Электрошлаковое литье и его возможности

17.07.2018
Литье, и особенно крупнотоннажное, широко используется в машиностроительном производстве в качестве заготовок изделий. Изготовление литой заготовки сложной формы значительно дешевле изготовления ее другими методами. Размеры литых заготовок в большей степени приближаются к размерам готового изделия, чем размеры поковки или катаной заготовки.

Как правило, свойства металла литой заготовки хуже свойств исходного металла. Это связано с тем, что современное литейное производство в силу своей специфики вынуждено сначала отдельно приготовить расплавленный металл, а затем залить его в полость литейной формы. И несмотря на то, что сегодня литейное производство располагает достаточным количеством средств для приготовления расплавленного металла самого высокого качества, необходимость транспортировки металла к литейной форме и реагирование его при заливке в форму с газами воздуха, атмосферой внутри формы и ее материалом неизбежно приводит к загрязнению металла, снижению его свойств, ухудшению качества поверхности отливки. При этом надо иметь в виду, что крупные стальные изделия отливают преимущественно в песчано-глинистые формы, где из-за медленного отвода тепла в отливке возникают еще и дефекты кристаллизационного и ликвационного происхождения. Хорошо известно, что ковка литого металла улучшает его свойства. Поэтому во всем мире изделия ответственного назначения стремятся изготовлять из деформированного металла, чаще всего из поковок. Однако ковка не повышает чистоты металла, не устраняет приобретенную в наследство от литой заготовки химическую неоднородность.

До сих пор машиностроение в основном руководствовалось альтернативой: либо использовать литые фасонные заготовки с минимальными припусками на механическую обработку и довольствоваться невысоким качеством их металла, либо иметь кованые заготовки из металла требуемого качества и расплачиваться за это непомерно высоким расходом металла в стружку, повышенной трудоемкостью изготовления, необходимостью задалживать дефицитное кузнечно-прессовое оборудование.

Есть и другой путь, позволяющий гораздо проще решать проблему одновременного сочетания в литой стальной заготовке сложной формы с высоким качеством металла.

Технология электрошлакового литья (ЭШЛ) фасонных изделий* в корне меняет сложившееся и подтверждаемое всем ходом современного развития литейного производства мнение о неравноценности литого и деформированного металла. ЭШЛ как технология получения фасонных отливок обязана своим рождением достижениям электрошлакового переплава (ЭШП), который ныне является одним из основных направлений развития современной специальной электрометаллургии во всем мире. Как это доказано исследованием многочисленных марок стали, литой электрошлаковый металл по своим механическим свойствам равноценен кованому металлу, отличается от последнего большей плотностью, стабильностью и изотропностью свойств. При ЭШП химический состав стали практически не изменяется, однако существенно улучшаются ее пластические свойства.

Своим незаурядным качеством литой электрошлаковый металл прежде всего обязан рафинирующему действию ЭШП, весьма благоприятным условиям кристаллизации отливки в водоохлаждаемой изложнице.


Для иллюстрации качества литого электрошлакового металла на рис. 1 и 2 приведено сравнение механических свойств некоторых типичных марок теплоустойчивых сталей в литом виде после ЭШП-2 со свойствами тех же сталей в литом 1 или деформированном состоянии, но обычной выплавки. Как видно из диаграмм, литой металл ЭШП превосходит по механическим свойствам литой металл обычной выплавки (см. рис. 1, где приведено сравнение механических свойств стали 15X1M1Ф при 20°С и при 565 °C в эксплуатации). Литой металл ЭШП не уступает по этим же показателям и деформированному металлу (см. рис. 2, где дано сравнение механических свойств деформированной и литой стали 20X2M в одинаковой толщине: 1 — листовой прокат открытой выплавки, образцы вырезаны поперек проката; 2 — литой электрошлаковый слиток-сляб, образцы вырезаны поперек кристаллов; 3 — листовой прокат открытой выплавки, образцы вырезаны по толщине листа; 4 — литой электрошлаковый слиток-сляб, образцы вырезаны по толщине плиты).

Горячедсформированная сталь, как известно, по сравнению с литой обладает повышенной стойкостью против хрупких разрушений. Интересно, что после ЭШП литая сталь не уступает деформированной стали обычной выплавки по такому показателю, как критическая температура

хрупкости. В этом легко убедиться на примере исследования сталей 20Х2М, 09Г2С, 15Х1М1Ф (рис. 3, сверху вниз) в одинаковой толщине 90 мм. На рисунке 1 — литой электрошлаковый слиток-сляб; 2 — прокат открытой выплавки; 3 — литой слиток-сляб открытой выплавки. В табл. 1 приведены данные о влиянии ЭШП на ударную вязкость теплоустойчивой роторной с стали 25ХНЗМФА.

Литой электрошлаковый металл теплоустойчивой стали 15Х1М1Ф имеет более высокую сопротивляемость разрушению (рис. 4: 1 — обычное литье с = 9 кгс/мм2; 2 — электрошлаковый литой металл о = 12 кгс/мм2). Более того, как видно из табл. 1 и 2, литой электрошлаковый металл практически не уступает электрошлаковому металлу, подверженному деформации.

Однако возможности ЭШП далеко не исчерпаны. Свойства литого электрошлакового металла можно улучшить путем повышения эффективности рафинирования жидкого металла, с одной стороны, и улучшения кристаллизационной структуры отливки — с другой. Наиболее верный путь к повышению чистоты металла состоит в применении многокомпонентных рафинирующих шлаков, использовании РЗМ и комплексных модификаторов. Например, усталостная прочность электрошлаковой стали 38ХС в результате ее обработки РЗМ в процессе ЭШП повышается в 2 раза.

Улучшить структуру отливки можно путем введения электромагнитных колебаний в зону плавления, ведения плавки в импульсном режиме, введения в металлическую ванну металлических частиц с целью искусственного создания множества дополнительных центров кристаллизации. Если будущее изделие должно иметь полости, то при выплавке заготовки такого изделия методом ЭШЛ следует стремиться к формированию этих полостей уже в заготовке, так как это позволит существенно улучшить структуру отливки в целом.

Принимая во внимание высокие свойства литого электрошлакового металла и потенциальные возможности его дальнейшего улучшения, его все чаще используют, как предполагалось ранее, в конструкциях изделий самого ответственного назначения. Несмотря на очевидные преимущества литого электрошлакового металла, в существующих технологических условиях, стандартах на металл он не зарегистрирован как материал, получаемый в условиях литейного производства. Более того, в указанных нормах отмечается, что прочность литого изделия меньше, чем прочность изделия из деформированного металла. Такое положение в настоящее время является препятствием для широкого использования в конструкциях ответственного назначения электрошлакового литого металла. В связи с этим мы разделяем точку зрения японских специалистов о необходимости регистрации электрошлакового литого металла в классификации Международной организации по стандартизации, а также в соответствующих классификациях, стандартах и технических условиях различных стран.
Электрошлаковое литье и его возможности

Поистине неограниченные возможности в использовании литого электрошлакового металла в машиностроительном производстве открывает технология ЭШЛ.

ЭШЛ в отличие от приемов обычного литья предусматривает одновременное непрерывное приготовление и расходование жидкого металла в едином с литейной формой агрегате.

Вот как это происходит (рис. 5). В плавильном пространстве литейной формы, которая в данном случае является металлическим водоохлаждаемым кристаллизатором 2 и внутренние очертания которого повторяют наружные очертания отливаемой заготовки, создается жидкий электропроводный шлаковый расплав 3. Стальной расходуемый электрод 1, из которого приготовляется жидкий металл для формирования отливки, плавится теплом, генерируемым в шлаке электрическим током.

Жидкий металл с оплавляемого конца электрода, погруженного постоянно в шлаковую ванну, транспортируется в литейную форму, не соприкасаясь с воздухом. На рис. 5: 4 — литая обечайка корпуса сосуда; 5 — водоохлаждаемый дорн; 6 — металлическая затравка.

Таким образом, водоохлаждаемая литейная форма, расходуемый электрод и электропроводный шлаковый расплав и источник электрического тока являются необходимыми элементами своеобразного плавильного агрегата. Литейная форма при этом выполняет две функции: во-первых, служит местом для приготовления жидкого металла и, во-вторых, собственно используется по прямому назначению — для формирования и кристаллизации отливки.

К числу достоинств ЭШЛ можно отнести отсутствие какого бы то ни было взаимодействия жидкого металла с материалом литейной формы. Шлаковая ванна, температура которой на 200...300 °C выше температуры плавления металла расходуемого электрода, служит активной рафинирующей средой, ассимилирующей у проходящего через нее жидкого металла неметаллические включения, в первую очередь серу, азот, кислород, при определенных условиях, водород. Ta же шлаковая ванна служит надежной защитой жидкого металла от окисления во время его транспорта в литейную форму. Возможность регулирования в широких пределах скорости наплавления металла позволяет вести подпитку головной части отливки в нужном режиме и полностью исключать условия для образования усадочной раковины и таким образом практически не иметь в отливке прибыли. Благодаря тому, что литое изделие выплавляется в тонкой корочке шлакового гарнисажа, оно имеет поверхность, практически не требующую последующей механической обработки. Металлическая водоохлаждаемая форма отличается высокой долговечностью и способна выдержать от нескольких сотен до нескольких тысяч плавок. Техника ЭШЛ позволяет вести процесс отливки изделия с частичным а или полным б непрерывным переливом жидкого металла из плавильной емкости в полость литейной формы (рис. 6); при этом плавильная емкость перемещается относительно неподвижной литейной формы по мере заполнения ее металлом отливки. В результате перелива удается заметным образом повысить степень рафинирования жидкого металла и, в частности, его дегазацию, в том числе и удаление водорода. Перелив металла создает совершенно новые возможности получения отливок сложной и разнообразной формы, недостижимой при электрошлаковом процессе в его каноническом виде, когда расходуемый металлический электрод соосен со слитком или отливкой. ЭШЛ с переливом металла практически снимает все ограничения, связанные с соотношением сечений расходуемых электродов и отливки. О больших возможностях ЭШЛ свидетельствует и такой факт. Можно получить литое изделие развитого сечения и практически любой формы, если предварительно отлитые части будущего изделия установить в отверстия литейной формы для выплавки объединяющей их части этого изделия. При этом во время выплавки объединяющей части изделия к ней будут приплавляться другие части изделия, как это, например, происходит при сварке, когда сварной шов соединяет свариваемые детали. Таким образом получается даже самая сложная деталь машиностроения — коленчатый вал (рис. 7, а: 1 — расходуемый электрод; 2 — приплавляемая шейка диаметром 480 мм коленчатого вала; 3 — металлическая водоохлаждаемая литейная форма; 4 — плечо коленчатого вала). При необходимости могут изготовляться коленчатые валы практически неограниченных размеров и веса (рис. 7, б, в).


Благодаря ЭШЛ в России решена проблема производства корпусов запорной арматуры из теплоустойчивой стали типа 15Х1М1Ф и корпусов клапанов из аустенитной стали 18-8, энергоблоков тепловых и атомных электростанций типа корпусов сосудов высокого давления (рис. 8, а-в); 1 — расходуемый стальной электрод; 2 — выплавляемая отливка; 3 — внутреннее водоохлаждаемое устройство; 4 — водоохлаждаемая металлическая литейная форма.

He представляет технической проблемы изготовление литых валков для станов холодной прокатки, близких по форме к готовому изделию заготовок шатунов судовых дизелей, полых слитков — от заготовок для прессования труб до толстостенных обечаек корпусов атомных реакторов. Методом ЭШЛ могут быть изготовлены 100... 150-тонные бандажи сверхмощных цементных печей диаметром до 6...7 м, которые затем ввариваются непосредственно в корпус печи.

Большие перспективы имеет электрошлаковая технология получения литых изделий сложной формы путем сварки отдельных частей, отлитых методом ЭШЛ. Это позволит расширить производство крупногабаритных литосварных изделий, не уступающих по эксплуатационным характеристикам изделиям из штампосварных или кованосварных заготовок. Такой метод изготовления изделий сложной формы позволяет практически полностью отказаться от применения кузнечно-прессового оборудования. Благодаря своей простоте и простоте средств реализации, электрошлаковая технология может быть применена на любом (независимо от его размеров) машиностроительном предприятии. В конечном счете такое усовершенствование производства крупногабаритных сварных конструкций сулит большие выгоды.

Простейшим и в то же время, пожалуй, одним из самых перспективных примеров литосварного изделия является заготовка сверхмощного ротора турбогенератора весом 400...600 т, получаемая путем электрошлаковой сварки по бифилярной схеме ЭШП относительно небольших, весом 60...100 т, электрошлаковых слитков диаметром 2,5...3,0 м. Нет необходимости перечислять здесь хорошо известные недостатки, которые были бы присущи обычной технологии отливки и самой отливке такого сверхкрупного слитка. О том, насколько сложна и трудоемка задача осуществления подобной технологии, говорить не приходится. Предлагаемая технология получения литосварных изделий позволяет не только не задалживать кузнечно-прессовое оборудование, но и отказаться от его строительства в будущем для нужд производства сверхкрупных ответственных конструкций.

Электрошлаковая технология открывает поистине неограниченные возможности в производстве фасонных композитных изделий. Части будущего изделия, работающие в более сложных условиях, чем остальные, могут в процессе изготовления изделия отливаться методом ЭШЛ из материалов, свойства которых в наибольшей степени отвечают специфическим условиям их работы. Например, можно отлить композитный вал, у которого наиболее нагруженные части — шейки — выплавляются по приведенной на рис. 8 схеме из более прочной стали, чем плечи. Более того, сделав коленчатый вал композитным, можно уменьшить его размеры и соответственно вес, что позволит, видимо, внести изменения в конструкцию судового дизеля.

О том, что возможности ЭШЛ далеко не исчерпаны, свидетельствует многогранность этой технологии. Оказывается, она позволяет получать не только многотонные отливки сложной формы. На ее основе в России эффективно решена проблема получения высококачественных прецизионных зубных протезов, коронок и других изделий для стоматологической практики.

В рамках этого доклада не представляется возможным осветить вопросы, относящиеся к ЭШЛ, мы попытались остановиться лишь на главных из них. Следует, однако, с удовлетворением отметить, что гениальные предсказания великого русского металлурга Д.К. Чернова о потенциальных преимуществах литого металла перед деформированным стали реальностью благодаря электрошлаковому процессу рафинирования металла и созданию благоприятных условий для его кристаллизации, как это имеет место при ЭШЛ.

В ближайшее время мы, несомненно, станем свидетелями дальнейшего бурного развития новой и перспективной технологии ЭШЛ не только в нашей стране, но и за ее пределами.