Новый способ электрической отливки слитков

Введение. В связи с развитием новых отраслей промышленности в последние годы непрерывно возрастает потребность в металлах и высоколегированных сплавах с заданными свойствами. Для производства таких металлов и сплавов недостаточно обеспечить высокую степень чистоты исходных материалов. Необходимо не допустить загрязнения металла в процессе его получения. К сожалению, современные методы плавки в мартеновских, дуговых и индукционных печах имеют общий недостаток, заключающийся в том, что переплавляемые металлы загрязняются в результате взаимодействия расплава с огнеупорами, а также с воздухом. В настоящее время в промышленности разрешена задача защиты жидкого металла от загрязнений, поступающих из атмосферы плавильного агрегата. С этой целью плавку и разливку ведут либо при вакууме либо в защитной атмосфере инертных газов (аргона, гелия и др.). Однако защитить металл от материала огнеупорной футеровки печи или тигля до недавнего времени не удавалось. Чтобы решить эту задачу необходимо исключить возможность контакта жидкого металла с огнеупором.

Такого рода принцип плавки металлов был впервые предложен выдающимся изобретателем электрической дуговой сварки Николаем Гавриловичем Славяновым еще в 1892 г. В своей книге «Электрическая отливка металлов» он писал: «...приготовление каких угодно сплавов может быть производимо при помощи электрической отливки совершенно так же, как... плавление металла в тигле; стоит только вместо одинаковых стержней... (электродов. — Прим. авт.) взять их из различных металлов или подбрасывать в расплавленный металл куски другого какого-либо металла.......

В 1954-1955 гг. в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН Украины разработан советский способ электрической отливки слитков путем последовательной наплавки металла в металлическом кристаллизаторе с жидкостным охлаждением. Принципиальной, отличительной особенностью этого способа плавки металлов является применение бездугового сварочного процесса. В отличие от способа Славянова в этом случае источником тепла служит не электрическая дуга, а жидкий электропроводный шлак, в котором происходит превращение электрической энергии в тепловую (рис. 1).

Новый способ отливки слитков. Схема процесса отливки слитков по способу Института электросварки представлена на рис. 2. В плавильное пространство внутри медного, охлаждаемого водой, кокиля-кристаллизатора подаются один или несколько электродов, в качестве которых служит сварочная проволока диаметром от 5 до 8 мм различного состава.

Между электродами и поддоном возбуждается дуга, горящая под толстым слоем зернистого сварочного флюса, который, расплавляясь, становится электропроводным и вначале частично, а затем полностью шунтирует дугу. В результате дуга гаснет и начинается бездуговой сварочный процесс, получивший название электрошлакового.

Легирующие материалы в плавильное пространство подаются в виде присадочной проволоки или сравнительно мелкоизмельченной крупки. Попадая в жидкий шлак, легирующие материалы расплавляются, постепенно погружаются в сварочную ванную и растворяются в ней.

По мере расплавления электродов и наращивания слитка поддон постепенно опускается. Поддон может оставаться также неподвижным. В этом случае кокиль должен перемещаться снизу вверх. Скорость перемещения слитка должна быть такой, чтобы уровень металлической ванны оставался неизменным относительно контактных устройств (мундштуков), подводящих сварочный ток к электродам. Жидкий шлак покрывает тонкой пленкой стенки кристаллизатора и не только защищает кокиль от непосредственного воздействия высокой температуры, развиваемой сварочным током в шлаке близ конца электрода, но и служит своего рода смазкой, облегчающей выход слитка из кокиля.

Чтобы обеспечить постоянство химического состава слитка по высоте необходимо обеспечить строгое постоянство соотношения количеств расплавляемых электродного и присадочного металлов. С этой целью приводы сварочных головок, подающих в зону плавки электродную проволоку, и приводы дозирующих устройств снабжаются двигателями со строго постоянными числами оборотов. Кроме того, необходимо создать условия для перемешивания шлака, а также металла.

Если расположить электроды в вершинах треугольника (рис. 3), то в центральной части поверхности ванны тепловые потоки будут направлены к каждому из электродов, что будет способствовать перемешиванию шлака и даст возможность засыпать легирующие металлы по центру кокиля. Металлические частицы, попадающие на поверхность шлака, в основной своей массе подхватываются потоками шлака и разносятся к электродам, т. е. в области наиболее высоких температур, где имеются условия для наиболее полного усвоения сварочной ванной легирующих элементов.

Процесс электрической отливки слитков в принципе может быть непрерывным. Можно отливать слитки разного диаметра от 100 до 300 мм. Поперечное сечение слитка определяется формой кристаллизатора. Так, например, можно изготовлять слитки круглого (рис. 4, а), квадратного, прямоугольного сечений и

другой формы. Наряду со сплошными слитками можно отливать также полые слитки в виде труб различного профиля с толщиной стенки 25...30 мм и более (рис. 4, б).

Новый способ электрической отливки позволяет получать металлы и сплавы практически любого химического состава.

Институтом электросварки разработана конструкция опытно-производственного агрегата Р-772 для электрической отливки слитков (рис. 5). Этот агрегат предназначен для изготовления круглых сплошных и полых слитков диаметром 135...300 мм и длиной до 1500 мм, а также может быть использован для изготовления слитков другой формы равновеликого сечения. Производительность агрегата составляет от 35 до 150 кг/ч.

В состав установки Р-772, помимо собственно плавильного агрегата, входят трехфазный трансформатор ТШС-3000/3, рассчитанный на фазный ток до 3000 А (суммарный до 9000 А), и пульт управления со встроенной в него аппаратурой автоматики. Установка имеет отдельное водоснабжение, обеспечивающее интенсивное принудительное охлаждение кокиля, поддона, токоведущих частей, защитных экранов, а также обмоток трансформатора.

Плавильный агрегат состоит из следующих основных узлов: 1) сварной станины; 2) трех сварочных головок для подачи электродов диаметром от 5 до 8 мм; 3) направляющей колонны с поддоном; 4) кристаллизатора; 5) четырех присадочных головок; 6) дозатора с шихтопроводом. Присадочные головки и дозаторы установлены на специальной металлоконструкции. Колонна с поддоном размещается в котловане глубиной около 2,5 м.

Сварочные головки осуществляют подачу электродных проволок диаметром от 5 до 8 мм со скоростью, изменяемой в пределах от 50 до 305 м/ч. Каждая из трех головок имеет устройства, позволяющие сматывать две бухты проволоки одну за другой, не прекращая процесса отливки слитков.

Присадочные головки предназначены для подачи присадочных проволок диаметром от 2 до 5 мм. Эти головки так же, как и сварочные головки, обеспечивают непрерывность процесса отливки при израсходовании одной из двух катушек с присадочной проволокой. Скорость подачи проволоки регулируется в пределах от 25 до 300 м/ч.

Дозирующее устройство состоит из ряда бункеров, из которых легирующие материалы подаются через мерный вал в кристаллизатор. Вал дозатора вращается с заданным числом оборотов, изменяемым в широких пределах. Настройка дозатора предусматривает изменение не только числа оборотов механизма, но также увеличение или уменьшение объемов мерных отверстий.

Некоторые металлургические особенности нового способа электрической отливки слитков. Основной особенностью нового технологического процесса является совмещение процессов плавки и разливки металла, а также отсутствие огнеупорных материалов в зоне плавки металла и надежная защита его от кислорода, азота и водорода воздуха толстым слоем жидкого шлака. Такие условия способствуют получению высококачественных металлов и сплавов при условии применения исходных материалов высокой степени чистоты.

Другой весьма важной металлургической особенностью способа электрической отливки слитков является использование бескислородных и неокислительных сварочных флюсов-шлаков.

К флюсам-шлакам для электрической отливки высоколегированных сталей и сплавов предъявляются следующие требования.

1. Шлак не должен окислять легирующих элементов и, в том числе, таких обладающих большим сродством к кислороду элементов, как, например, алюминий, титан, цирконий, бор и др. Шлак не должен препятствовать усвоению ванной жидкого металла легирующих элементов, подаваемых в шлак.

2. Шлак должен обладать соответствующей электропроводностью и теплопроводностью и быть способным выделять требуемое для расплавления электродов и шихты количество теплоты.

3. Шлак не должен быть слишком длинным, но не должен быть и слишком коротким, что может отрицательно влиять на его способности «смазывать» стенки кристаллизатора и облегчать выход слитка из кокиля.

4. Шлак должен быть достаточно легкоплавким, чтобы обеспечить быстрое наведение шлаковой ванны в момент начала отливки слитка и обеспечивать быстрый переход от дугового процесса к бездуговому.

В качестве шлаков для электрической отливки слитков с успехом используются натуральный бескислородный флюс, представляющий собой флюорит, а также неокислительные флюсы, построенные по принципу так называемых белых шлаков (система CaO-MgO-CaF2).

Шлаки для электрической отливки могут быть одно- или многокомпонентными. В последнем случае желательно применять плавленые, т. е. синтетические шлаки, подобно таким флюсам-шлакам, которые широко применяются при автоматической дуговой сварке. Флюсы, содержащие кремнезем, не должны применяться в тех случаях, когда отливаемый слиток должен быть легирован алюминием, титаном, цирконием, бором, но могут быть иногда использованы при плавке сталей, легированных хромом, вольфрамом, молибденом.

Третьей, весьма важной особенностью нового способа отливки слитков является то, что направленность столбчатых кристаллов, растущих в жидком металле, резко изменяется. В отличие от слитков, залитых в изложницу при всех других способах плавки металла и имеющих радиальную направленность кристаллов (рис. 6, а), слитки, полученные по этому способу, имеют четко выраженную осевую направленность кристаллов (рис. 6, б). Это объясняется последовательностью процесса роста слитка и своеобразным характером температурного поля, равномерно перемещающегося снизу вверх. При кристаллизации слитка в изложнице кристаллы растут нормально к поверхности теплоотвода, т. е. нормально к стенкам изложницы. Следствием этого является радиальная транскристаллизация слитков высоколегированных сталей и сплавов, сопровождающаяся часто появлением осевой рыхлости, а также неизменной усадочной раковиной в головной части слитка.

При отливке слитков по новому способу между жидким металлом и непрерывно охлаждаемыми стенками кристаллизатора всегда находится тонкий слой полузастывшего шлака, служащий своего рода теплоизоляционной прокладкой.

Ограниченный теплоотвод в стенки изложницы приводит к тому, что сварочная ванна приобретает своеобразную чашевидную форму с довольно плоским дном. Наличие трех электродов, т. е. рассредоточение источника нагрева, также способствует образованию плоского дна (рис. 7). При такой форме сварочной ванны преимущественное значение для направления роста столбчатых кристаллов приобретает теплоотвод в нижнюю часть уже отлитого и затвердевшего слитка, в результате чего кристаллы растут не от стенок кокиля к центру слитка (такого рода направленность роста кристаллов исчезает уже при удалении на 10...15 мм от поверхности слитка (рис. 8), а преимущественно снизу вверх вдоль оси слитка). В результате такой направленности роста кристаллов полностью исключается опасность поражения слитков осевой рыхлостью и образования усадочной раковины (рис. 9).

Постепенное наращивание слитка по мере наплавления металла сверху и непрерывное тепловое воздействие глубокой шлаковой ванны на кристаллизующуюся сварочную ванну способствуют наиболее полной дегазации металла и сводят к минимуму склонность к образованию горячих или так называемых кристаллизационных трещин. Осевая направленность кристаллов, пронизывающих слиток снизу доверху, независимо от его длины, способствует тому, что металл легче переносит горячую механическую обработку (ковку, прокатку), чем слитки аналогичного состава, полученные путем заливки металла в изложницу.

В Институте электросварки уже освоен технологический процесс получения слитков низколегированных сталей, например, стали марок 10Г2 с алюминием, хромистых нержавеющих сталей с содержанием 12...25 % хрома (рис. 8), хромоникелевых аустенитных сталей, а также жаропрочных и кислотостойких сплавов на основе никеля, например, сплава типа Х20Н80Т (марки ЭИ-437), сплавов никель-молибден типа хастеллой и никель-медь типа монель-металла. При отливке низколегированной стали в качестве электродов, образующих основу слитка, применяется обычная малоуглеродистая сварочная проволока. Легирование алюминием достигается путем подачи в зону плавки, т. е. непосредственно в шлак, алюминиевой проволоки.

Слитки хромистой нержавеющей стали были получены нами при использовании малоуглеродистой стандартной проволоки. Для получения стали марки 2X13 вводился малоуглеродистый феррохром, для низкоуглеродистой стали — металлический хром марки XO.

При отливке слитков на никелевой основе в качестве электрода служила твердая никелевая проволока диаметром 5 или 6 мм, приготовленная из никеля марки HO. Слитки сплава хастеллой были получены при введении в зону плавки металлического молибдена чистоты 99,95 % в количестве от 20 до 30 % веса расплавляемых электродов. Слитки монель-металла отливались с применением двух никелевых и одного медного электрода (в виде проволоки диаметром 4...5 мм).

При отливке слитков сплава типа Х20Н80Т основу сплава образуют три никелевых электрода диаметром 5 или 6 мм. Дозатор подает и шлак около 25 % (от веса никеля) металлического хрома в виде мелкой крупки. Алюминий и титан подаются в виде проволоки диаметром 2...3 мм. Подача этих металлов в виде порошка недопустима ввиду их сгорания еще в момент приближения к поверхности шлака.

Во всех случаях обеспечивается равномерное распределение легирующих элементов по высоте и сечению слитков. Естественно, что для наиболее равномерного распределения легирующих материалов желательно, чтобы подача шихты производилась как можно чаще в виде небольших порций.

Об однородности по химическому составу слитков, отлитых по новому способу, можно судить по данным, приведенным в таблице.

Выход годного металла при изготовлении слитков по новому способу чрезвычайно высок. Удалять приходится лишь небольшие куски по длине слитка в его нижней и в головной частях. Общая длина этих участков обычно не превышает 50 мм.

Таким образом, основным достоинством нового способа электрической отливки слитков является возможность получения металлов и сплавов заданного состава, обладающих требуемыми свойствами и отличающихся высокой степенью чистоты, ввиду исключения огнеупоров из зоны плавки, совмещения процессов плавки и разливки, а также вследствие совершенной шлаковой защиты металла от воздуха. Для получения сплавов указанного качества требуется применять весьма чистые исходные материалы, так как в новом процессе полностью исключена металлургическая обработка металла шлаком, имеющая место в других плавильных агрегатах.

Вместе с тем новый способ не свободен от недостатков. Главным из них является относительно высокая стоимость полученных слитков, обусловленная применением весьма дорогих особо чистых, часто трудно измельчаемых исходных материалов. Другим недостатком является невозможность использования скрапа. Сравнительно малая производительность также является недостатком способа электрической отливки слитков. Последний недостаток, по-видимому, можно в дальнейшем устранить путем устройства многоместных плавильных агрегатов.

В настоящее время можно предположить, что новый способ отливки слитков найдет применение в производстве высоколегированных сталей и сплавов с особыми свойствами, получение которых в других металлургических агрегатах либо затруднено, либо связано с понижением их качества. Можно надеяться, что новый способ электрической отливки найдет применение в производстве жаропрочных сталей и сплавов, требующихся для нашей промышленности.