Электрошлаковые технологии в производстве биметаллических заготовок

Главным сдерживающим фактором широкого промышленного использования биметаллов (листового и сортового проката, труб, проволоки и др.) является высокая стоимость, а также не всегда стабильное их качество и, прежде всего, проблема получения прочного соединения слоев, гарантирующего высокую эксплуатационную надежность биметаллических изделий. Среди применяемых методов получения биметаллических полуфабрикатов и изделий особое место занимают различные методы электрошлаковой технологии (ЭШТ).

Впервые в мировой практике идея использования ЭШТ (наплавки, сварки, переплава) при получении тяжелых биметаллических заготовок с коррозионно-стойким плакирующим слоем для прокатки была предложена в ИЭС им. Е.О. Патона HAH Украины в конце 50-х середине 60-х годов прошлого столетия. На основе электрошлаковой технологии получения биметалла было создано промышленное производство толстостенных штампосварных биметаллических сосудов высокого давления для нефтехимической промышленности и атомной энергетики.

С развитием технических средств, применяемых при ЭШТ, появились новые возможности, позволившие вести управление процессом кристаллизации металлической ванны, регулировать ее величину и форму, а также изменять производительность электрошлакового процесса в широких пределах, не нарушая его основных энергетических параметров.

Разработанные в последние годы новые технологические схемы, а именно электрошлаковые процессы с жидким металлом (ЭШТ ЖМ) и электрошлаковый переплав расходуемого электрода по двухконтурной схеме (ЭШП ДС), помимо существенного расширения возможности классических схем ЭШП, открыли совершенно новые перспективы в производстве биметаллических заготовок самого различного назначения. Указанные технологии базируются на использовании так называемого токоподводящего кристаллизатора специальной конструкции, при этом создаются благоприятные условия для управления кристаллизацией металла.

Рассмотрим некоторые примеры применения ЭШТ ЖМ и ЭШП ДС в производстве биметаллических заготовок.

Технология электрошлаковой наплавки жидким металлом (ЭШН ЖМ) позволяет наплавлять наружные поверхности цилиндрических заготовок практически любого диаметра — от 100 до 1000 мм и более и получать композитные заготовки деталей различного назначения такие, как прокатные валки и арматурные профили различного сечения (рис. 1), ролики машин непрерывного литья заготовок. Толщина наплавленного слоя определяется исключительно требованиями, заданными потребителем, и может составлять 20...100 мм и более.

Преимуществами данной технологии являются: высокая производительность процесса, превосходящая в десятки раз производительность традиционных методов наплавки, которая в зависимости от размеров наплавляемых заготовок и применяемых материалов составляет 200...800 кг/ч; низкий расход электроэнергии — 600...800 кВт*ч/т; возможность применения материалов самого различного химического состава. При ЭШН ЖМ могут быть использованы чугун, быстрорежущие, инструментальные и нержавеющие стали, жаропрочные никелевые сплавы и др., в том числе материалы, которые не поддаются ни холодному, ни горячему деформированию и практически не применяются для традиционных наплавочных технологий в виде проволоки расходуемых электродов, стержней, пластин и т. д.

Важнейшими параметрами качества биметаллических заготовок, определяющими их технологичность при изготовлении, а также потребительские свойства, являются прочность сцепления и сплошность соединения слоев. Комплекс свойств, характеризующих качество биметаллических заготовок, зависит в первую очередь от технологии получения данных заготовок, а точнее от характера процессов, протекающих на границе раздела материалов при их соединении.

Технология электрошлаковой наплавки жидким металлом применяется на Новокраматорском машиностроительном заводе для получения заготовок биметаллических прокатных валков. В данном случае инерционность электрошлакового процесса позволяет надежно управлять глубиной проплавления наплавляемой заготовки, а значит, и зоной соединения разнородных металлов, и распределением химических элементов в граничной зоне (рис. 2, 3).

При реализации схемы ЭШП ДС питание токоведущего кристаллизатора и переплавляемого электрода осуществляется от разных источников. А это означает, что жесткая связь между скоростью плавления электрода и формированием слитка разорвана, что, в свою очередь, значительно расширяет возможности контроля и управления процессом ЭШП.

Проверка данной идеи в лабораторных и опытно-промышленных условиях подтвердила это предположение. На рис. 4 представлена макроструктура опытного слитка диаметром 350 мм с зафиксированной удивительно мелкой и практически плоской металлической ванной, которую удалось получить в результате использования технологии ЭШП ДС.

Применение ЭШП ДС дает возможность выплавлять слитки переменного по высоте химического состава с минимальной длиной переходной зоны, что позволит решить проблему производства качественных заготовок для энергетического машиностроения. Идея использовать ЭШП со сменой электродов по ходу плавки или переплав составного электрода для получения заготовки ротора турбины переменного состава не нова. Однако при обычном ЭШП переходная зона между частями слитка разного химического состава значительно шире и, по крайней мере, равна диаметру слитка. На рис. 5 представлены макроструктуры таких композитных заготовок и распределение химических элементов в переходной зоне.

На рис. 6 показана медно-стальная заготовка подового электрода дуговой печи, выплавленная по технологии ЭШП ДС. По аналогичной схеме могут быть получены соединения железнодорожных

крестовин (сталь 110Г13) С рельсами (сталь 65Г). Первые опыты показали обнадеживающие результаты. Опытно-промышленное опробование ЭШП ДС при производстве биметаллических слитков из различных металлов подтвердило широкие технологические возможности этого способа и позволило рекомендовать его в качестве нового технологического процесса для их промышленного производства.