Специальная электрометаллургия

17.07.2018
Металлургия вошла в жизнь и творческую деятельность Бориса Евгеньевича Патона по вполне объективным причинам. Еще его отец — создатель Института электросварки Е.О. Патон пришел к выводу: сварщики не могут сосредоточивать свое внимание только на сварном шве. Ведь без понимания природы сталей, особенностей их поведения под нагрузкой, под воздействием термического цикла сварки добиться высокого качества конкретных изделий (конструкций) невозможно. Можно утверждать, что первая сталь с ограниченным содержанием серы и фосфора появилась в Советском Союзе именно благодаря выработанным в Институте электросварки им. Е.О. Патона определенным требованиям к стали для сварных конструкций. Эти требования сформировались на рубеже 1940-50-х годов, что совпало по времени с появлением электрошлаковой сварки.

Б.Е. Патон, будучи человеком широкой технической эрудиции, уже в молодые годы понял, что электрошлаковая сварка — это не просто новый сварочный процесс или новый способ соединения металлов больших толщин; он первым увидел, что в этом процессе таятся удивительные возможности получения чистого металла особо высокого качества.

He случайно при формировании как сварного шва, так и гигантского слитка для крупных поковок массой в сотни тонн, действуют одни и те же законы кристаллизации, законы образования нежелательных структур и серьезных дефектов.

Одновременно с появлением электрошлаковой сварки в Институте электросварки началось изучение путей применения сварочной металлургии, или сварочной физико-химии, сварочной техники, при получении слитков для прокатки и ковки.

Такой неожиданный, пионерский подход удивительно быстро дал свои результаты. Уже в 1952 г. в лабораториях Института был получен первый слиток, хотя и небольшого размера, с использованием электрошлакового процесса — процесса плавления расходуемого электрода в шлаковой ванне, нагреваемой проходящим через нее электрическим током. Слиток, полученный более 50 лет тому назад, лег в основание целой подотрасли металлургии — того, что в англоязычной технической литературе называют special melting, т. е. специальные методы плавки, а в русскоязычной технической литературе обозначают термином «специальная электрометаллургия», — подотрасли, сосредоточенной на производстве металлов, сталей и сплавов особо высокого качества, как теперь принято говорить, для критического применения: в авиационной и космической технике, при сооружении конструкций, работающих на Крайнем Севере в условиях отрицательных температур и знакопеременных нагрузок под водой, в газовых турбинах, медицинских инструментах, имплантантах и т. д.

С появлением электрошлакового переплава (ЭШП) во всем мире начали создаваться специализированные производства, где под одной крышей объединяли поначалу ЭШП и вакуумно-дуговой переплав (ВДП), а потом и электронный луч и плазму. Три (кроме ВДП) из этих основных процессов спецэлектрометаллургии — детища Института электросварки им. Е.О. Патона.

Б.Е. Патона всегда интересовала конечная цель — где будет применяться металл того или иного химического состава, выплавленный под тем или иным флюсом; не только то, как при изготовлении конструкций стали или сплавы будут свариваться, но и в целом проблемы тех или иных областей производства, где нашли применение эти конструкции.

Хорошо известно не только в странах бывшего Советского Союза, но и в США, Японии, в Западной Европе, что годы холодной войны, как это ни странно звучит, были «золотым веком» для металлургов, поскольку гонка вооружений стимулировала развитие физико-химических основ металлургии в создании новых сталей и сплавов и новых методов их производства.

В связи с этим при рождении процесса электрошлакового переплава Б.Е. Патон лично сформулировал ряд направлений в исследовании данного процесса и разработке технологий получения различных сталей и сплавов. В частности, одной из «вечных» проблем металлургии были технология производства и качество подшипниковых сталей и подшипников (подшипники качения, подшипники скольжения) — от небольших приборных для военной и гражданской авиации до гигантских подшипников для гидроэлектростанций.

В очень короткие сроки электрошлаковый переплав появился в промышленности: в 1958 г. вступили в строй первые в мире промышленные печи ЭШП.

Известно, что на Западе в то время был взят курс на ВДП. В нашей стране в конце 1950-х годов не было возможности следовать по такому же пути, поскольку не хватало вакуумного оборудования, мощных источников постоянного тока, и альтернативой ВДП послужил ЭШП. Примечательно, что в последующие годы ЭШП и на Западе не только выдержал конкуренцию с ВДП, но занял достойное место в производстве металла самого высокого качества.

Наиболее полная информация о новом способе электрической отливки слитков на основе электрошлакового сварочного процесса впервые была представлена в статье Б.Е. Патона, Б.И. Медовара и В.Е. Патона, опубликованной НТО Машпром в 1956 г. В этой работе рассматривались основные технологические схемы и особенности реализации нового способа, применение однофазной и трехфазной систем питания плавильного агрегата, возможные схемы получения слитков круглого, квадратного, прямоугольного сечения и иной формы, в том числе возможность непрерывной вытяжки слитков вниз из кокиля (кристаллизатора). Отмечалось, что характерной особенностью нового способа является совмещение процессов плавки и разливки металла, а также отсутствие огнеупорных материалов в зоне плавления и кристаллизации металла. Жидкий электропроводный шлак, в котором происходит превращение электрической энергии в тепловую, является не только источником тепла, но и создает необходимые условия для рафинирования переплавляемого металла от вредных примесей (серы, неметаллических включений), надежно защищает расплавленный металл от воздействия атмосферы и служит своего рода смазкой, облегчающей вытягивание слитка из кристаллизатора. Впервые были сформулированы основные требования к флюсам-шлакам для электрической отливки высоколегированных сталей и сплавов.

Наиболее важным достижением в разработке нового способа явилось создание первого специализированного опытно-производственного агрегата P-772 для изготовления круглых сплошного сечения и полых слитков диаметром 135...300 мм и длиной до 1500 мм.

Первой в мире промышленной электрошлаковой печью была печь, получившая индекс Р-909, спроектированная, изготовленная и опробованная в ИЭС им. Е.О. Патона в 1956 г., а в мае 1958 г. она была запущена на заводе «Днепроспецсталь» в г. Запорожье. Вскоре на этом же заводе был построен первый в мировой практике специализированный цех ЭШП, оснащенный печами ДСС-1, а затем Р-951. Первое промышленное применение электрошлакового металла, рожденного на заводе «Днепроспецсталь», получила шарикоподшипниковая сталь ШХ-15. Ее потребителем был флагман советской подшипниковой промышленности 1-й ГПЗ в Москве. Затем в их число вошел Запорожский моторный завод (головной в составе нынешнего ОАО «Мотор-Сич»), Примерно в тот же период в ИЭС им. Е.О. Патона совместно с НКМЗ была спроектирована и изготовлена, а в начале 1958 г. введена в эксплуатацию на НКМЗ первая в истории ЭШП промышленная трехфазная печь ЭШП-2, на которой был освоен выпуск крупных кузнечных слитков — массой до 2 т из 12-процентной хромистой жаропрочной стали для дисков судовых газовых турбин. С этого момента началась эра промышленного использования ЭШП в нашей стране и в мире. Работа удостоена Ленинской премии за 1963 г.

Первой из стран Запада, проявивших деловой интерес к ЭШП, была Франция. После посещения французскими специалистами ИЭС им. Е.О. Патона и завода «Днепроспецсталь» летом 1963 г. две фирмы: металлургическая «Компани дез ателье э форж де ла Луар» (КАФЛ) и электромашиностроительная «Компани электромеканик» (КЭМ) — приобрели советскую лицензию на способ ЭШП и оборудование для его реализации. Летом 1965 г. на заводе фирмы КАФЛ в г. Фермини, близ Сент-Этьена введена первая в Западной Европе электрошлаковая печь — типа Р-951. Именно на этой печи успешно освоен ЭШП шарикоподшипниковых, быстрорежущих, нержавеющих сталей и сплавов типа инконель. Через год заработала печь ЭШП в Шеффилде (Англия). В Англии было начато серийное производство печей ЭШП. В 1970 г. пустили первую печь по советской лицензии на фирме «Авеста» (Швеция), а в 1972-74 гг. ряд печей ЭШП по советской лицензии заработали в Японии. В США в конце 1960-х годов была опубликована американская программа исследований в области ЭШП и поставлена задача догнать русских. Об успехах американцев, купивших в мае 1969 г. первую советскую лицензию на ЭШП, свидетельствует тот факт, что спустя 8 лет в США годовое производство электрошлакового металла в слитках достигло 126 тыс. т. Большинство печей ЭШП, работающих в США, построено американской фирмой «Консарк корпорейшн», ранее специализировавшейся на производстве только вакуумно-дуговых печей.

Электрошлаковый переплав в России развивался стремительно, ибо главными потребителями металла особо высокого качества стали производители вооружения и различной военной техники (военно-морское судостроение, танкостроение и др.). В конце 1980-х годов были построены прекрасно оснащенные уникальные цехи ЭШП на НКМЗ, MK «Азовсталь» (г. Мариуполь), заводе «Красный Октябрь» (г. Волгоград).

Развитию ЭШП способствовала система прямой государственной поддержки ученых и специалистов, плодотворно трудившихся не только в ИЭС им. Е.О. Патона, но и в таких институтах, как ВНИИЭТО, ЦНИИ «Прометей», ЦНИИЧермет, ВИАМ, ВИЛС, НИИХИМаш и др. Важен и тот факт, что изобретения, связанные с новыми технологическими процессами ЭШП и с оборудованием для их осуществления, запатентованы во многих странах мира (Франции, Германии, Японии, Швеции, США и др.), причем только ИЭС — обладатель более 600 зарубежных патентов в этой области.

В металлургии одной из наиболее актуальных является задача получения слитка с высокой физической и химической однородностью и с максимальным выходом годного. Проблемой стального слитка занимались многие научные организации и металлургические предприятия. Однако предлагавшиеся ими меры не выходили за рамки некоторого усовершенствования режимов заливки жидкого металла в форму (изложницу), а также конструкции самой изложницы и прибыльной надставки, что, естественно, не позволяло кардинально улучшить качество стального слитка. В начале 1960-х годов сотрудниками ИЭС во главе с Б.Е. Патоном была предложена новая технология — электрошлаковая отливка слитков (ЭШО).

ЭШО является методом комплексного воздействия на условия формирования слитка, начиная с заливки жидкого металла в форму через жидкий шлак и заканчивая выведением усадки в условиях электрошлакового обогрева головной части слитка. Слитки ЭШО, как показал опыт их производства на Челябинском металлургическом заводе, Электростальском заводе тяжелого машиностроения, заводе «Электросталь» и Юргинском машиностроительном заводе, по всем показателям превосходили слитки обычного производства, а изготавливаемые из них изделия отличались повышенными служебными характеристиками.

Способ ЭШО стал основой для создания различных электрошлаковых технологий получения кузнечных слитков. Среди них особо выделяется способ порционной электрошлаковой отливки (ПЭШО), запатентованный во многих странах. ПЭШО является методом укрупнения слитка за счет сплавления отдельных порций жидкого металла, заливаемых в форму последовательно, с определенным интервалом, в условиях электрошлакового обогрева зеркала металлической ванны. Именно при таком способе имеется возможность организовать направленное затвердевание, подавление развития в формирующемся слитке дефектов ликва-ционного и усадочного происхождения. Поэтому получаемые этим методом слитки отличаются высокой однородностью и чистотой. Особенно эффективен способ ПЭШО для производства крупных и особо крупных слитков — массой десятки и сотни тонн. Это подтвердили результаты отливки данным методом на установке ЭШО-200И1 (завод «Энергомашспецсталь», г. Краматорск) и исследования, в том числе с участием ЛПЭО «Электросила» и ПО «Ижорский завод», слитков массой от 50 до 200 т в литом и деформированном состоянии.

Большие возможности коренного улучшения структуры заготовительного производства в машиностроении открылись благодаря разработке в ИЭС под руководством Б.Е. Патона в середине 1970-х годов разновидности электрошлаковой технологии — электрошлакового литья (ЭШЛ), которое на заводах тяжелого машиностроения позволяет полностью отказаться от ковки литого металла и при этом объединить в машиностроительной заготовке оптимальную форму отливки и высокие механические свойства поковки. Примечательно, что высокое качество металла электрошлаковой отливки сочетается в ЭШЛ с чрезвычайно высоким выходом годного, достигающим 85...95 %, и с полной ликвидацией брака в заготовительном производстве. Работа удостоена Государственной премии Украины за 1978 г.

В тяжелом и металлургическом машиностроении ЭШЛ нашло применение при изготовлении заготовок штампов горячей штамповки, при изготовлении цапф и подцапфовых плит к крупнотоннажным сталеразливочным ковшам, при изготовлении валков для станов горячей и холодной прокатки труб, крупных коленчатых валов судовых дизелей, деталей промышленных тракторов, а также при изготовлении литосварных баллонов высокого давления. Наиболее полная информация о технологиях и оборудовании для ЭШЛ представлена в монографии: Патон Б.E., Медовар Б.И., Бойко Г.А. Электрошлаковое литье.

В конце 1960-х - середине 1970-х годов Институтом электросварки совместно с ПО «Ждановтяжмаш» (теперь ОАО «Азовмаш») была разработана технология производства литосварных сосудов высокого давления, используемых при работах на повышенных параметрах. В начале 1980-х годов там же было создано специализированное оборудование, разработана и освоена технология ЭШЛ полых цилиндрических заготовок, днищ, патрубков и других деталей из аустенитной стали, а также организовано производство литосварных сосудов, предназначенных для работы при сверхнизких температурах и высоких давлениях.

Основное назначение ЭШЛ и его разновидностей (центробежного ЭШЛ и электрошлакового кокильного литья) состоит не в замене таких традиционных технологических процессов, как литье и ковка. ЭШЛ следует рассматривать как один из высокоэффективных и металлосберегающих методов заготовительного производства, позволяющий расширить выпуск заготовок и другой продукции с минимальной механической обработкой.

Одним из наиболее ярких примеров эффективного использования ЭШЛ является разработка и внедрение электрошлаковой технологии изготовления заготовок вварных бандажей цементных печей на заводе «Волгоцеммаш» (г. Тольятти). Разработчики предложили оригинальную схему электрошлаковой печи для выплавки заготовки вварного бандажа цементной печи.

Технология ЭШЛ, разработанная ИЭС совместно с заводом «Волгоцеммаш», позволила решить проблему получения высококачественных стальных заготовок вварного бандажа обжиговой цементной печи, максимально приближающихся по форме и размерам к конечному изделию.

В связи с большими габаритами отдельные половинки (полубандажи) свариваются в цельное кольцо электрошлаковым способом на монтажной площадке.

Использование вварных бандажей ЭШЛ вместо применявшихся ранее бандажей со свободной посадкой позволило снизить металлоемкость цементной печи на 147 т. Кроме того, значительно повысилась работоспособность и, как следствие, производительность печи.

В начале 1970-х годов в ИЭС под руководством Б.Е. Патона 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). В результате проведенных опытных и промышленных плавок различных сталей и сплавов установлено, что по сравнению с ЭШП метод ДШП при выплавке слитков позволяет в 1,5 раза уменьшить расход электроэнергии, а также почти в 2 раза расход синтетического флюса на 1 т металла.

По качеству металл ДШП практически не уступает металлу ЭШП. Главным достоинством ДШП является возможность легировать металл азотом из газовой фазы, в том числе под давлением, при полном исключении из технологического процесса производства высокоазотистых сталей и сплавов дорогостоящих азотсодержащих соединений, например нитрида кремния. Показано также, что ДШП может быть эффективен при производстве титана и его сплавов и позволяет получать слитки с хорошей поверхностью, высокого качества и, главное, более низкой стоимости по сравнению с металлом ЭШП.

В последние годы благодаря разработке в ИЭС им. Е.О. Патона нового технологического процесса электрошлаковой наплавки жидким металлом (ЭШН ЖМ), новой технологической схемы ЭШП с двумя источниками питания (ЭШП ДС) и использованием токоподводящего кристаллизатора открылись новые возможности для совершенствования технологии получения биметаллических заготовок и изделий различного назначения, таких, как композитные заготовки прокатных валков, биметаллическая арматура, подовые сталемедные электроды дуговых печей и др.

Безусловным преимуществом процесса ЭШП ЖМ является возможность наплавки материалами самого различного химического состава: это нержавеющие, инструментальные и быстрорежущие стали, жаропрочные никелевые сплавы и т. д. При этом высокое качество биметаллических заготовок достигается при значительно более низкой их стоимости, чем при ЭШП с применением расходуемых электродов.

В рамках совместных работ с ЗАО НКМЗ был выполнен проект соответствующей адаптации печи ЭШП и создан первый в мире промышленный агрегат для производства методом ЭШН ЖМ композитных заготовок прокатных валков диаметром до 1000 мм, с длиной наплавляемой бочки до 2500 мм и массой до 20 т, накоплен значительный опыт изготовления заготовок с высокохромистым наплавленным слоем, прежде всего для рабочих валков непрерывных широкополосных станов. Применение таких валков показало, что их стойкость в 2-3 раза выше по сравнению со стандартными чугунными валками, использовавшимися ранее.

Технология ЭШН ЖМ внедрена также при изготовлении биметаллических заготовок диаметром 350 мм с коррозионностойкой наплавкой из аустенитной стали и основным слоем из стали 20ГС для биметаллического арматурного профиля.

В конце пятидесятых годов в Институте электросварки им. Е.О. Патона по инициативе Б.Е. Патона были начаты эксперименты, связанные с соединением металлических материалов с помощью концентрированного потока электронов — электронно-лучевой сваркой. Уже первые эксперименты показали эффективность этого источника энергии и возможность его применения также для плавления и рафинирования металлических материалов с целью улучшения их свойств, в том числе свариваемости. Как отмечалось, вакуумная электрометаллургия (ВДП) в тот период занимала ведущие позиции в решении задач получения материалов и сплавов высокой чистоты.

Новая технология — электронно-лучевой переплав (ЭЛП) явилась одним из наиболее эффективных способов повышения служебных характеристик металлов и сплавов, прежде всего в получении особо чистых тугоплавких металлов (ниобий, тантал, цирконий, молибден и др.). Благодаря высокой степени рафинирования и формированию более однородных по химическому составу и структуре слитков существенно повышаются физико-механические свойства металлов и сплавов, увеличивается их технологическая пластичность. В отличие от ВДП, к расходуемой заготовке для ЭЛП предъявляются минимальные требования, что позволяет уменьшить расход металла, одновременно достигается значительное снижение трудовых (сокращение количества операций по переделу) и энергетических затрат.

Первая отечественная промышленная установка для электронно-лучевого переплава была разработана и создана в ИЭС и внедрена на Донецком химико-металлургическом заводе (ст. Донская Донецкой обл.).

На Артемовском заводе был налажен выпуск холоднокатаного листа ниобия и тантала электронно-лучевой выплавки. Разработаны технологии переплава ванадия, циркония, меди для электронной промышленности. Получили развитие способ ЭЛП с применением промежуточной емкости и способ выплавки плоских слитков в горизонтальном кристаллизаторе.

ЭЛП позволяет получать не только особочистые металлы, но и сплавы с особыми функциональными свойствами. Для электротехнической и аэрокосмической промышленности в конце в 1960-70 гг. ИЭС был разработан ряд оригинальных сплавов на основе никеля, ниобия, молибдена с повышенной низкотемпературной пластичностью.

Особое место в электронно-лучевых технологиях занимает производство слитков из титана и его сплавов.

Научный и практический подход Б.Е. Патона к решению реальных технических задач для нужд отечественной промышленности позволил в короткий срок разработать технологию, изготовить оборудование, а также создать научно-производственный центр «Титан» с минизаводом вакуумной металлургии производительностью до 3000 т титановых сплавов в год методом электронно-лучевой плавки.

Были разработаны новые отечественные сплавы из титана с более высокими механическими и эксплуатационными свойствами, чем существующие в мировой практике, для использования их в медицине, химическом машиностроении, автомобилестроении, в авиационной и военной технике: сплавы Т80 и Т90, заменяющие сплавы ОТ4-1 и ОТ4 соответственно и превосходящие их по уровню свойств и свариваемости, сплавы T100, превосходящий по механическим свойствам широко известный сплав титана ВТ6 (Grade5), и Т-110, который по технологичности, свариваемости и работоспособности в условиях циклических нагрузок превышает широко используемый в авиации сплав ВТ22. Первый отечественный высокопрочный сплав T-110 предназначен для использования в самолетостроении (например, лайнеры АН70 и АН148).

Для дальнейшего снижения себестоимости и трудоемкости изготовления слитков титана из первичного сырья в ИЭС впервые в мире разработана технология электронно-лучевого переплава с промежуточной емкостью (ЭЛПЕ) недробленых блоков губчатого титана массой 0,7...3,8 т, что позволяет исключить из технологического цикла производства слитков не только этап прессования расходуемого электрода для последующего переплава, но и операцию дробления блоков губчатого титана.

Предложенная технология ЭЛПЕ блоков губчатого титана обеспечивает повышение на 20 % технико-экономических показателей в сравнении с ЭЛПЕ дробленого губчатого титана. Для реализации данного способа в ИЭС им. Е.О. Патона в 2004 году была создана не имеющая аналогов электронно-лучевая установка УЭ5810. Она позволяет совместить процессы оплавления боковой поверхности блока на этапе предварительного подогрева и плавки в одной вакуумной камере.

Использование указанной технологии в условиях промышленных предприятий позволило организовать в Украине конкурентоспособное на мировых рынках производство высококачественных слитков и слитков-слябов титана.

Для сокращения потерь металла в ИЭС впервые в мире предложена вместо механической обработки технология оплавления электронным лучом боковой поверхности слитков как круглого, так и квадратного сечений, а также слитков-слябов и создано соответствующее оборудование. Разработка удостоена Государственной премии Украины за 2006 г.

Оплавление таких слитков осуществляется за счет нагрева и расплавления поверхностного слоя слитка электронным лучом вдоль его образующей одновременно по всей длине. У круглых слитков ванна жидкого металла перемещается по поверхности слитка благодаря его вращению вокруг своей оси, а у слитков квадратного сечения и слитков-слябов — с управлением развертками электронного луча. Процесс электронно-лучевого оплавления поверхностного слоя слитков характеризуется высокой плотностью подводимой энергии, легкостью контроля и управления технологическими параметрами, а также экономией до 15 % металла, в зависимости от массы оплавляемого слитка.

Впервые в мировой практике предложены технология получения горячекатаных труб непосредственно из литых трубных заготовок (успешно внедрена на Никопольском Южно-трубном заводе в 1998—2000 гг.), а также технология производства полых слитков для изготовления крупногабаритных титановых труб и колец из отечественных титановых сплавов.

Разработка теоретических основ, технологии и оборудования электронно-лучевой плавки металлов и сплавов, проводившаяся под руководством Б.Е. Патона, изложена в двух монографиях: Электронно-лучевая плавка.

Идея плазменно-дугового переплава (ПДП) металлов и сплавов в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе полностью принадлежит Б.Е. Патону. Он предложил заняться разработкой этого процесса в самом начале шестидесятых годов прошлого столетия.

К тому времени в ИЭС им. Е.О. Патона уже были разработаны электрошлаковый и электронно-лучевой переплавы. Начав заниматься плазменно-дуговым переплавом, институт тем самым замыкал все три физически возможных случая взаимодействия с жидким металлом второй фазы: шлака, вакуума и газов в различных вариантах.

Работы в области плазменного переплава развивались значительно быстрее, чем у двух других способов вторичного передела. Это объясняется тем, что они опирались на опыт, накопленный при разработке ЭШП и ЭЛП.

Уже в 1966 году на Свердловском заводе ОЦМ была введена в эксплуатацию первая в мире промышленная печь для переплава сплавов на основе платины и палладия, используемых при производстве стекловолокна, потенциометрических сплавов, приборов слепой посадки самолетов и, наконец, производстве микрочипов. На этом заводе впервые в мире были получены чистые иридий и осмий в плавленом состоянии. До этого их получали только в виде спеченных брикетов.

Этому успеху способствовало то, что слитки драгоценных металлов малогабаритны и указанному заводу полностью подошла печь на слиток диаметром всего лишь 100 мм.

Через год на Ижевском металлургическом заводе вошла в строй плазменно-дуговая печь на слиток диаметром 150 мм, металл которой с успехом использовался для изготовления некоторых деталей всемирно известной автоматической винтовки конструкции Калашникова.

В 1967 г. на электрометаллургическом заводе в г. Электросталь была пущена плазменно-дуговая печь новой конструкции для производства специальных сталей и сплавов. На этой печи выплавлялись слитки массой 0,5 т и больше.

Далее последовали печи не только для переплава прецизионных сплавов, но и для производства слитков компактного химически чистого титана из губчатого металла (Запорожский титано-магниевый комбинат), а также слитков титановых сплавов различного назначения.

Б.Е. Патоном было предложено применить плазменную плавку для переработки отходов титана. В короткие сроки в лабораториях Института электросварки проведены исследования процесса плазменной плавки из листовых отходов, стружки и отходов губчатого титана.

Руководство Министерства цветной металлургии обратилось к Борису Евгеньевичу с просьбой о создании промышленных печей для этих целей. Такие печи были спроектированы, изготовлены и совместно с Алчевским металлургическим комбинатом и Запорожским титаномагниевым комбинатом сданы в эксплуатацию в 1972 и 1979 гг.

На Алчевском меткомбинате впервые в мире методом плазменной плавки были получены плоские слитки размером 800x120x1300 мм из 100 % листовых отходов титана. После прокатки слитков из листа изготавливали химическое оборудование, которое успешно эксплуатировалось на предприятиях химического комплекса.

Плазменная двухручьевая печь УП-100, установленная на Запорожском титано-магниевом комбинате, позволяет выплавлять из отходов губчатого титана одновременно два слитка диаметром до 300 мм и длиной 2500 мм, а также два плоских слитка размером 400x200x2500 мм. Уникальность печи заключается в том, что она позволяет выплавлять как одновременно два слитка, так и попеременно по одному слитку с переливом из одного кристаллизатора в другой.

Слитки использовались в качестве расходуемых электродов в вакуумно-дуговых литейных печах для получения литых изделий. Тысячи единиц запорной титановой арматуры установлены на предприятиях химической промышленности во многих странах СНГ.

Серьезную проблему представляла рациональная переработка отходов титана, накапливавшихся на авиационных и моторостроительных заводах. На Запорожском моторном заводе (ОАО «Мотор-Сич») существующая промышленная печь ВДЛ-4 была оснащена разработанным в ИЭС нерасходуемым электродом с рабочим током до 20 кА для получения отливок ответственного назначения из 100 % отходов литья.

Мощность плазменнодуговых печей постоянно росла и достигла выплавки 3,5-тонного слитка на Ижевском металлургическом заводе.

В короткие сроки с помощью плазменно-дуговых печей был решен ряд крупных экономических задач, в частности производство высокопрочных канатов для сверхглубоких шахт (Ижевский металлургический завод); внесен существенный вклад в решение проблемы вторичного титана; получена биметаллическая сверхтонкая лента для магнитной записи программ спутников Земли, работающих на орбите в длительном автоматическом режиме (Ленинградский сталепрокатный завод), и др.

Поскольку в 1960-х и 1970-х годах мощности электропечестроения в России были развиты слабо, для скорейшего распространения плазменно-дугового переплава академик Б.Е. Патон предложил собственную идею, которая заключалась в том, чтобы осуществлять процесс ПДП в корпусе вакуумно-дуговой печи. Этот новый вариант плазменно-дугового переплава получил название переплав «расходуемого» плазмотрона (ПРП).

Суть предложенного метода переплава состояла в том, что для переплава вместо сплошного расходуемого электрода используется расходуемый электрод с осевым отверстием (полый электрод), через которое в процессе плавки в зону дуги подается плазмообразующий газ. Состав этого газа можно варьировать в зависимости от требований технологии, т. е. это может быть инертный газ либо газовые смеси, в состав которых наряду с инертными газами входят газы, например азот или водород, которые взаимодействуют с жидким металлом.

Эта идея базировалась на прекрасном знании процесса вакуумно-дугового переплава и на использовании физического явления так называемого эффекта полого катода. При определенных параметрах электрического режима внутренняя поверхность электрода может одновременно выполнять роль катода и стенок сопла плазмотрона. В результате дуговой разряд по своим физическим характеристикам переходит в плазменный.

Переплав расходуемого плазмотрона впервые был проведен в промышленных масштабах на электрометаллургическим заводе «Днепроспецсталь» (г. Запорожье) в 1973 г. Были выплавлены слитки диаметром 320 мм (массой до 1,0 т) из высокопрочной и жаропрочной азотсодержащей стали.

Параллельно с увеличением мощности плазменных печей происходил процесс совершенствования и наращивания единичной мощности дуговых металлургических плазмотронов. Первые плазменно-дуговые печи были оснащены дуговыми плазмотронами постоянного тока, способными в течение продолжительного времени (до 50 ч) работать на токе до 500 А. В дальнейшем на основании широких исследований был создан ряд дуговых металлургических плазмотронов серии ПДМ, способных работать длительное время (достаточное для ведения одной плавки) на токах 5,0...6,0 кА.

Переломным этапом в создании мощных металлургических плазмотронов явился переход на принципиально новый метод повышения стойкости электродов — применение плазменных катодов и создание трехфазных плазменно-дуговых комплексов переменного тока. Работы, связанные с созданием и исследованием мощных металлургических плазмотронов постоянного и переменного тока с плазменным электродом, проводились по инициативе Б.Е. Патона. Эти плазмотроны мощностью до 2 МВт и с большим ресурсом получили признание во многих промышленно развитых странах и защищены патентами США, Англии, Германии, Франции, Японии и других стран. Созданные на их основе плазменные нагревательные комплексы переменного тока (трехфазная группа плазмотронов и источники питания к ним) мощностью до 5 МВт закуплены и успешно освоены фирмами «Крупп» (Германия), «Ниппон стил» (Япония) и ОАО «Буммаш» (Россия).

Особого внимания заслуживают работы, посвященные плазменнодуговым комплексам, поскольку в металлургии они оказались наиболее приемлемыми — как по технически более простому оснащению, так и по технологическим возможностям. Такими комплексами могут оснащаться дуговые сталеплавильные печи. В этом случае плазменно-дуговой комплекс используется вместо графитовых электродов. Трехфазные комплексы дуговых плазмотронов находят широкое применение при создании переплавных печей с формированием слитка в охлаждаемом медном кристаллизаторе (печи УП100, У600), их можно также использовать для интенсификации плавки в индукционных печах открытого типа или вакуумных (комплекс ПДТУ-300).

Одним из направлений в развитии прогрессивных плазменных технологий явилась плазменная внепечная обработка стали. Применение плазменных источников тепла в этом процессе позволило избежать недостатков, присущих ковш-печам с дуговым нагревом, и достичь более высокого качества стали. Этими разработками заинтересовалась японская фирма «Ниппон стил». В 1988 г. на этой фирме в технологической цепочке домна — конвертер — плазменная внепечная обработка стали — машина непрерывного литья был введен в эксплуатацию 100-тонный ковш-печь, оборудованный плазменным нагревательным комплексом Института электросварки мощностью до 5 МВт. В 1996 г. на ОАО «Буммаш» (г. Ижевск) был успешно введен в эксплуатацию ковш-печь емкостью до 30 т, оснащенный плазменным нагревательным комплексом Института электросварки мощностью до 4 МВт. Скорость нагрева стали в этом ковше-печи достигает 4...15 °С/мин.

В 1975 году Б.Е. Патон предложил коренным образом изменить способы обработки поверхности слитков перед деформацией, основанные на использовании плазменных источников нагрева. Так в ИЭС им. Е.О. Патона появилось новое направление — плазменно-дуговое рафинирование поверхности (ПДРП), безотходный метод устранения поверхностных дефектов.

Освоению этой технологии предшествовал большой объем физикохимических и технологических исследований, включающий изучение теплообмена, газодинамического давления плазмы на металл, локального взаимодействия металла с газом в пятне нагрева и т. д.

Такие исследования были необходимы для управления глубиной проплавления поверхностного слоя, размерами ванны и для предотвращения слива металла с цилиндрической поверхности вращающегося слитка, с учетом особенностей плазменно-дугового переплава поверхностного слоя заготовок из металлов с высокой теплопроводностью.

Конструкторско-технологические работы выполнялись совместно с организациями Минчермета, Минцветмета и Минавиапрома России. На заводах «Электросталь», ВСМПО (Россия) и «Днепроспецсталь» (Украина) были созданы специализированные участки, оснащенные многоплазмотронными высокопроизводительными агрегатами ПДРП, предназначенными для обработки плоских заготовок и цилиндрических слитков диаметром до 800 мм и длиной до 3 м.

Область их применения охватывает дорогие жаропрочные дисперсионно-твердеющие сплавы на никелевой основе, нержавеющие стали для тонкостенных труб, магнитно-мягкие сплавы и др. В 1990-е годы на этих заводах основная масса слитков спецсплавов ВДП обрабатывалась с применением плазменно-дугового нагрева.

Наряду с признанными методами, которые в свое время составили основу специальной электрометаллургии, — способами выплавки, рафинирования и обработки спецсталей и сплавов, необходимо отметить разработанный в ИЭС им. Е.О. Патона в начале 80-х годов прошлого столетия процесс выплавки слитков на основе индукционного нагрева — индукционный переплав в водоохлаждаемом медном секционном кристаллизаторе (ИПСК). Этот процесс, который использует мягкий нагрев, присущий индукционному источнику тепла, позволяет в отсутствие контакта жидкого металла с огнеупорами получать и рафинировать высокореакционные металлы и сплавы на их основе.

В ИЭС им. Е.О. Патона разработан ряд установок и технологий, основанных на ИПСК, которые были внедрены в различных отраслях:

- утилизация отходов титана («Киевтрактородеталь», г. Киев);

- рафинирование отходов ванадийсодержащих лигатур (Ленинабадский комбинат редких металлов, Таджикистан);

- рафинирование черновых редкоземельных металлов (Киргизский горно-металлургический комбинат, Киргизия);

- утилизация и рафинирование драгоценных металлов платиновой группы (Екатеринбургский завод по обработке цветных металлов, Россия, Государственное предприятие «Рубин», Украина).