крупных полых заготовок позволила существенно упростить процесс производства сосудов высокого давления за счет полного исключения кузнечио-прессовых работ и сведения до минимума объемов сварки. При этом резко сокращается расход дорогостоящей стали, объем механической обработки и весь цикл изготовления изделия. Характерные особенности процесса ЭШЛ -рафинирование металла жидким шлаком, отсутствие контакта жидкого металла с воздухом, формирование отливки из металлической ванны малого объема и другие, позволяют получать литой металл высокого качества. Механические свойства литого металла полых слитков из стали 12X18НI ОТ, полученных методом ЭШЛ, превышают соответствующие требования ТУ (сгв> 450 МПа, а0л> 200 МПа, KCU-196 > 0,8 МДж/мг) [7].
Получаемые по аналогичной технологии ЭШЛ в короткий подвижный кристаллизатор полые слитки из аустенитной высоколегированной стали 03Х20Н16АГ6 (рис.2), с повышенным содержанием азота, отвечают достаточно высоким требованиям к изделиям такого класса. Выполненный большой комплекс исследований качества литого металла полых слитков, полученных по технологии ЭШЛ показал, что литой металл характеризуется большой однородностью химического состава, отсутствием внутренних и поверхностных дефектов, а также высокими механическими свойствами, в том числе при криогенных температурах (ств>600 МПа, о0,2>ЗООМпа, 5sä45%, KCU-196> 2,5 МДж/м2) [8].
Рис. 1 - ЭШЛ полой заготовки на печи УШ - 100
1-несущие колонны печи; 2-каретка электрододержателя; 3-инвентарная головка; 4-расходуемые электроды; 5-каретка кристаллизатора; 6, 7-наружный и внутренний кристаллизаторы; 8, 9-шлаковая и металлическая ванны; 10-слиток ЭШЛ; 11-поддон; 12-выкатная тележка.
Изготавливаемые на ОАО «Азовмаш» по разработанной технологии сосуды высокого давления (рис.3) для хранения жидкого кислорода под давлением 700-1000 атм были использованы ракетным КБ «Энергия» для создания нового поколения жидкостных реактивных двигателей с большой единичной мощностью применительно к ракетным комплексам «Буран» и «Энергия».
Другим новым приложением метода ЭШЛ в производстве полых заготовок для машиностроения явилась разработка технологии электрошлаковой выплавки заготовок бандажей прокатных станов с переменным химическим составом (износостойкостью) по длине бочки.
Проблема получения качественных валков издавна волновала специалистов этого профиля, т.к. качество прокатных валков определяет
производительность прокатных станов, а также качество проката. Опыт эксплуатации прокатных валков свидетельствует, что для их изготовления целесообразно использовать металл электрошлакового переплава [9,10]. При этом повышается качество, надежность и стойкость валков.
Анализ работы опорных валков листопрокатных станов, горизонтальных и вертикальных валков обжимных станов показывает, что одной из причин частого выхода валков из строя является неравномерный износ их по длине бочки. По этой причине требуются частые перевалки и переточки валков, что неизбежно влечет за собой снижение производительности прокатных станов.
Рис.2 - Полая заготовка обечайки сосуда высокого давления из стали 03Х20Н16АГ6 (0 700/350 мм, высота 2400 мм)
Рис.3 - Корпус сосуда высокого давления из стали 12Х18Н10ТШ-Л с разметкой участков контроля просвечиванием на линейном ускорителе.
Для обеспечения равномерного износа валка необходимо обеспечить соответствующим образом изменяющуюся по его длине твердость рабочей поверхности. В разработанной на ОАО «Азовмаш» совместно ИЭС им. Е.О. Патона и ПГТУ технологии указанное достигалось за счет выплавки электрошлаковой заготовки бандажа с переменным химическим составом по длине бочки (1,3 % Сг с края бочки до 3,2 % в середине).
Выплавка таких заготовок (рис.4) в зависимости от конкретных условий может осуществляться путем переплава составных по высоте расходуемых электродов, набранных из
заготовок разного химического состава или путем переплава расходуемых электродов, постоянного по длине химического состава, с введением при ЭШЛ легирующих добавок, количество которых выбирают в зависимости от требуемого закона изменения износостойкости.
В первом варианте плавное изменение химического состава по высоте заготовки ЭШЛ достигается благодаря постепенному плавлению составного расходуемого электрода и присущему ЭШЛ постепенному и непрерывному характеру кристаллизации слитка. При использовании второго варианта технологии ЭШЛ расширяются возможности получения валков с заданным переменным составом по длине бочки, однако, для его реализации требуются надежные дозирующие устройства и гранулированные легирующие добавки.
Постоянство химического состава по толщине бандажа ЭШЛ обеспечивает и постоянную по его толщине износостойкость. Это позволяет при переточках и в процессе износа рабочей поверхности сохранять закон переменной износостойкости по длине бандажа.
Исследование бандажей ЭШЛ показало, что макроструктура литого металла плотная и бездефектная. Химический состав литых заготовок ЭШЛ находится в пределах, установленных ТУ 24-1-14-202-79 на заготовки бандажей валков прокатных станов. Литой электрошлаковый металл чище кованой стали открытой выплавки, в нем меньше содержится неметаллических включений, газов и вредных примесей. Кроме того, металл ЭШЛ обладает более низкой чувствительностью к термическим ударам, а также более высоким сопротивлением контактной усталости. Указанные факторы и обусловливают более высокую стойкость бандажей ЭШЛ валков по сравнению со стойкостью кованых бандажей из металла открытой выплавки.
Опыт эксплуатации таких валков в условиях стана 650 комбината "Запорожсталь" показал, что их стойкость в 1,5 раза выше по сравнению со стойкостью составных валков с коваными бандажами [11,12].
Технологическая схема ЭШЛ в коротком подвижном кристаллизаторе была реализована на ОАО «Азовмаш» также для получения длинномерных полых заготовок фасонного профиля из специальной высокопрочной стали «ВК-2». Такие полые заготовки выполнялись с одним либо двумя фланцами на концах и предназначались для изготовления цилиндров системы катапульт авианесущих кораблей.
Разработанная и реализованная на печи УШ-100 схема ЭШЛ предусматривала выплавку заготовок цилиндров в подвижном разъемном кристаллизаторе (рис.5), имеющем независимую систему подачи дорна, по восьмиэлектродной бифилярной схеме. При этом процесс ЭШЛ заготовки состоял из трех последовательных этапов:
- выплавление нижнего фланца заготовки при стационарном положении кристаллизатора и перемещении дорна;
- наплавление средней (разнотолщинной по сечению) части полой заготовки при перемещении кристаллизатора и неподвижном (по отношению к кристаллизатору)
Рис. 4 - Партия полых заготовок бандажей валков прокатных станов с переменным химическим составом (износостойкостью) по длине бочки, полученных методом ЭШЛ на печи УШ-100
Дорне;
наилавление верхнего фланца при стационарном положении кристаллизатора и перемещении дорна.
аг>
ни
Рис. 5 - Процесс выплавки фасонной заготовки на печи УШ-100 но технологическому варианту с формированием одного (верхнего) фланца.
■ -
Рис.6 - Длинномерная фасонная заготовка катапульты авианосца с фланцами и продольным приливом на погонной части, полученная методом ЭШЛ.
При необходимости получения заготовок без фланцев (либо с одним) применяется поддон специальной конструкции, позволяющий осуществлять процесс выплавки заготовки сразу со второго этапа.
По разработанной технологии на печи УШ-100 были получены заготовки длиной до 4 метров, наружным диаметром 600 мм с фланцами диаметром 750 мм. В поперечном сечении заготовка представляет фасонный разностенный полый профиль с односторонним выступом на наружной поверхности (рис.6). Исследование качества металла отливок [13] показали соответствие его механических свойств в литом состоянии требованиям, предъявляемым к кованому металлу, что позволило использовать полученные полые фасонные заготовки ЭШЛ для изготовления цилиндров катапульт перспективного авианесущего крейсера по заказу ВМФ, впоследствии, внедрить разработанную технологию в серийное промышленное производство на ПО «Красное Сормово» (г.Самара).
Для изготовления тяжелонагруженных узлов и деталей в машиностроительном производстве широко используются поковки массой 1,0-3,5 т, получение которых связано, как известно, со значительными трудностями и весьма трудоемко. В связи с этим, замена кованых заготовок на полые отливки ЭШЛ , применение которых не только исключает операции ковки, но и обеспечивает высокий коэффициент использования металла за счет максимального приближения конфигурации заготовки к форме готовой детали, является во многих случаях весьма рациональным и экономически целесообразным решением [14].
На ОАО «Азовмаш» совместно с ИЭС им. Е.О. Патона и ПГТУ была успешно решена проблема получения широкой номенклатуры полых электрошлаковых заготовок цапф и цапфовых плит для сталеразливочных ковшей [15].
Электрошлаковая выплавка заготовок цапф и цапфовых плит осуществлялась по другой технологической схеме ЭШЛ - в неподвижный стационарный кристаллизатор заполнения круглого (дли цапф) либо квадратного сечения (для цапфовых плит) по многоэлектродной бифилярной схеме подключения расходуемых электродов. Формирование внутренней полости заготовок обеспечивалось за счет остающегося в отливке водоохлаждаемого дорна диаметром 100-180 мм и 250-450 мм для цапф и плит соответственно (в зависимости от типоразмера требуемой детали). В качестве заготовок для дорна использовались как цельнотянутые трубы толщиной 6-9 мм, так и вальцованные обечайки из листовой углеродистой стали, свариваемые продольным швом с последующей их калибровкой.
Всесторонние исследования качества литого металла электрошлаковых заготовок цапф и цапфовых плит из стали 20 и стали 35 (рис.7) показали, что по химическому составу металл заготовок полностью соответствует требованиям ГОСТ 1050-74. После ЭШЛ отмечалось существенное снижение серы по сравнению с исходным в расходуемых электродах, содержание остальных элементов не изменялось при равномерном их распределении по высоте заготовок. Макроисследованиями продольных и поперечных темплетов заготовок ЭШЛ, а также ультразвуковой дефектоскопией установлено, что электрошлаковый металл отличается плотной бездефектной структурой и однородностью при отсутствии следов усадочной рыхлости даже в головной части заготовок. Механические свойства литого ЭШЛ металла ст.20 и ст. 35 (после нормализации от 970 °С с последующим отпуском при 610 °С) полностью удовлетворяют требованиям ГОСТ 8479-80 на кованый металл открытой выплавки соответствующих марок стали.
Промышленные партии
электрошлаковых полых заготовок цапф и цапфовых плит широкой номенклатуры типоразмеров подвергались сдаточным испытаниям на требования
ТУ 24.00.14.303-83 и использовались на ОАО «Азовмаш» для комплектации цапфовыми узлами производственной программы выпуска сталеразливочных ковшей. Благодаря применению ЭШЛ при изготовлении указанных деталей удалось существенно снизить
трудозатраты на огневую резку и механическую обработку заготовок, высвободить мощности кузнечного оборудования и существенно (на 24-43 % для различных типоразмеров) снизить расход металла по сравнению с традиционной технологией их
производства методом ковки (рис.8).
■0Ш
Рис,7 - Полые заготовки цапф (а) и цапфовых. плит (б) для сталеразливочных ковшей, полученные методом ЭШЛ.
Огпли&ка слит ко Кобко и термообработке Огневая порезка
слитка но 4 отдёльнае
50 гот об ки
3 е
вес: 25600
Прошивка внутренних от ЬерстиО
Вес 1иит:3750 Мехоброботка
Ш 6
[ Г
■ Вес: 1860
Выплавка заготовки Термообработка Мехобработка
партии 20 шт
Вес:32С0
]
Вес: 1360
а
Рис.8 - Технологическая схема производства
цапфовых плит для сталеразливочного ковша емкостью 350 т: а — по стандартной технологии; б - методом ЭШЛ.
Несмотря на известные достоинства процесса электрошлакового литья, получение крупнотоннажных полых заготовок большого диаметра методом ЭШЛ затруднено, требует сложного оборудования и дорогостоящей специализированной оснастки. Кроме того, метод ЭШЛ энергоемок, что ограничивает его применение в широких масштабах.
В связи с этим, на ОАО «Азовмаш» совместно с ИЭС им. Е.О. Патона и ПГТУ в конце 80-х годов был выполнен комплекс исследований, направленных на создание альтернативной ЭШЛ технологии получения качественных крупнотоннажных слитков для нужд машиностроения.
Как указывалось выше, наиболее технологически простой способ получения полого слитка заключается в заливке жидкого металла в обычную кузнечную изложницу с использованием охлаждаемого тем либо иным способом внутреннего стержня-дорна. Однако, за счет достаточно интенсивного охлаждения внутренней поверхности такого слитка со стороны дорна, возникают большие внутренние напряжения, приводящие к образованию трещин и других дефектов [5].
Для уменьшения внутренних напряжений в затвердевающем металле при интенсивном охлаждении со стороны дорна, в последнее время при получении полых слитков вместо дорна стали использовать специальные формирующие трубы с огнеупорной засыпкой между ними и с внутренним охлаждением этой трубы воздухом. Отливка полых слитков по этой технологии производится в обычную кузнечную изложницу, сифонным способом, через несколько питателей. Внутри изложницы размещают две стальных трубы с засыпкой между ними малотеплопроводного материала. Наличие такой теплоизоляционной трубы уменьшает опасность возникновения трещин, но удлиняет время затвердевания и не решает проблемы химической и физической неоднородности литого металла полого слитка.
Работами ИЭС им. Е.О. Патона, а также исследованиями, проведенными в концерне «Азовмаш» и ПГТУ, было установление, что сократить время затвердевания слитка и уменьшить его химическую и физическую неоднородность можно за счет использования при отливке слитков специальных внутренних кристаллизаторов. Сочетание процесса отливки полого слитка с формообразующей трубой и метода получения качественных слитков с применением внутренних кристаллизаторов (ВК) различной конструкции является весьма перспективным. Имеющийся опыт применения ВК при получении крупнотоннажных полых слитков армированного квазимонолитного металла (АКМ) показывает существенное улучшение химической и физической однородности, а также приближение свойств литого металла к соответствующим характеристикам деформированного металла. Это позволяет использовать полый слиток непосредственно для получения крупногабаритного изделия, минуя операцию ковки [15, 16].
Необходимость разработки новой технологии получения крупнотоннажных слитков на ОАО «Азовмаш» главным образом была продиктована производственной потребностью в качественных заготовках для изготовления транспортных контейнеров (ТК) для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива от атомных электростанций к перерабатывающему предприятию.
Основной деталью контейнера является его корпус с толщиной стенки 360-400 мм, внутренним диаметром 700-2000 мм, высотой 3000-5000 мм и массой от 50 до 150 т. Толщина корпуса назначается из условий обеспечения радиационной защиты.
По обычной технологии корпуса ТК изготавливаются из сварно-кованых стальных заготовок. Так, технология производства цилиндрических корпусов ТК, освоенная в концерне «Азовмаш», предусматривала отливку четырех 39-тонных кузнечных слитков с последующей их ковкой (в том числе биллетировкой, осадкой, прошивкой и раскаткой на оправе), механической обработкой полученных обечаек и сваркой их между собой на последнем этапе. В общей сложности весь технологический цикл изготовления цилиндрической части корпуса ТК составляет более 89 суток.
При получении полого слитка АКМ как цельнолитой заготовки для корпуса ТК технологических цикл изготовления изделия существенно сокращается и включает в себя собственно отливку полого слитка, обрезку прибыльной части, а также его термическую и механическую обработку. При этом общая длительность изготовления корпуса сокращается до 25 суток.
Отливку полых 100 т слитков АКМ с расплавляемыми ВК на ОАО «Азовмаш» . производили из стали 20. Схема установки оснастки для отливки 100 т полого слитка показана на рис.9. Отливка осуществлялась в восьмигранную изложницу для кузнечных слитков сифонным способом через центровую, расположенную внутри полости формирующей обечайки. Расплавляемые ВК в виде сеток из прутков диаметром 5 мм располагали по радиусу слитка и приваривали к внутренней формирующей трубе (рис.10). Масса ВК составляла около 2 % от массы слитка.
Рис.9 - Монтажная схема оснастки, подготовленной под отливку полого 100 т слитка с внутренними кристаллизаторами: 1-промежуточный ковш; 2-воронка центровой; 3-плита; 4-подставка под плиту; 5-прибыльная надстройка; 6-центровая; 7-кожух центровой; 8-огнеупорная засыпка; 9-труба для подвода сжатого воздуха; 10-наружная формирующая труба; 11-огнеупорная засыпка; 12-внутренняя формирующая труба; 13-внутренние кристаллизаторы; 14-изложница; 15-сифонная проводка; 16-поддон.
Исследования макроструктуры,
химической однородности и механических свойств литого металла полых слитков АКМ показали, что разработанная технология их получения обеспечивает повышение химической однородности литого металла, его структурную однородность и высокий уровень механических свойств. Так, механические испытания металла опытного слитка показали полное соответствие свойств литой стали полого 100 т слитка, отлитого с внутренними кристаллизаторами, требованиям предъявляемым к кованым заготовкам корпусов ТК (согласно ГОСТ 8479-70). Общий вид цельнолитого АКМ корпуса контейнера ТК-10 в процессе механической обработки приведен на рис. 11.
Применение цельнолитых полых 100 т слитков АКМ взамен ковано-сварных, позволило значительно сократить число технологических операций по переделам при изготовлении • корпуса ТК. Разработанная технология не потребовала создания специализированного оборудования и позволяет отливать полые крупнотоннажные слитки в действующих цехах.
Реализация технологии отливки
крупнотоннажных полых слитков АКМ из углеродистой стали для производства корпусов транспортных контейнеров типа ТК-10 на ОАО «Азовмаш» обеспечила снижение расходного коэффициента металла с 2,63 до 1,67 при сокращении объемов механической обработки более чем в два раза и сварки - в два раза.
В настоящем обзоре рассмотрено только одно из направлений работ в области специальной электрометаллургии - получение качественных крупнотоннажных полых заготовок ЭШЛ и АКМ, проводившихся в течение ряда лет на ОАО «Азовмаш» совместно с ИЭС им. Е.О. Патона с участием кафедры теории металлургических процессов ПГТУ
применительно к созданию тяжелонагруженных узлов и деталей ответственных изделий машиностроения.* Вместе с тем, арсенал всех технологических схем ЭШТ и АКМ, разработанных за годы совместной работы, существенно шире и в рамках данной статьи просто не может быть охвачен полностью. Достаточно будет перечислить наиболее важные из них:
Рис. 10 - Оборудование для отливки 100 т полого слитка АКМ (центровая, коллектор системы воздушного охлаждения, обечайка формирующего стержня и внутренний кристаллизатор)
Рис. 11 - Механическая обработка торца корпуса контейнера под установку
* В работе принимали участие:
От ИЭС им. Е.О. Патона - академик Б.И. Медовар, В.Я. Саенко, Л.Б. Медовар, A.B. Бешенцев, Б.Б. Федоровский, Б.И. Шукстульский, В.И. Ус, И.А Ланцман и др.
От ОАО «Азовмаш» - П.С. Нефедов, В.В. Семиколенов, В.А Ипатов, И.Н. Гриженко, Г.П. Клименко, В.В. Лапин, В.К Котлубей, A.A. Агеева и др.
От ПГТУ - Е.А. Казачков, Ю.И. Кирюшкин, A.B. Остроушко, А.М. Дмитриев и др.
технология электрошлаковой сварки заготовок сверхкрупных сечений из легированных сталей неподвижными электродами с подачей в сварной зазор кусковых присадочных материалов (ЭШС КПМ) применительно к получению сверхкрупных опорных валков прокатных станов «4500» и «5000»; технология электрошлакового уплотнения слитков и отливок нерасходуемыми электродами с применением присадочных материалов (ЭШПд КПМ), в том числе применительно к производству литых танковых башен;
технология электро шлаковой выплавки фасонных бортовых деталей корпуса перспективного танка;
технология электрошлаковой выплавки крупнотоннажных горизонтальных слитков из броневых сталей, в том числе гетерогенных, для получения бронелиста со специальными свойствами;
технология электрошлаковой выплавки штамповых заготовок, в том числе для крупнотоннажных гетерогенных штампов;
технология получения двухслойных заготовок штампов методом электрошлакового обогрева (ЭШО);
технология отливки крупнотоннажных листовых АКМ-слитков для производства новой высокопрочной хорошо свариваемой броневой стали АКМ-СВ для башен и корпусов современных и перспективных танков;
технология получения толстолистовой стали АКМ-09Г2С как альтернативы стали ЭШП для производства корпусов и опорных колец большегрузных металлургических конвертеров;
технология получения крупнотоннажных полых отливок из АКМ-чугуна применительно к изготовлению корпусов транспортных контейнеров и др.
Указанные разработки позволили ОАО «Азовмаш» в свое время впервые в практике тяжелого машиностроения создать и испытать целый ряд головных образцов изделий специального назначения, не имевших аналогов в мире. Хочется надеяться, что накопленный научно-технический задел, а также многолетний опыт совместных разработок отечественных ученых и производственников в области спецэлектрометаллургии будет востребован уже в самом недалеком будущем и в Украине для создания новых ответственных изделий машиностроения как для обороны страны, так и других ведущих отраслей промышленности.
Выводы
1. Современная спецэлектрометаллургия располагает большим арсеналом технологических средств получения качественных крупнотоннажных полых стальных заготовок, широко используемых в заготовительном производстве машиностроительных предприятий.
2. Производственный опыт ОАО «Азовмаш» подтверждает целесообразность и экономическую эффективность использования полых ЭШЛ и АКМ заготовок для изготовления ответственных изделий машиностроения самого различного назначения.
Перечень ссылок
1. Патон Б.Е., Медовар Б.И. Электрошлаковому переплаву 40 лет. // Пробл. спец.электрометаллургии. - 1998. - N1 - С.4-8.
2. Фромайер Г. Технология быстрого затвердевания для получения стали с высокими показателями механических и физических свойств // Черные металлы. - 1988. - N9. -С. 12-21.
3. Birat J. P., Steffen R. Current Rand D work on hear - net - shape continuous casting technologies in Europe // Revue de Metallurgie. - CIT. -1991. -N6. - P. 543-556.
4. Spray deposition ofl- and 2-lauer flat products I Wtinnenberg K., Flender R. et. al. // Revue de Metallurgie - CIT. - 1990. - N5. - P. 459-466.
5. Скобло С.Я., Казачков Е.А. Слитки для крупных поставок. - М.:Металлургия,1973,-248 с.
6. Патон Б.Е., Медовар Б.И., Бойко ЛЛ.Элекрошлаковое литье.-Киев: Наук.думка, 1980.-192 с.
7. Электрошлаковая выплавка заготовок сосудов высокого давления из аустенитной стали / Б.И. Медовар, АД. Чепурной, В.Я. Саенко и др. II Пробл. спец. электрометаллургии.-1981,-Вып.15.-С.13-16.
8. Чепурной А.Д., Саенко В.Я., Литвиненко A.B. и др. Качество полых заготовок ЭШЛ из аустенитной стали 03Х20Н16АГ6Ш-Л. // Пробл. спец. электрометаллургии,-1988.-№2,-С.21-26.
9. Применение ЭШП для улучшения качества валков / Бергшоу Т., Летгер В., Крофже Р.// Электрошлак.переплав. - 1974. - Вып.2. - С. 129-146.
10. Применение электрошлакового переплава для производства плакированных валков / Кубиш С, Макнер П. и др //- Электрошлак, переплав. - 1977. Вып.4. - С. 176-183.
11. Составные прокатные валки с бандажами ЭШЛ переменного химического состава по длине бочки / Матецкий В.Л., Николаев В.А., Полухин В.П., Черных В.В., Чепурной А.Д., Саенко В.Я., Лещинский Л.К. II Электрошлаковая технология: Сб. ст., посвящ. 30-летию электрошлакового переплава / Под ред.Патона Б.Е. и др. - Киев: Наук, думка, 1988.-С.80-83.
12. Чепурной АД. Пути совершенствования электрошлаковой технологии в производстве ответственных изделий машиностроения // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: сб науч. тр. - Мариуполь. - 1999. - Вып.7. - С. 32-39.
13. Применение ЭШЛ для получения длинных фасонных отливок с фланцами.-Электрошлаковая технология: Сб.ст.Под ред. Б.Е.Патона и др.-Киев: Наук, думка. 1983.
14. Электрошлаковая технология в машиностроении.-Киев.Техника.Под общей ред. Б.Е.Патона. 1984.
15. Чепурной АД., Литвиненко A.B., Клименко Г.П. и др. Производство заготовок цапфовых плит сталеразливочных ковшей методом ЭШЛ. «Передовой опыт» №7, 1990г.стр. 17.
16. Получение крупнотоннажных полых слитков АКМ для изготовления корпусов транспортных контейнеров / Чепурной АД., Шукстульский Б.И., Саенко В.Я. и др. //Спец. электрометаллургия. - 1992. - № 70. - С. 30-33
17. Энергосберегающая технология получения крупнотоннажных полых слитков углеродистой и легированной стали / Казачков Е.А., Чепурной АД, Клименко Г.П. и др. // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: сб. науч. тр. - Мариуполь. -1996.-Вып.2. - С. 34-39
Чепурной Анатолий Данилович. Вице - президент по науке - Главный инженер ОАО «Азовмаш», Председатель Правления ОАО «ГСКТИ» - директор, д-р техн. наук, проф., академик международной инженерной академии, Лауреат Государственных премий УССР и Украины, Заслуженный машиностроитель Украины, окончил Мариупольский металлургический институт в 1972 году. Основные направления научных исследований -повышение качества металла на базе ЭШТ и совершенствование способов получения крупнотоннажных заготовок для всех отраслей промышленности.
Литвиненко Александр Витальевич. Заместитель директора ОАО «ГСКТИ», канд. техн. наук, окончил Харьковский политехнический институт в 1977 году. Основные направления научных исследований - повышение качества металла на базе ЭШТ.
Статья поступила 03.05.2001г.
