CC BY
189
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003 р. Вип. 13
УДК 669.187.56.001
Казачков Е.А.1, Чепурной А.Д.2 Медовар Л.Б.3, Саенко В.Я.4
СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ В СПЕЦИАЛЬНОЙ
ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИИ
Приведен анализ современного состояния производства легированных сталей и сплавов методом электрошлакового переплава. Рассмотрены перспективные направления дальнейшего развития электрошлаковых технологий и оборудования, которые базируются на электрошлаковом процессе.
Развитие новых отраслей техники, которое приходится на 50-ые годы XX столетия, когда происходило бурное развитие реактивной авиации, создавались крупные ракеты и космические корабли, развивалась атомная техника и создавались уникальные по своим размерам энергетические установки, вызвало необходимость в создании легированных сталей и сплавов, обладающих уникальными свойствами: быть высокопрочными, но вязкими; жаропрочными, но пластичными; способными не терять пластичность при криогенных температурах и т.д.
Известно, что качество и служебные свойства стали одной и той же марки во многом определяются чистотой ее по вредным примесям. Однако, традиционными методами выплавки и разливки стали не удается достичь необходимой глубины очистки металла от вредных примесей. Особенно это касается примесей цветных металлов и неметаллических включений.
Задача коренного улучшения качества легированных сталей и сплавов и придания им комплекса уникальных свойств была решена на основе глубокой очистки этих сталей и сплавов от вредных примесей (серы, цветных металлов, газов, неметаллических включений и т. д.) путем переплава в условиях высокой температуры при одновременном воздействии вакуума или шлака, что обеспечивало глубокую очистку металла от примесей и сопровождалось быстрым и направленным затвердеванием очищенного от примесей металла.
На этих принципах были созданы совершенно новые способы переплава различных легированных сталей и сплавов: вакуумно-индукционная плавка (ВИП), электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), электронно-лучевой переплав (ЭЛЛ), плазменно-дуговой переплав (ПДП). Эти новые способы переплава с целью существенного улучшения качества металла и глубокой очистки их от вредных примесей получили общее название специальная электрометаллургия (СЭМ). Особое место в специальной электрометаллургии занимает электрошлаковый переплав [1-3].
Этот уникальный метод был изобретен и разработан в институте электросварки им. Е.О.Патона под руководством и при непосредственном участии акад.Б.Е.Патона и акад.Б.И.Медовара. В мае 2003 г. исполняется 45 лет с того времени, когда на заводе «Днепроспецсталь» в г.Запорожье был выплавлен первый промышленный слиток методом ЭШП. За прошедшие 45 лет развивался и совершенствовался не только ЭШП по классической схеме. На базе идей этого процесса возникли другие применения этого процесса, которые сейчас объединяются единым термином «электрошлаковая технология».
В Украине в 60-80 годы было создано большое количество производственных мощностей по ЭШП как в металлургии, так и в машиностроении, прежде всего для удовлетворения потребностей оборонной промышленности. Сегодня эти мощности практически не загружены. В то же время за рубежом в таких странах, как США, ФРГ, Великобритания, Австрия, Италия, Япония и др., многие цехи ЭШП, которые были ориентированы на производство быстрорежущих ста-
1 ПГТУ, д-р техн.наук, проф.
2 ОАО «ГСКТИ», д-р техн.наук, проф.
3 ИЭС им. Е.О.Патона, д-р техн.наук
4 ИЭС им. Е.О.Патона, д-р техн.наук
лей, суперсплавов, а также на получение крупных слитков для энергомашиностроения, продолжают успешно и прибыльно работать. Не прекратилось и строительство новых печей ЭШП. На сегодня методом ЭШП за рубежом ежегодно производят около 800 тыс. тонн легированных сталей, инструментальных, нержавеющих сталей, а также сплавов на основе никеля и кобальта [1-5].
Для оценки перспективных направлений дальнейшего развития производства металла ЭШП, необходимо проанализировать последние достижения в области электрошлаковой технологии.
По материалам, опубликованным в последние годы в отечественных и зарубежных изданиях, можно выделить следующие основные направления, в которых сегодня развивается электрошлаковая технология:
получение крупных слитков для поковок роторов и дисков мощных паровых и газовых турбин;
ЭШП под давлением или в защитной атмосфере, главным образом для выплавки высокоазотистой высокохромистой стали; так называемое «скоростное» ЭШП; дугошлаковый переплав;
двухконтурная схема ЭШП (использование токоподводящего кристаллизатора); электрошлаковые процессы без расходуемых электродов, с использованием жидкого присадочного металла;
наплавка и производство методом ЭШП биметаллических изделий (валки, листовой прокат, трубы и др.)
Сегодня, используя единичный электрод, получают слитки диам. до 1700 мм и массой 80 т. При одновременном переплаве нескольких электродов, получают слитки диам. от 2300 до 2800 мм. В Германии успешно получен слиток ЭШП массой 160 т а в Китае - массой 240 т.
На предприятиях японских фирм "Kobe Steel Ltd" и "Mitsubisi Heavy Industries" из 74-т электрошлакового слитка разработанной ими высокохромистой (до 12% Cr) стали нового поколения (с добавками Mo, W, Со, Nb,V и В) была откована заготовка ротора для паровой турбины, работающей при температуре пара 630 С. Контроль качества полученной заготовки ротора показал, что сопротивление этой стали ЭШП при испытании на ползучесть в 1,5 раза выше, чем у ранее применяемых сталей [5].
Для предотвращения окислительных процессов, при перплаве сталей и сплавов, легированных легкоокисляющимися элементами, требуется защищать шлаковую ванну и электрод инертным газом от окружающей воздушной атмосферы. Поэтому в современных установках ЭШП переплав производят в атмосфере из азота или аргона. Это практически исключает окисление титана и алюминия в процессе переплава. Так, при переплаве на открытом воздухе сплава, содержащего 2 % титана, потери его составили 17 ± 8 %. При переплаве этого же сплава в защитной атмосфере потери титана составили всего 1,5 % [12].
Установки для ЭШП в защитной атмосфере были сооружены в 1994-97 гг в Германии и Италии [6-8,10]. Следует отметить, что первая в мире камерная печь ЭШП У-102, предназначенная для электрошлакового переплава сталей и сплавов в защитной атмосфере, была разработана в ИЭС им. Е.О.Патона и реализована в промышленных условиях еще в начале 60-х го-дов [11].
При переплаве стали в атмосфере азота под высоким давлением, можно обеспечить легирование стали азотом из газовой фазы. Германская фирма "VSG Energie und Schmiedetechnic GmbH" использовала технологию ЭШП в атмосфере азота под давлением для получения крупных слитков из высокохромистой стали ( 0,31% С; 0,55%Si; 15,5 %Сг ; 1,02% Мо ) со сверхравновесным содержанием азота (0,38 %) [7]. Равновесное содержание азота в этой стали при атмосферном давлении и температуре 1600 С в жидком состоянии составляет всего 0,04%. Стойкость подшипников из этой стали при испытаниях оказалась в 80 раз больше расчетной. Эта же германская фирма разработала высокоазотистую (до 0,16% азота) высокохромистую (до 12% Cr) сталь с пределом текучести 1100 МПа для дисков газовых турбин. Выплавку крупнотоннажных слитков из этой стали проводили в камерной печи по обычной технологии ЭШП для высокоазотистых сталей [8].
При обычном ЭШП, который использовали в течение многих лет, отношение скорости переплава (кг/час) к диаметру слитка (в мм) было около 1,0 , а для сплавов, склонных к ликвации (инструментальные стали, суперсплавы и др.) - около 0,65-0,75. Это приводило к низкой скорости переплава, особенно для слитков малого диаметра (300-400 мм), хотя такие слитки представляли интерес для прямой прокатки, а также в связи с тем, что малый диаметр слитка обеспечивал более мелкозернирстую структуру заготовки. Это делало невыгодным производство способом ЭШП слитков малого диаметра.
Для получения заготовок ЭШП малого и среднего диаметра разработана система «скоростного» ЭШП (Electroslag Rapid Remelting Process - ESRR) ) 14, 15]. В таком процессе осуществляется переплав электрода большого диаметра в Т-образный кристаллизатор, при этом сечение расходуемого электрода в 3-10 раз превосходит сечение вытягиваемого из кристаллизатора слитка (рис.1). Этим способом получают заготовки диам. 100-160 мм из ледебуритных, быстрорежущих, нержавеющих сталей, суперсплавов. Получаемые методом скоростного ЭШП заготовки квадратного или круглого сечения готовы к прямой прокатке, минуя традиционную ковку или прокатку на обжимном стане, что требуется при обработке традиционных слитков ЭШП. Отмечается резкое сокращение стоимости производства и увеличение производительности без потери специальных характеристик, типичных для слитков ЭШП. В литом состоянии заготовки имеют структуру направленного затвердевания, однородный размер зерен, идеальный для прямой горячей прокатки. Эти характеристки обычно теряются после повторного нагрева и операций ковки.
Рис. 1 Рис. 2
Рис. 1 Схема «скоростного» ЭШП: 1- шлаковая ванна; 2- металлическая ванна; 3- слиток. Рис. 2 Схема дугошлакового переплава расходуемого электрода сплошного (а) и полого сечения (б): 1- слиток; 2- металлическая ванна; 3- шлаковая ванна; 4- электрическая дуга; 5- расходуемый электрод; 6- водоохлаждаемый кристаллизатор; 7- флюсовый затвор; 8- источник питания; 9- камера кристаллизатора.
В начале 70-х годов в ИЭС им.Е.О.Патона был разработан новый способ переплава металлического расходуемого электрода электрической дугой, горящей между торцом расходуемого электрода и поверхностью жидкой шлаковой ванны, в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе, получивший название дугошлаковый переплав (ДШП) [17]. Схемы ДШП расходуемого электрода сплошного и полого сечения показаны на рис.2 . Процесс ДШП объединяет возможности обработки жидкого металла электрической дугой, которая горит в контролируемой атмо-
сфере, и жидким синтетическим шлаком, через который проходит ток в процессе переплава расходуемого электрода. При этом слой синтетического шлака, покрывающий металлическую ванну, способствует рассредоточению тепла по ее сечению и тем самым снижает глубину жидкой металлической ванны, делает ее более плоской, чем при ВДП или ЭШП. Благодаря образованию шлакового гарнисажа, слитки ДТТТП в отличие от слитков ВДП, имеют гладкую боковую поверхность и не требуют механической обработки перед последующим переделом.
Большая заслуга в создании ДНИ 1 и обосновании основных приоритетных направлений его развития и промышленного применения принадлежит академику НАЛ Украины Б.И.Медовару.
По сравнению с ЭШП метод ДШП при выплавке сталей и сплавов позволяет в 1,5 раза снизить расход электроэнергии, а также почти в 2 раза уменьшить расход синтетического флюса на 1 т. металла, причем по качеству металл ДШП практически не уступает металлу ЭШП [17].
К числу оригинальных решений последних лет относится разработанный в Украине принципиально новый процесс электрошлаковой выплавки слитков в токопроводящем кристаллизаторе [13,18-20], при котором подвод тока к кристаллизатору и расходуемому электроду производится раздельно (рис. 3). В результате электроэнергия, подводимая к кристаллизатору, преимущественно расходуется на нагрев периферийной области шлаковой ванны, обеспечивая хорошее формирование боковой поверхности слитка ЭШП.
Рис. 3 Схема ЭШП с использованием токоподводяще-го кристаллизатора: 1- токоподводящий кристаллизатор; 2- расходуемый электрод; 3- шлаковая ванна; 4- метал лическая ванна; 5- источник питания № 1; 6- источник питания № 2; 7- слиток.
Расходуемый металлический электрод, располагаемый по центру шлаковой ванны, плавится преимущественно за счет тепла, выделяемого в шлаковой ванне при прохождении через нее электрического тока, подводимого непосредственно к электроду.
Использование токоподводящего кристаллизатора позволяет значительно ослабить зависимость скорости плавления электрода от подводимой мощности, что дает возможность в более широких пределах управлять глубиной металлической ванны.
Применение токопроводящего кристаллизатора дает также возможность использовать жидкий металл вместо расходуемого электрода. Новая технология, основанная на отказе от расходуемых электродов и переходе на использование при ЭШП жидкого металла (ЭШП ЖМ) представляется весьма перспективной. Схема электрошлаковой отливки полых слитков и слитков сплошного сечения в токоподводящем кристаллизаторе с использованием жидкого присадочного материала показана на рис.46 и 4в [13,21]. Жидкий металл подается порционно или непрерывно в токоподводящий водоохлаждаемый кристаллизатор с наведенной в нем жидкой шлаковой ванной. Контактирующая со шлаком верхняя часть кристаллизатора электроизоли-рована от нижней его части, в которой затвердевает и непрерывно вытягивается из кристаллизатора наплавляемый слиток. Нужно отметить, что схема электрошлакового процесса в этом случае значительно упрощается. Вместо трехстадийного (выплавка металлоа, получение из него электрода для переплава, расплавление этого электрода) мы имеем одностадийный процесс -выплавка металла и заливка его в кристаллизатор.
Благодаря тому, что тепловыделение в токоподводящем кристаллизаторе происходит по его периферии, металлическая ванна имеет более плоскую форму, что способствует получению однородной и мелкозернистой структуры по всему сечению заготовки.
Особенно заметны преимущества ЭШП без расходуемого электрода при электрошлаковой наплавке валков прокатных станов [13, 22, 23]. Для этого внутрь водоохлаждаемого медного токоподводящего кристаллизатора устанавливают наплавляемую заготовку (рис.4а). В зазор между наплавляемой поверхностью заготовки и стенкой кристаллизатора заливают расплавленный в отдельной емкости шлак и подают напряжение от источника питания.
а б в
Рис. 4 Схемы электрошлаковых технологий с использованием жидкого металла вместо расходуемого электрода: а - электрошлаковая наплавка; б - выплавка полых слитков; в - выплавка сплошных слитков: 1- водоохлаждаемый кристаллизатор; 2- заливочное устройство; 3- наплавляемая заготовка; 4- шлаковая ванна; 5- металлическая ванна; 6- источник питания; 7- наплавляемый слой; 8- водоохлаждаемый дорн; 9- полый слиток; 10- сплошной слиток.
Поскольку токоподводящий кристаллизатор является фактически нерасходуемым электродом, при прохождении тока через шлаковую ванну выделяется тепло, за счет которого поверхность наплавляемой заготовки подплавляется. Затем в зазор на жидкий шлак порционно или непрерывно подается жидкий металл требуемого химического состава. Жидкий металл вытесняет шлак вверх и, заняв его место, входит в контакт с оплавленной поверхностью заготовки, формируя наплавленный слой. В процессе наплавки заготовка непрерывно вытягивается из кристаллизатора до получения наплавленного слоя заданной длины.
Современная тенденция в производстве валков прокатных станов состоит в применении для их изготовления сталей с высокой твердостью и отпускоустойчивостью, например, из быстрорежущей стали [24, 25]. Однако изготавливать валки целиком из быстрорежущей стали - слишком дорого. Поэтому можно ограничиться наплавкой достаточно толстого рабочего слоя быстрорежущей стали на заготовку валка из более дешевой углеродистой стали. Создание для процесса ЭШН ЖМ новой композиции быстрорежущей стали с повышенным до 2,0 - 2,5 % содержанием углерода и суммарным содержанием карбидообразующих легирующих элементов (хром, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий) свыше 25 % обеспечило при толщине наплавленного слоя около 50 мм повышение стойкости валков горячей прокатки диаметром 740 мм в 4 - 4,5 раза по сравнению со стойкостью чугунных валков, использовавшихся ранее [25].
Выводы
Главным условием повышения эффективности производства металла ЭШП является внедрение новых электрошлаковых технологий: дугошлакового переплава, двухконтурной схемы ЭШП с использованием токоподводящего кристаллизатора, ЭШП и ЭШН без расходуемых электродов, с использованием жидкого присадочного материала, в том числе для наплавки методом ЭШН ЖМ слоя быстрорежущей стали на прокатные валки.
Перечень ссылок
1. Патон Б.Е Возможности ЭШП: каким ему быть в ближайшее десятилетие / Б.К.Нагон, Б.ИМедовар, Л.Б.Медовар//Пробл. Спец. электрометаллургии.-1996.-№3.-С.9-10.
2. Патон Б.Е. 40 лет ЭШП: есть ли перспектива / Б.Е.Патон, Б.ИМедовар, ЛБ.Медовар // Сталь.-1998.-№11.-С.24-27.
3. Medovar B.I. Electroslag technologies in the XXIst century / B.I.Medovar, L.B.Medovar, V.Ja.Saenko // Proc. "Asia Steel' 2000",China, Sept. 15-18,2000, Vol.C.-P. 143-149.
4. Manning M.P. The effect of gashing and tempering parameters on FATT of 2%CrMoNiWV alloy steel rotor forging / M.P.Manning, K.H.Schoenfeld //14th International Forgemasters Meeting, IFM 2000, Wiesbaden, Germany, Sept. 3-8, 2000, Proceedings VDEh- P.250-254.
5. Development and manifacturing of next generation of advanced 12% Cr steel rotor for 630 °C steam temperature / J.Kagawa, F.Tamura, O.Ishiyama et al. Ibid.-P.301-308.
6. Manufacture of large forging ingots by advanced ESR processes / U.Biebricher,
A.Choudhurey, H.Schoudhury et al. - Ibid. P.109-113.
7. Hucklenbroich I. High nitrogen steels for aviation and aerospace applications /I.Hucklenbroich, G. Stein // Ibid. - P. 397-401.
8. Design and manufacturing of a high nitrogen 12% chromium steel for gas turbine disk applications / A.Gosmen, J.Press, P.Ernst, G.Stein // Ibid. - P.397-401
9. Новая установка ЭШП // «Черные металлы», апрель 1997.-С.З.
10. Италия. Строительство установки ЭШП фирмой "Acciaiere Valbruna" //«Черные металлы», май 1997. - С.4.
11. Обзор конструкций установок для электрошлакового переплава / Б.И.Медовар, Ю.В.Латаш, М.Д.Литвинчук, М.Д.Сур // Электрошлаковый переплав. Под ред. Б.Е.Патона. - М.: Металлургия. - 1964. - С.205-215.
12. Holzgruber W. Development trends in electroslag remelting / W.Holzgruber, H.Holzgruber // Специальная металлургия: вчера, сегодня, завтра: Материалы Международной научно-технической конференции (8-9 октября 2002 г., г.Киев). - К.: 1ВЦ Видавництво "По-лп-ехшка", 2002. - С. 163-166.
13. Медовар Л.Б. Новые электрошлаковые технологии / Л.Б.Медовар, А.В.Чернец, А.К.Цы -куленко // Там же - С. 123-137.
14. Holzgruber W. Development trends in electroslag remelting / W.Holzgruber, H.Holzgruber // Medovar Memorial Symposium, May 15-17, 2001, Kyiv, Ukraine, P.71-77.
15. Alghisi D. The electroslag rapid remelting process under protective atmosphere of 145 mm billets / D.Alghisi, M.Milano, L.Pazienza // Ibid. - P.97-112.
16. Holzgruber H. ESR development at INTECO / H.Holzgruber, W.Holzgruber //Ibid - P.41-47.
17. Дугошлаковый переплав - современное состояние и перспективы развития / Б.Е.патон,
B.Я.Саенко, Ю.М.Помарин и др.//Пробл.Спец.Электрометаллургии.-2002,- № 1.- С.3-10.
18. К вопросу об электрошлаковой выплавке крупнотоннажных заготовок из высоколегированных сталей и сплавов / Б.И.Медовар, Л.Б.Медовар, А.К.Цыкуленко и др.//Там же,-1999,- № 2,- С.26-30.
19. Двухконтурная схема электрошлакового переплава расходуемого электрода / А.К.Цыкуленко, И.А.Ланцман, Л.Б.Медовар и др./ Там же.- 2000,- № 3.-С. 16-20.
20. Исследование влияния параметров двухконтурной схемы ЭШП на размеры и форму металлической ванны / Л.Б.Медовар, А.К.Цыкуленко, А.В.Чернец и др. // Там же.-2000,-№ 4,- С.3-7.
21. Электрошлаковые процессы без расходуемых электродов / Б.И.Медовар, А.К.Цыкуленко, Л.Б.Медовар и др. //Там же.-1997,-№ 2,- С. 12-16
22. Электрошлаковая наплавка жидким присадочным материалом / Б.И.Медовар,
A.В.Чернец, Л.Б.Медовар и др. / Там же.-1995,-№ 1,- С.6-11.
23. Elektroslag surfacing by liquid metal - a new way for HSS - Rolls manufacturing /
B.I.Medovar, L.B.Medovar, A.V.Chernets et al // 38th MWSP Conf. Proc. V. XXXIV,- Cleveland, Ohio, October 13-16, 1996,- P. 83-87.
24. Патон Б.Е. Валки XXI века / Б.Е.Патон, Б.И.Медовар // Металл - бюллетень. Украина.-1997,- № 6, декабрь,- С.35-37.
25. Опыт изготовления и применения быстрорежущих валков ЭТТТН ЖМ / Л.Б.Медовар, А.В.Чернец, Ц.Ф.Грабовский и др. // Пробл. Спец. Электрометаллургии,- 2000,- № 3,-
C.3-9.
