CC BY
74
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
1999г. Вып.№7
УДК 669.187.2
Чепурной А.Д.'
ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ОТВЕТСТВЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Рассмотрены современные направления развития электрошлаковой технологии (ЭШТ) в производстве высококачественных крупнотоннажных заготовок различного назначения. Приведены примеры применения ЭШТ в производстве валков прокатных станов. Показана эффективность нового варианта ЭШТ -электрошлаковой наплавки с использованием жидкого присадочного металла (ЭШНЖМ).
В 1998 г. исполнилось 40 лет одному из ведущих и перспективных технологических процессов в области специальной электрометаллургии - электрошлаковому переплаву (ЭШП) [1]. Стремительно развиваясь, электрошлаковый переплав стал основой, на базе которой были созданы и реализованы в промышленных условиях различные технологические схемы и процессы переплава, объединившиеся в одно емкое название - электрошлаковая технология (ЭШТ ). Это: электрошлаковое литье ( ЭШЛ), бифилярная электрошлаковая сварка крупных поковок и отливок (ЭШСб), электрошлаковый обогрев (ЭШО), кокильное электрошлаковое н>с (ЭКЛ ь центробежное эпек:рошлаковое лить« ;'Ц''->ШЛ) и многие другие.
Академиками ь г.. Плкчдаь- и ьЛ М^допаро'л. известно, рожден - i J
своей юбилейной г.атье, посвященной 'Ю-^етжо ЗЫТ ; ;] приведены основные вехл ' .» - .i ЭТОЙ Прогрессивней? "ie:t;;0:i0nni, Сч'- у:--;,;},:: еПШ';а/;ИС10В, Л
трудившихся в И'Х им. F О Патонл. а таюг.о д;-уг^л институтах и заводах ¡¡о pes { освоению и промышленное применению Э!Ш . iТри этом отмечается, что при печа ыи ^ спецэлектрометаллургии последствиях глубокого кризиса, охватившего нашу страну, ЭШЛ в странах дальнего зарубежья не умер и не замер, а развивается достаточно интенсивно и масштабно [1]. Только за последние 2-3 года введено в действие множество печей ЭШП в Австрии, Австралии, Италии, Англии, Швеции, ФРГ, Японии , США, особенно в Китае, обладающим 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 Retelting ), заключающаяся в переплаве электрода большого диаметра в кристаллизаторе 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.
Вместе с тем, при общем сокращении после распада СССР выпуска стали и проката, существенном снижении выпуска электрошлакового металла и, в целом, довольно мрачной картине во всей отрасли спецэлектрометаллургии, нельзя не отметить и некоторые наметившиеся в последнее время позитивные сдвиги в этом вопросе, которые не могли бы произойти без несомненно огромных достижений, полученных нами за весь период создания ЭШТ.
Коллективами многих предприятий Украины и, в первую очередь, Харьковским КБ
* ОАО'ТСКТИ", д-р техн. наук, проф.
им. Морозова и Государственным предприятием "завод им. Малышева" возрождено бронетанковое производство на Украине. В течение последних 3-х лет более 170 заводов и организаций Украины трудятся над выполнением контракта по изготовлению и поставке на экспорт танков "Т - 84".
Головным специализированным конструкторско-технологическим институтом (ГСКТИ) совместно с ОАО "Азовобщемаш" (г. Мариуполь) ведется производство бронедеталей корпуса танка, которые изготавливаются только из электрошлакового металла, производимого прокаткой на комбинате "Азовсталь" (г. Мариуполь) слитков ЭШП комбината "Днепроспецсталь" (г. Запорожье). Не имея такой технологии изготовления бронелиста, производство современных танков на Украине было бы невозможным.
Можно привести целый ряд примеров создания в наши дни конкурентоспособных изделий, которые невозможно было бы изготовить без ЭШТ, это двухслойные штампы ЭШО, которые производит концерн "Азовмаш" (г. Мариуполь), валки прокатных станов из электрошлакового металла производства НКМЗ (г. Краматорск) и многое другое. Хотелось бы особо отметить работы, проводимые флагманом ЭШТ - ИЭС им. Е.О. Патона совместно с рядом заводов по применению ЭШТ в производстве валков прокатных станов, а также разработках и достижениях в этой области в нынешнее время.
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 показал, что для их изготовления целесообразно использовать металл электрошлакового переплава [5, 6]. 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, который приводит к уменьшению длины контакта к уве личению давления в контактной зоне опорного и рабочего валков. По этой причине требуются частые перевалки и переточки валков, что неизбежно влечет за собой . !ыс гфошводктель^остк прокатных сгэяов.
Известен способ :-пготС'Л.пения орок^гных валков, при котором износостойкость их по длине бочки получается переменкой, что достигается путем применения специальных видов термической обработки. Существенным недостатком этого способа является то, что после переточек валка и в процессе его эксплуатации закон изменения износостойкости нарушается, что приводит к интенсивному неравномерному износу валка по длине бочки и быстрому выходу его из строя.
Переменная по длине бочки износостойкость может быть также обеспечена путем наплавки поверхностного слоя, имеющего химический состав по длине бочки, соответствующий интенсивности износа валков. Однако, срок службы наплавленных валков, как и в предыдущем случае, ограничивается числом переточек.
Этого недостатка лишены составные бандажированные валки. Переменная износостойкость по длине бочки, и постоянная по толщине, достигается путем набора бандажа из колец, имеющих различную износостойкость. Однако, в этом случае износостойкость по длине бочки меняется не плавно, а дискретно, что затрудняет калибровку валков. Кроме того, в процессе эксплуатации таких составных валков наблюдается фреттинг-коррозия, возникающая в зоне стыковки бандажированных колец. В результате фреттинг-коррозии стойкость валков резко снижается, что приводит к быстрому выходу их из строя.
ИЭС им. Е.О. Патона и концерн "Азовмаш" совместно с Приазовским государственным техническим университетом и Московским институтом стали и сплавов разработали в свое время [7, 8] на основе метода ЭШЛ технологию изготовления заготовок бандажей валков с переменным химическим составом (износостойкостью) по длине бочки для станов холодной прокатки.
Полые заготовки бандажей валков изготавливались методом ЭШЛ в подвижном водоохлаждаемом кристаллизаторе диаметром 710 мм с водоохлаждаемым дорном диаметром 310 мм (Рис.1 и 2).
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. Ю - слиток ЭШЛ: ! 1 - поддон; 12 ■■ выкзтная теле.кк:.
Рис. 2 - Партия полых заготовок бандажей валков прокатных станов с переменным химическим составом (износостойкостью) по длине бочка, полученных методом ЭШЛ на печи УШ - 100
Выплавка заготовок бандажей валков с переменным химическим составом по длине бочки (от 1,3 % Сг с края бочки до 3,2 % Сг в середине) 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, дефектов типа пор, трещин, флокенов не обнаружено. 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 [9].
Возможности ЭШТ были использованы при решении проблемы создания опорных валков мощного листового прокатного стана 5000. Для изготовления валка такого стана требовалась заготовка в 380 т из высокоуглеродистой легированной стали. Для изготовления подобной поковки необходим стальной слиток массой свыше 500 т, диаметром около 4000 мм.
Известно, что при массе обычных слитков свыше 200 т трудно обеспечить высокое качество поковок и надежность работы изготовленных из них изделий. Это связано с тем, что в процессе к-ристаплизации в изложнице таких масс жидкого металла интенсивно развивается (опальная и внецентренная ликвация элементов, усадочные трещины и пустоты, располагающиеся по оси слитка.
К крупных слитках валковых стялей внецентренная ликвация проявляется в виде гигдащиог.кы* "усов", которые могу!' выйтм на поверхность валка, например, при несимметричной ковке слитка. Наличие на поверхности валка "усов", являющихся участками металла с увеличенной концентрацией углерода, вредных примесей и неметаллических включений создает условия для образования дефектов на бочке валка.
Дефекты усадочного происхождения неустранимы при ковке гигантских слитков, и в процессе производства валков, особенно при закалке, вызывают возникновение трещин. Трещины распространяются от осевой части валка к поверхности бочки. В дальнейшем, являясь опасными концентраторами напряжений, такие дефекты приводят к разрушению изделий, как при их изготовлении, так и в процессе эксплуатации.
Существующие способы улучшения крупных слитков недостаточно эффективны и не гарантируют достижения высокого качества макроструктуры, химической однородности, равномерности и изотропности механических свойств по высоте и сечению поковок, а также высокого сопротивления металла слитка хрупкому разрушению. Высококачественный металл с такими свойствами для заготовок деталей ответственного назначения можно получить, используя традиционную технологию ЭТТТП Однако, выплавка слитков ЭТТТП массой более 200 т связана с целым рядом трудностей. При ориентации на ЭШП требуется строительство гигантских электрошлаковых печей, создание которых связано со значительными затратами. Поэтому проблема получения качественных заготовок массой свыше 150-200 т решалась путем укрупнения небольших качественных заготовок в моноблок требуемой массы с применением электрошлаковой сварки по бифилярной схеме [10, 11] Этот путь представляется наиболее эффективным и перспективным. Он хорошо зарекомендовал себя при изготовлении высококачественных роторных заготовок турбогенераторов предельных мощностей и ответственных узлов металлургического оборудования.
Стали, применяемые для крупных опорных валков, содержат 0,5 - 1 % углерода, 1 - 1,5 % никеля, 1,5 - 3 % хрома, молибден, ванадий и другие легирующие элементы, и
поэтому относятся к группе трудносвариваемых. В больших же сечениях эти стали практически вовсе не свариваются.
Характерными и неизбежными дефектами при сварке валковых сталей являются горячие и холодные трещины, локальные разрушения в металле сварных соединений. Для предупреждения указанных дефектов при сварке классическими способами применяются предварительный и сопутствующий нагревы изделия до высоких температур и используются сварочные присадочные материалы с пониженным содержанием углерода и некоторых легирующих элементов. При расположении швов на рабочей поверхности валка, т.е. на бочке, последняя технологическая мера недопустима, так как в этом случае не будет обеспечена гомогенность химического состава, и в первую очередь, одинаковая твердость металла бочки.
Для получения заготовок мощных валков также использована идея укрупнения заготовки-моноблока с помощью сварки. Отмеченные трудности сварки валковых сталей привели к необходимости разработки нового способа сварки, обеспечивающего получение сварных соединений, которые удовлетворяли бы требованиям, предъявленным к металлу валков.
Для этих целей Институтом электросварки им. Е.О. Патона совместно с концерном "Азовмаш" и Ново-Краматорским машиностроительным заводом разработан способ электрошлаковой сварки заготовок сверхкрупных сечений из легированных сталей с высоким содержанием углерода (до ! ,5 %).
Электрошлаковая сварка по новому способу (рис.3) выполняется неподвижными электродами с подачей в сварочный зазор кусковых присадочных материалов. Этот способ получил сокращенное название ЭШС КПМ.
1С_______£Д
Иге 3 • Схсмп получения сверх ;-ф*,ыь£л 'л-'о'-.-- л валк-'ж
- Т-.ООЛМ ! !. К • . • »
."I1 с (■ ч:ь •• ; к)'-к01,--'-л ^-'-ОР'Х 'СВ- л КПМ..
свариваемые (г. ськи
? уясхо^уемке .-»пектро^ы:
5 - всдоохлаждаемыс токопроволы: 4 - кабели КВС - 1000; 5 - входные карманы; 6 - выводные карманы; 7 - плита-поддон; 8 - базовая плита; 9 -технологические упоры; 10-дозаторы для КПМ; 11 - направляющие желоба для КПМ; 12 - керамические изоляторы; 13 - шлаковая ванна; 14 - металлическая ванна; 15 - металл сварного шва
Металл сварочного шва, несмотря на его большие размеры, обладает однородной, мелкозернистой, полностью дезориентированной макроструктурой. Формирование дезориентированной структуры обеспечено вводом кусковых материалов, которые выполняют в данном случае две основные функции: являются центрами кристаллизации и снижают температуру перегрева металлической ванны. Металл шва с подобной структурой обладает наиболее высокой стойкостью против образования горячих трещин.
Надежность метода ЭШС КПМ применительно к производству валков стана 5000 была проверена при изготовлении опорного валка стана 4500. Сваренная заготовка (рис.4) после билетировки и механической обработки (рис.5) была подвергнута жестким испытаниям в рабочих режимах на стане 4500 комбината им. Ильича (г. Мариуполь). Результаты эксплуатации сварного опорного валка показали его высокую степень надежности и стойкость, существенно превышающую стойкость валка, полученного из цельной кованой заготовки.
Рис. 5 - Опорный валок стана ЛП.4500 после механической обработки
Приведенные выше примеры применения ЭШТ в производстве валков прокатных станов на определенных этапах решали задачи как повышения качества валков, так и создания валков, которые без применения ЭШТ просто не могли быть изготовлены, как например, в случае применения ЭШС КПМ. Но такие сдерживающие факторы в развитии ЭШТ, как: дороговизна расходуемых электродов, высокая энергоемкость переплава расходуемых электродов, в наше время - время экономического кризиса во всех сферах экономики, заставляют ученых и специалистов искать новые способы и пути выживания и развития этого крайне необходимого процесса, который вот уже 40 лет надежно служит народному хозяйству. И такое решение учеными ИЭС им. Е.О. Патона найдено. Оно заключается в отказе от расходуемых электродов и переходе на жидкий присадочный металл. Жидкий металл, накапливаемый в электрошлаковом тигле с огнеупорной футеровкой или в другом металлургическом агрегате, подается порционно или непрерывно в специальный токоподводящий водоохлаждаемый металлический кристаллизатор с наведенной в нем жидкой шлаковой ванной и лишь затем поступает в тот или иной металлургический агрегат. Характерной особенностью этого процесса, как описано в статье [12], является то, что благодаря специальному устройству кристаллизатора, шлаковая ванна постоянно поддерживается в нем в жидком состоянии и при этом вращается и перемешивается, интенсивно рафинируя поступающий в нее жидкий металл,
который в дальнейшем нигде на своем пути не соприкасается с неметаллическим материалом
Рис. 6 - Схемы электрошлаковых процессов с жидким металлом
а - электрошлаковая наплавка; б - электрошлаковый переплав сплошных слитков; в - электрошлаковый переплав полых слитков; 1-заливочное устройство; 2-жидкий металл; 3-водоохлаждаемый кристаллизатор; 4-наплавленный слой; 5-наплавляемая заготовка; 6-шлаковая ванна; 7-металлическая ванна; 8-сплошной слиток; 9-полый слиток
Вследствие этого исключается загрязнение металла экзогенными включениями, часто играющими резко негативную роль при эксплуат'шш иядеяий. Особенно ярке проявляются преимущества электрошлаковс-ге ;Х'; расходуемого электрода, каг указ*; аают а:лорь;
С№.ьи при электреыла^шсЛ нлгшавке палкоь ррок-шпл.ч еш<ов Дело в гсхи, чи-
с .йременчей теваенцией в ирсизвод* валю? станов являете« применение сталей
г ч .-и-кои тверлос!оЮ и отщ'ск.су-л'ойч'авэстьм. ьа^г.^-гглер, сьч^'ьор^жущ'« с • Приксн-^ние валков, состоящих целиком из таких статей и дорого, к не всегда технически оправдано. Целесообразнее их делать композитными путем наш'-аьки слоя быстрорежущей с I ал и на сердцевину из менее легированном стали. Однако, канонические способы наплавки в этом случае мало пригодны как из-за трудностей в изготовлении присадочного металла, так и б связи с возникновением трещин в наплавленном металле. Указанные проблемы легко снимаются при электрошлаковой наплавке с использованием жидкого присадочного металла (ЭШНЖМ) [13].
Одно из важнейших и неоспоримых преимуществ ЭШН ЖМ - высокая
производительность процесса, которая в десятки раз превосходит производительность традиционных методов наплавки и, в зависимости от размеров наплавляемых деталей и применяемых материалов, составляет 200...800 кг/ч.
Безусловное преимущество новой технологии и в возможности наплавки материалами самого различного химического состава. Могут быть использованы чугун, быстрорежущие, инструментальные, нержавеющие стали, жаропрочные никелевые сплавы и др., в том числе материалы, которые не поддаются ни холодному, ни горячему деформированию и соответственно не используются для традиционных наплавочных технологий, где требуются расходуемые электроды в виде проволоки, стержней, пластин и т.п.
В статье Б.И. Медовара и Л.Б. Медовара по материалам международной конференции, проходившей в Бирмингеме (Великобритания) 28-29 марта 1996 г., приведен обширный анализ современного состояния технологии производства валков в ведущих фирмах мира. В ней, в частности, указывается, что в заключительном слове руководителя британской фирмы "Шеффилд форджмастер лтд" Д. Флетчера при оценке достигнутых в мире результатов производства прокатных валков, отмечены огромные перспективы использования быстрорежущей стали как материала для валков горячей прокатки и твердых сплавов для
станов холодной прокатки. И наиболее совершенным способом наплавки валков указанными сталями, является безусловно новый способ ЭШН ЖМ.
В настоящее время на Ново-Краматорском машиностроительном заводе создается 20-тонная электрошлаковая печь для реализации способа ЭШН ЖМ в производстве валков, что говорит о перспективности нового способа ЭШТ, использующего жидкий присадочный металл, за которым будущее всех разновидностей ЭШТ.
Выводы
1. Электрошлаковая технология - перспективный, постоянно развивающийся технологический процесс, различные варианты которого дают неограниченные возможности улучшения структуры и качества крупнотоннажных заготовок различного назначения.
2.Применение нового перспективного варианта ЭШТ - электрошлаковой наплавки с использованием жидкого присадочного металла (ЭШН ЖМ), надежный путь к существенному повышению стойкости и долговечности прокатных валков для станов холодной и горячей прокатки.
Перечень ссылок
1. Патон Б.Е., Медовар Б.И. Электрошлаковому переплаву 40 лет. // Проблемы 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. BiratJ. Р., 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 of I- and 2-Iauer flat products / Wünnenberg К., Flender R. et. al. // Revue de Metallurgie - CIT. - 1990. - N5. - P. 459-466.
5. Применение ЭШП для улучшения качества валков / Бергшоу Т., Летгер В., Крофже Р.// Электрошлак.переплав. - 1974 - Вып.2. - С. 129-146.
6. Пяиминение электрошпакового переплава для производства плакированных валков / Кубиш С. Мактр П. н ор <' ■ Электрошлак, переплав. •• 1977. Вып.4. - С. 176-183.
7. Электпош.'-.эс-нг.я выплата оаилажей валков холодной прокатки с переменным химическим составом гю длине бочки / Патон Б.Е., Медовар Б.И., Саенко В.Я. и др.//. Проблемы спец.-элгкгрометаллургии. - 1980. - Вып.!2. - С.3-5.
8. Электрошлаковая технология в машиностроении / Медовар Б.И., Саенко В.Я, Нагаевский И.Д., Чепурной А.ДЛ Под общей ред. Патона Б.Е. - Киев: Технйса, 1984 -. С. 18-19.
9. 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. /! Электрошлаковая технология: Сб. ст., посвящ. 30-летию электрошлакового переплава / Под ред. Патона Б.Е. и др. - Киев: Наук, думка, 1988. -С.80-83.
Ю.Новый способ электрошлаковой сварки / Патон Б.Е., Медовар Б.И., Сафронников А.Н. и др.
//. Свароч.пр-во. - 1972. -N 6. - С. 16-17. 11. Новый способ электрошлаковой сварки крупнотоннажных заготовок большого сечения./
Патон Б.Е., Медовар Б.И., Сафронников А.Н. и др. //Автомат. Сварка. - 1971.-N6. -С.4042. 12.Электрошлаковые процессы без расходуемых электродов. / Медовар Б.И., Цыкуленко А.К.,
Медовар Л.Б. и др. // Проблемы спец. электрометаллургии. - 1997. - N2. - С.12-16. 13.Электрошлаковая наплавка жидким присадочным металлом / Медовар Б.И, Чернец A.B.,
Медовар Л.Б. и др.// Проблемы спец. электрометаллургии. - 1995г. - N 1. - С.6-11. 14.Медовар Б.И, Медовар Л.Б. / Анализ современного состояния технологий производства валков // Новости черной металлургии за рубежом. - 1996г. - N 3. - С. 5-8.
Чепурной Анатолий Данилович. 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.
