Новая безотходная технология - электрошлаковое кокильное литье

17.07.2018
Рациональное и экономное использование металла — одно из главных условий дальнейшего успешного развития промышленности нашей страны. В «Основных направлениях развития народного хозяйства России на 1981-1985 годы и на период до 1990 года» особое внимание уделяется созданию и внедрению новых технологий, позволяющих максимально снизить расход металла на каждом его переделе.

Одна из таких технологий разработана в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН Украины и получила название электрошлаковое кокильное литье (ЭКЛ). ЭКЛ является двухстадийным процессом: на первой стадии в электрошлаковой печи накапливают жидкий металл, а затем производят разливку этого металла в кокили вместе со шлаком, использованным при плаке.

Созданный на стыке электрошлаковой и литейной технологии метод ЭКЛ имеет ряд преимуществ перед каноническим электрошлаковым процессом и традиционной технологией кокильного литья.

Главным преимуществом электрошлаковой плавки в тигельной печи перед плавкой в охлаждаемом кристаллизаторе является возможность использовать составные расходуемые электроды самой различной кош фигурации с неравномерным по высоте сечением. Например, электроды могут быть сварены из кусковой металлической шихты, лома, отбракованных деталей, изношенного инструмента и т. д.

Важным преимуществом также является возможность активного воздействия на металлический расплав во всем его объеме. При электрошлаковой тигельной плавке значительно упрощаются методы стабилизации химического состава сплава, особенно при наличии в нем легкоокисляющихся элементов, облегчается техника легирования и модифицирования.

При электрошлаковой плавке в тигельной печи могут быть достигнуты более высокие значения производительности переплава, чем при ЭШП, без ухудшения качества готового продукта, причем при плавке в печи с керамическим тиглем высокая производительность достигается при значительно меньших по сравнению с ЭШП величинах выделяемой в шлаке электрической мощности.

Опыт применения электрошлаковых плавильных печей с керамическим тиглем показал, что они по основным технико-экономическим показателям (удельный расход электроэнергии, КПД, стойкость огнеупоров) не уступают существующим индукционным печам аналогичной емкости (см. таблицу). При этом, как показали исследования, они превосходят открытые плавильные агрегаты по степени рафинирования и стабильности химического состава сплава по ходу плавки.

Электрошлаковые тигельные печи значительно дешевле и проще в эксплуатации, чем современные печи ЭШП, предназначенные для получения фасонных литых заготовок. В то же время в отличие от индукционных печей электрошлаковые печи с керамическим тиглем не требуют применения специальных источников питания повышенной частоты и громоздких кош денсаторных батарей.

Современная технология кокильного литья предусматривает обязательное нанесение на рабочую поверхность кокиля теплоизолирующих и противопригарных покрытий, красок, облицовок и т. д. Эта операция, как правило, довольно трудоемка, особенно при нанесении многослойных облицовок. Кроме того, даже при наличии указанного теплоизолирующего слоя поверхность кокиля испытывает довольно высокие термические напряжения. Стойкость кокилей, применяемых для литья высокотемпературных расплавов (стали, чугуна и других), довольно низка. Это не позволяет рационально использовать преимущества литья в кокиль: плотную структур ру отливок, связанную с высокой скоростью их кристаллизации, многократное использование литейных форм, легкость механизации и автоматизации процесса литья, высокую культуру производства.

Литье в кокиль электрошлакового металла вместе со шлаком, использованным при плавке, позволяет значительно расширить возможности кокильного литья. Жидкий шлак, попадая на поверхность кокиля, образует на ней тонкий теплоизолирующий слой шлакового гарнисажа, препятствующий образованию поверхностных дефектов в отливках. При этом отпадает необходимость предварительного нанесения покрытий на рабочие поверхности кокилей. Шлаковый гарнисаж, воспринимая на себя основную тепловую нагрузку от заливаемого в кокиль расплава, снижает величину теплового потока в стенку кокиля. Стойкость кокилей существенно увеличивается.

Однако этим не ограничивается полезный эффект от применения разливки металла со шлаком. Шлак в процессе разливки расплава выполняет еще две важные функции: во-первых, он покрывает струю металла при разливке, предохраняя последний от вторичного окисления и, во-вторых, всплывая в верхнюю часть литейной формы, выполняет роль тепловой надставки, эффективно обогревая отливку в процессе кристаллизации.

На рис. 1 представлены фотографии отливок, полученных обычным литьем в кокиль (1, а) и литьем в кокиль металла вместе со шлаком (1,б). Как видим, при отсутствии над отливкой теплоизолирующего слоя шлака в верхней ее части образуется «мост», способствующий формированию закрытой усадочной раковины. Наличие шлака над отливкой коренным образом меняет условия ее кристаллизации. Исследования показали, что перегрев жидкого шлака снимается в 5...6 раз медленнее, чем металла. Поскольку шлак при разливке имеет значительно более высокую температуру, чем заливаемый металл, шлаковая надставка в течение всего процесса кристаллизации отливки активно обогревает ее верхнюю часть. В кокильных отливках благодаря наличию указанного температурного градиента практически по всей высоте формируется плотная дендритная структура. Вместо закрытой усадочной раковины в отливках образуется усадочная впадина с пологими краями. Глубина этой впадины и протяженность дендритной зоны зависят от размеров отливки и высоты шлаковой надставки.

Высокая чистота электрошлакового металла и плотная структура отливок, полученных литьем в кокиль со шлаком, обеспечивают лучшие показатели механических свойств литого металла. На рис. 2, 3 показаны результаты сравнительных исследований механических свойств отливок, полученных из сталей 20, 18Х2Н4ВА, 4Х4М2ВФС, Х18Н10Т различными методами: литьем в землю металла открытой выплавки, литьем в кокиль металла открытой выплавки вместе со шлаком, полученным в отдельном агрегате, литьем в кокиль электрошлакового металла вместе со шлаком, использованным при плавке. Показатели качества металла отливок даны в сравнении с аналогичными показателями литого металла ЭШП и деформированного металла открытой выплавки. Установлено, что электрошлаковый металл, залитый и кокиль со шлаком, по показателям пластичности и ударной вязкости в 1,5...2,0 раза превосходит металл, полученный обычным литьем в землю и кокиль. Металл открытой выплавки, залитый в кокиль со шлаком, по свойствам занимает промежуточное положение между металлом обычного литья и электрошлако-вым. Как видно из рисунков, металл ЭКЛ не уступает по механическим свойствам литому металлу ЭШП и деформированному металлу открытой выплавки. Полученные данные позволили рекомендовать метод ЭКЛ для производства литых заготовок деталей ответственного назначения взамен изготовления их из поковок.
Новая безотходная технология - электрошлаковое кокильное литье

Указанные преимущества технологии электрошлакового кокильного литья: возможность переплава металлоотходов с сохранением химического состава стали или сплава, хорошая поверхность и высокое качество отливок — позволили реализовать на ряде заводов замкнутый цикл производства прокатно-штампового инструмента из отработанных изделий. Созданная на базе метода ЭКЛ технология проста: изношенные изделия сваривают в расходуемый электрод, переплавляют в электрошлаковой тигельной печи и полученный жидкий металл вместе со шлаком, использованным при плавке, заливают в неохлаждаемые стальные или чугунные кокили. На рис. 4 показана промышленная двухручьевая электрошлаковая плавильно-разливочная печь для производства заготовок калибров холодной прокатки труб (ХПТ) на никопольском Южнотрубном заводе.

Расходуемый электрод (рис. 5) состоит из изношенных калибров, сваренных внахлест по опорным плоскостям. Разливка расплава производится одновременно в два чугунных кокиля (рис. 6). Полученные отливки близки по конфигурации и размерам к готовым изделиям. На рис. 7 представлены фотографии литых заготовок ЭКЛ калибров ХПТ-32У (слева) и готовые калибры после механической обработки. Применение технологии ЭКЛ на никопольском Южнотрубном заводе позволило снизить трудоемкость изготовления калибров почти в 2 раза.

Аналогичная технологическая схема реализована на Киевском заводе им. Ф.Э. Дзержинского, ПО «Киевтрактородеталь» и других предприятиях. На рис. 8 показаны заготовка матрицы пресс-формы литья под давлением, полученная методом ЭКЛ на Киевском заводе им. Ф.Э. Дзержинского (слева), и изношенная матрица с сеткой разгара.


Применение составных разъемных кокилей позволяет получать литые электрошлаковые заготовки различной конфигурации. На рис. 9-11 показаны заготовки пуансона вырубного штампа, кулака соледобывающего комбайна и вилки кардана, полученные методом ЭКЛ.

Опыт промышленного внедрения новой технологии показал, что при ее использовании взамен получения инструмента из поковок и проката значительно сокращается технологический цикл производства инструмента, высвобождается дефицитное кузнечно-прессовое оборудование, более рационально используется инструментальная сталь.

Только в сфере производства экономится от 0,3 до 0,8 тыс. руб. на каждой тонне инструментальной стали. Кроме того, во многих случаях повышается стойкость инструмента. Так, по данным Киевского завода им. Ф.Э. Дзержинского, стойкость горячей штампо-вой оснастки повышается в 1,5...1,7 раза, стойкость холодных отрезных и высадочных штампов — в 2...3 раза, стойкость пресс-форм литья под давлением — в 1,5 раза.

По данным никопольского Южнотрубного завода, по стойкости литой инструмент для холодной прокатки труб не уступает деформированному, а на ряде маршрутов прокатки превосходит последний в 1,1...1,3 раза.

Следует отдельно остановиться на резервах технологии ЭКЛ. Такими резервами являются прежде всего способы воздействия на жидкий расплав: модифицирование, введение микро- и макрохолодильников, инокуляторов, вибрация, электромагнитное перемешивание и т. д. Кроме того, немалые возможности открывает и термическая обработка готовых отливок. В настоящее время она производится, как правило, по стандартной, принятой для деформированного металла, технологии. Вместе с тем использование специальных режимов термической обработки, в частности, направленных на измельчение зерна и более равномерное распределение карбидных включений, может еще более повысить качество металла и долговечность работы инструмента. Так, применение оптимальной термической обработки горячих штампов из стали 4Х4М2ВФС на Киевском заводе им. Ф.Э. Дзержинского позволило повысить их стойкость в 3,0...3,5 раза по сравнению с коваными.

Однако область применения ЭКЛ не ограничивается только получением заготовок из инструментальных сталей. В перспективе — производство изделий из специальных сплавов: жаропрочных, нержавеющих и т. д. Как известно, эти сплавы трудно поддаются деформации и механической обработке. Метод ЭКЛ может быть весьма эффективным при изготовлении литых заготовок из этих материалов. То же самое относится и к изделиям из конструкционных сталей, особенно при производстве фасонных деталей. Использование ЭКЛ может значительно снизить расход металла в стружку, уменьшить трудозатраты, повысить коэффициент использования металла.

Главное достоинство ЭКЛ — исключительная простота и доступность. Опыт показал, что освоение этой технологии под силу не только предприятиям с развитым металлургическим производством. ЭКЛ может быть внедрено на предприятиях отраслей группы Б — легкой, пищевой, местной — везде, где требуется осуществить замкнутый цикл производства заготовок деталей, запасных частей и инструмента из отходов сталей различных марок.

Для полного удовлетворения потребностей различных предприятий в оборудовании ЭКЛ в Институте электросварки им. Е.О. Патона разработана гамма установок, позволяющих получать отливки массой от нескольких до сотен килограммов, включая печи как с программным управлением, с широким использованием АСУ ТП, так и простейшие электрошлаковые установки с ручным приводом, изготовление и эксплуатация которых под силу любой ремонтно-инструментальной мастерской.

Такие простейшие установки, питаемые от обычных сварочных трансформаторов мощностью 150...200 кВ-А, могут переработать в год до 10...15 т стальных отходов в высококачественные литые заготовки. Эти «мини-установки» уже сейчас пользуются повышенным спросом и, по-видимому, в ближайшее время найдут себе самое широкое применение.

Возможности новой технологии до конца еще не изучены и, конечно, не исчерпаны. Многое определится в ходе дальнейших работ. Несомненно главное — создан новый метод электрошлакового литья, метод высокоэффективный, простой и доступный, позволяющий в условиях каждого предприятия или отрасли оперативно решать вопросы рационального и экономного использования металла.