Специальная электрометаллургия: полвека в действии. Что дальше?

17.07.2018
Ежегодное мировое производство стали вплотную приблизилось к миллиарду тонн. В этом океане металла лишь немногим более 1 млн т составляют высоколегированные стали и всевозможные сплавы, изготавливаемые методами специальной электрометаллургии (СЭМ). Специальная электрометаллургия с первых дней своего рождения была предназначена и, по нашему мнению, надолго останется металлургической базой для таких прогрессивных областей деятельности человека, как авиация, космическая техника, электроника, медицина, энергетика.

Хорошо известные специалистам СЭМ достижения, которые можно наблюдать в последние 15-20 лет, позволили некоторым весьма авторитетным представителям промышленности заявить, что сегодня основные процессы и соответствующее оборудование специальной электрометаллургии доведены почти до совершенства. Производственникам же и ученым остается лишь улучшать системы управления и контроля технологическими процессами. Удивительно, но такого рода высказывания прозвучали и на недавнем международном симпозиуме по специальной электрометаллургии. Подобные нотки успокоенности звучат не только за рубежом, но и в СНГ.

Действительно, анализируя труды упомянутого симпозиума в сопоставлении с трудами предшествовавших трех международных встреч спецэлектрометаллургов в г. Санта-Фэ, США и многолетних международных конференций американского вакуумного общества, начавшихся в 1967 г. Первым международным симпозиумом по ЭШП, можно заметить, что в последние годы практически нет публикаций о новых процессах и технологиях. В то же время все больше и больше появляется сообщений о системах управления и математическом моделировании процессов СЭМ. Однако такой анализ лишь на первый взгляд подтверждает тезис о том, что спецэлектрометаллургия достигла зрелости.

Мы полагаем, что в данный период идет лишь накопление предпосылок для очередного бурного всплеска идей и появления новых технических и технологических решений уже в ближайшее время. Такая уверенность в нашем институте — Институте электросварки — зиждется на нескольких основных, сегодня уже почти аксиоматических положениях. Во-первых, установленный и осознанный впервые именно сварщиками арсенал широких возможностей различного типа сварочных высококонцентрированных источников энергии в повышении качества металла сварного шва, а следовательно, и металла слитка любого из процессов СЭМ далеко не исчерпан. Во-вторых, только при тщательном контроле нагрева, охлаждения и движения металла, его поведения в двухфазной зоне можно осуществлять не просто ускоренное затвердевание, а управлять размерами, формой и распределением образующихся при затвердевании сплавов новых фаз. Реализация такого рода управления пока еще далека от совершенства для большинства сталей и сплавов СЭМ.

Что же такое СЭМ сегодня? Как правило, к СЭМ относят вакуумно-дуговой, электрошлаковый, плазменно-дуговой и электронно-лучевой переплавы (ВДП, ЭШП, ПДП и ЭЛП). Поскольку зачастую расходуемые электроды для ЭШП и ВДП выплавляют в вакуумно-индукционных печах, то к СЭМ относят и вакуумно-индукционную плавку (ВИП). Различные же технологические процессы получения новых материалов путем распыления/осаждения сегодня, за редким исключением, выделились в отдельную подотрасль.

Как известно, хронологически первым был создан вакуумно-дуговой переплав. Позже появился электрошлаковый переплав, за ним электронно-лучевой и плазменно-дуговой переплавы в медный водоохлаждаемый кристаллизатор. Вакуумно-дуговой и электронно-лучевой способы переплава металлов и сталей пришли к нам с Запада, а электрошлаковый и плазменно-дуговой переплавы металлов в медный водоохлаждаемый кристаллизатор родились в Советском Союзе. (В то время на Западе была известна лишь плазменно-дуговая плавка в печах с керамическим подом).

Оформление же СЭМ как самостоятельной подотрасли металлургии произошло только после появления ЭШП и строительства в России, а затем и в других странах специализированных отделений и цехов.

Поскольку базой для сравнения качества металла, полученного другими переплавными процессами, всегда являлся и является металл ВДП, а также потому, что сегодня одной из принятых технологий СЭМ является тройной переплав по схеме ВИП + ЭШП + ВДП, в ИЭС им. Е.О. Патона достаточно хорошо знакомы с основными достижениями в области ВДП. Это позволяет нам коротко сформулировать наше видение тенденций развития этого процесса, пусть и на основе работ других исследователей. Представляется, что благодаря современным системам управления процессом ВДП, а сегодня речь идет уже о промышленном применении нового поколения АСУ, построенных без датчика веса электрода, в ближайшие годы можно ожидать появления промышленных печей ВДП для производства слитков квадратного сечения. Кроме того, есть основания полагать, что особенности формирования слитка при известной как «ВАДЕР-процесс» разновидности ВДП позволяют повысить локальное время затвердевания по сравнению с каноническим переплавом и, следовательно, достичь нового уровня однородности измельчения структуры переплавленного металла. Это особенно важно при производстве суперсплавов, свойства которых весьма чувствительны к нерегулярностям макроструктуры слитка.

Плазменно-дуговой и электронно-лучевой переплавы сегодня развиваются преимущественно с использованием промежуточной емкости или, как принято в англоязычной литературе, холодного пода. Основной областью применения этих процессов сегодня стала плавка титана и его сплавов. Широкие возможности управления затвердеванием при ЭЛП и ПДП на холодном поду еще до конца не использованы. В работах сотрудников института доказана возможность получения слитков титановых и других сплавов с минимальной протяженностью жидкометаллической ванны или даже вовсе без нее при электронно-лучевой плавке на холодном поду. Эти результаты вполне очевидно могут быть достигнуты и при холодноподовой плазменно-дуговой плавке. На рис. 1 представлены макроструктуры слитков титанового сплава типа 6-4, наглядно иллюстрирующие большие потенциальные возможности новых приемов переплава. He удивительно поэтому, что несмотря на дороговизну, по сравнению с ЭШП и ВДП, в самое ближайшее время следует ожидать очередного витка в развитии технологии и оборудования для ПДП и ЭЛП на холодном поду применительно к плавке суперсплавов и других конструкционных материалов, требующих особой гомогенности структуры и химического состава, например интерметаллидов. Отметим при этом, что сегодня в Украине действуют промышленные холодноподовые печи ЭЛП для получения круглых и слябовых слитков массой до 4 т (по титану) и проходят опробование новые более мощные печи. За рубежом за последние годы также запущено несколько мощных холодноподовых печей ЭЛП и ПДП для плавки титана.

Отметим тут еще одно существенное преимущество холодноподовой плавки по сравнению с каноническими переплавными процессами СЭМ, т. е. процессами переплава исходной заготовки (расходуемого электрода) непосредственно в кристаллизатор. Это отсутствие жесткой связи между подводимой мощностью (или скоростью плавления электрода) и скоростью формирования слитка, что открывает практически широчайшие возможности управления затвердеванием наплавляемого слитка. В этой связи весьма перспективными представляются работы по получению спиннингованием или распылением контролируемой струи жидкого металла, а затем заготовок (слитков) с ультрадисперсной кристаллической структурой. Традиционно всевозможные технологии спиннингования и распыления основаны на обычной индукционной плавке в вакууме. Однако загрязнение металла огнеупорами, т. е. экзогенными неметаллическими включениями, до последнего времени существенно сдерживало применение распыленных заготовок для получения, например, дисков авиадвигателей. Использование же спиннингования/распыления металла, выплавленного без контакта с футеровкой в холодноподовой печи, позволяет резко повысить качество заготовки. По этому пути (исключение контакта жидкого металла, предназначенного для распыления, с футеровкой) пошли специалисты «Джэнерал Электрик», создавшие агрегат для получения распылением электрошлакового металла заготовок дисков авиадвигателей (рис. 2). Таким образом, мы полагаем, что в технике и технологии ПДП и ЭЛП в самое ближайшее время следует ожидать существенного нового шага — промышленного применения холодноподовой плавки для производства высококачественных слитков сложнолегированных сплавов, в т. ч. интерметаллических, как традиционным переливом, так и распылением/ спиннингованием.

Однако вернемся к ЭШП. Повышенный интерес к этому способу переплава вполне понятен, так как ЭШП уверенно занимает первое место среди других способов передела металлов СЭМ по объему производства. По разным оценкам методом ЭШП во всем мире производится около 800 тыс. т различных сталей и сплавов. Есть новые разработки и по ЭШП. За последние годы были осуществлены два принципиально новых процесса ЭШП, базирующихся на реализованной в Институте электросварки идее токоведущего кристаллизатора. Австрийская фирма «Интеко» на этой основе создала промышленную установку по переплаву электрода большего сечения в слиток меньшего сечения. В Италии на фирме «Вальбрунна» успешно эксплуатируется печь ЭШП фирмы «Интеко», на которой фактически осуществлен непрерывный электрошлаковый переплав.

Нами предложена и реализована двухконтурная схема ЭШП с двумя источниками тока (рис. 3), позволяющая достичь почти такой же независимости между подводимой мощностью и скоростью наплавления слитка, как и при ПДП и ЭЛП. Это дает возможность в широких пределах изменять не только глубину, но и форму металлической ванны, а следовательно, существенно изменять и структуру слитка (рис. 4).


Более того, возможность работать с плоской и мелкой жидкометаллической ванной позволила получать в результате смены электродов по ходу плавки биметаллические слитки без протяженной зоны переменного состава.

Насколько еще далеки от совершенства наши знания о природе процессов СЭМ свидетельствуют недавние результаты исследования кинетики растворения a-включений нитрида титана в титане. Оказалось, что при ЭШП в силу причин, требующих дальнейшего изучения, скорость растворения этих частиц на два порядка выше, чем при ВДП или холодноподовой плавке. В связи с указанной особенностью специалистами «Джэнерал Электрик» для производства титана предложен трехстадийный переплав с обязательным ЭШП перед последним ВДП, ЭЛП или ПДП, как это показано на рис. 5, а. В настоящее время данная возможность, имеющая принципиальное значение для изготовителей титана авиационного назначения, интенсивно исследуется. В Институте электросварки предложено эту трехстадийную схему осуществлять несколько по-иному, с завершающим ЭЛП (рис. 5, 6).

Полученные в самое последнее время результаты давно запатентованного способа переплава позволяют предсказать хорошее будущее также переплаву расходуемого плазмотрона (ПРП) и дуговому электрошлаковому переплаву (ДШП) (рис. 6). ПРП и ДШП сочетают в себе преимущества ВДП, ПДП и ЭШП, могут осуществляться на переменном и постоянном токе, обеспечивают качество металла не ниже, чем при каноническом ЭШП, и позволяют довести удельный расход электроэнергии до 800 кВт*ч/т. Кроме того, при ДШП и ПРП в атмосфере азота достаточно просто осуществляется легирование переплавляемого металла азотом из газовой фазы.

В данной статье мы не коснулись такого интересного процесса СЭМ, как индукционная плавка в секционном кристаллизаторе или холодном тигле. Думается, однако, что в связи с ростом потребности в новых конструкционных металлических материалах, например интерметаллических, этот процесс получит дополнительный толчок к дальнейшему развитию.

В заключение целесообразно еще раз обратиться к упоминавшимся в начале статьи публикациям. В работе есть краткое упоминание о преимуществах дуговых печей постоянного тока, а в трудах нет ни одной статьи о роли тока или влиянии типа источника тока на качество металла СЭМ. Нам представляется, что этот вопрос далеко не исчерпан и уж, по крайней мере, не изучен до конца. Последние достижения в области традиционных видов дуговой сварки с новыми источниками тока позволяют нам утверждать, что именно на этом пути могут быть достигнуты новые показатели различных технологических процессов СЭМ как в повышении их экономичности, так и в улучшении качества металла.

He менее важна и другая потенциальная возможность СЭМ — это не просто ускоренное затвердевание слитков в водоохлаждаемых кристаллизаторах, а контроль и управление размерами и распределением упрочняющих фаз и неметаллических включений! Пока это удается сделать лишь для немногих видов сталей и сплавов, отдельных типов второй фазы в том или ином сплаве. Наилучшие результаты достигнуты, пожалуй, при ЭШП инструментальных сталей и то лишь для слитков сравнительно малых размеров. Вместе с тем, сегодня металлургам становится все яснее и яснее, что любой сплав по своей природе и строению фактически является композиционным материалом. И как в любом композиционном материале оптимальные служебные свойства могут быть достигнуты лишь в том случае, когда в матрице данного сплава, данного композита упрочняющие частицы заданного размера распределены заданным образом или хотя бы равномерно. А из известных сегодня металлургам методов получения заготовок, которые могли бы быть отнесены к таковым, у которых структура полностью контролируется и управляется, кроме специальной электрометаллургии пока нет ничего. Поэтому мы полагаем, что следующий этап развития СЭМ будет связан с исследованиями в двух основных направлениях — применение новых источников нагрева и управление затвердеванием металла.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: