Принципиальная схема ЭШП представлена на рис. 1. Электрическая цепь между расходуемым электродом и наплавляемым слитком замыкается через слой расплавленного шлака (электрическая дуга отсутствует). Жидкий шлак электропроводен, но обладает высоким сопротивлением, он нагревается до температуры 1700–2000 °С, в результате чего погруженный в него конец расходуемого электрода оплавляется, и металл в виде капель проходит через слой шлака и застывает в ванне кристаллизатора в виде плотного слитка.
Составы шлаков при ЭШП различны, чаще всего используется шлак, состоящий из CaF2 с добавками СаО, А12О3, SiO2. Проходя через такой шлак, капли металла очищаются от серы, в них снижается содержание неметаллических включений, в кристаллизаторе образуется плотный качественный слиток. Оборудование ЭШП проще и дешевле, чем при ВДП. Это обусловило широкое распространение этого вида переплава.
Процесс ЭШП был разработан в институте электросварки им. Е.О.Патона АН Украины. Практическое распространение метода ЭШП началось в 1958 г. на металлургическом заводе «Днепроспецсталь». Электрошлаковый переплав получил большое распространение. Появился специальный термин «электрошлаковая технология» (ЭШТ), имеющая ряд разновидностей: «электрошлаковое литье» (ЭШЛ), «центробежное электрошлаковое литье» (ЦЭШЛ) и т.д.
На установках одних типов переплав осуществляют с расходуемым электродом, на установках других типов – с нерасходуемым электродом. Существо процесса остается при этом неизменным: капли металла проходят через слой жидкого шлака (через шлаковую ванну). Нерасходуемые электроды, используемые для поддержания требуемой температуры в шлаковой ванне, бывают графитовые или металлические водоохлаждаемые. Проходя через слой жидкого шлака, капли металла попадают или в кристаллизатор или в огнеупорный тигель. В последнем случае установки называются «установками с керамическим тиглем». Для производства стальных слитков обычно используют процесс с расходуемым электродом и охлаждаемым кристаллизатором.
Расходуемые электроды получают, выплавляя предварительно металл нужного состава в обычном сталеплавильном агрегате (чаще – в дуговой сталеплавильной или мартеновской печи) и разливая его на слитки или непрерывно-литую заготовку. Для получения расходуемых электродов необходимых размеров (по сечению) слитки могут подвергаться прокатке или ковке. Получаемые электрошлаковые слитки имеют обычно развес до 5-6 т. В отдельных случаях (например, при получении заготовок для последующего изготовления роторов турбин электростанций) отливаются электрошлаковые слитки массой 60 т и более. В СССР была разработана специальная электрошлаковая технология, позволяющая отливать слитки массой до 300 т. Большие слитки массой 200-300 т (для роторов турбин, валов судовых двигателей и т.п.) выплавляют редко, и заводам нерационально иметь у себя крупные агрегаты для того, чтобы использовать их несколько раз в году. Поэтому для производства сверхкрупных слитков институт им. Патона совместно с рядом заводов создал способ, получивший название способа порционной электрошлаковой отливки (ПЭШО). В отличие от обычного ЭШП, основанного на переплаве расходуемых электродов, способ ПЭШО предусматривает получение слитков непосредственно из жидкого металла. В водоохлаждаемой изложнице с помощью нерасходуемых электродов расплавляется смесь шла-кообразующих компонентов. При этом в изложнице образуется слой жидкого шлака (шлаковая ванна), обладающий высокой рафинирующей способностью (рис. 2, а). Через слой шлака заливают первую порцию стали, полученной в печи, емкость которой равна части емкости изложницы. При заливке металла погруженные в шлак электроды автоматически поднимаются (рис. 2, б).
Рис. 2. Схема порционной электрошлаковой отливки
После заливки первой порции металла ведут электрошлаковый обогрев зеркала металла. Подводимая мощность должна поддерживать его жидким по всему сечению изложницы. При этом залитый металл постепенно затвердевает в направлении снизу вверх и к моменту заливки следующей порции металла под слоем жидкого шлака остается небольшой объем жидкого металла (рис. 2, в). Металл следующей порции аналогичным образом заливают в изложницу, и он смешивается с остатком жидкого металла первой порции (рис. 2, г). Этот процесс повторяют несколько раз до заполнения всей изложницы. После заливки последней порции металла постепенно снижают электрическую мощность, подводимую к шлаковой ванне, т.е. предотвращают образование усадочной раковины в головной части слитка (рис. 2, д). Интенсивная обработка металла рафинирующим шлаком обеспечивает высокую чистоту металла слитка по сере и неметаллическим включениям.
Направленная снизу вверх последовательная кристаллизация металла в изложнице при постоянном наличии сравнительно небольшого объема жидкого металла и высокого градиента температур в металлической ванне ограничивает развитие в слитке зональной ликвации и исключает образование в нем дефектов усадочного и ликвационного происхождения.
Преимуществом способа ПЭШО является также возможность получения слитков практически неограниченной массы при наличии сталеплавильного агрегата сравнительно малой емкости.
Например, слиток массой 200 т можно отлить способом последовательной заливки в изложницу четырех-шести плавок, полученных в дуговой электропечи (или ином агрегате) емкостью всего 35–50 т.
Другим технологическим приемом, позволяющим получать высококачественные крупные слитки, является технология, названная «ЭШП с расходуемым электродом». При данной технологии у отлитого по обычной технологии крупного слитка удаляется осевая зона, в которой металл обычно поражен дефектами вследствие ликвации вредных примесей, неметаллических включений, скопления газов и т.п. Затем образовавшуюся таким образом полость в слитке путем электрошлакового плавления заполняют доброкачественным металлом.
Разновидностью ЭШП является электрошлаковая отливка (ЭШО), при которой жидкий металл заливается в водоохлаждаемые кристаллизаторы через слой жидкого шлака и кристаллизация протекает при электрошлаковом обогреве головной части слитков.
Другой разновидностью ЭШП является электрошлаковое литье (ЭШЛ), в процессе которого происходит электрошлаковое плавление расходуемого электрода, а переплавленный металл приобретает форму внутренней поверхности кристаллизатора или формы. Сечение формы может быть переменным.
При ЭШЛ широко используется прием закладки деталей с последующим их приплавлением к основной части отливки в процессе переплава расходуемого электрода.
Таким образом, ЭШЛ включает в себя элементы сварочной техники.
В отличие от ЭШЛ сущность метода центробежного электрошлакового литья (ЦЭШЛ) заключается в расплавлении и накоплении металла электрошлаковым способом с последующей заливкой этого металла во вращающуюся форму.
Чистота металла, прошедшего рафинирование жидким шлаком, и своеобразные условия кристаллизации этого металла во вращающейся форме обеспечивают высокое качество получаемых заготовок, что позволяет использовать их для изготовления деталей самого ответственного назначения.
Успехи электрошлаковой технологии вызвали к жизни многочисленные предложения об организации электрошлакового переплава кусковых материалов (например, стружки), метал-лизованного сырья (например, металлизованных окатышей) и т.п. В этом направлении ведутся интенсивные исследования.
Исследования ведутся также по разработке электрошлаковой технологии получения ферросплавов (ферротитана, феррованадия). При этом в качестве сырья используются титановая и железная губки, пятиокись ванадия и т.п.
Исследуется также возможность организации процесса дугового электрошлакового переплава (ДШП), при котором металл расходуемого электрода плавится за счет тепла электрической дуги, горящей в промежутке электрод–поверхность жидкой шлаковой ванны, а капли металла электрода, проходя через слой шлака, накапливаются в нижней части кристаллизатора и, затвердевая, образуют однородный слиток.
Недостатком ЭШП является невозможность организовать в открытом агрегате удаление водорода. В связи с этим широкое распространение получили дуплекс-процесс ВИП–ЭШП и ЭШП-ВДП.
ВДП и ЭШП – основные переплавные процессы; пользуясь ими, в промышленно развитых странах ежегодно переплавляют десятки и сотни тысяч тонн высококачественной стали и сплавов. Во многих случаях металл переплавляют дважды и трижды: ВИП-ВДП; ЭШП-ВДП; ВИП-ЭШП-ВДП и т.п.
Достоинства ЭШП
1. НВ уменьшается в 2 раза;
2. Сера уменьшается на 20-30%;
3. Структура слитка плотная и однородная, нет зональной ликвации;
4. Слиток ЭШП может быть практически любой формы;
5. У слитка ЭШП хорошая гладкая поверхность, не требует обдирки;
6. Питается переменным током от трансформатора (дешево).
Недостатки ЭШП
1. Окисляется Ti, Al и др. активные элементы, поэтому переплав нержавеющих сталей типа 08Х18Н10Т не рекомендуется;
2. Газы не удаляются.
Флюсы, применяемы при ЭШП
АН – Академия Наук, Ф – флюс.
CaF2, %
АНФ-1 95 0,05% СаО ρ = 0,1 Ом∙см
АНФ-6 70 30% Al2O3 + CaO ρ = 0,33 Ом∙см
АНФ-7 70 20% СаО
АНФ-291 20% 20% СаО + 15% MgO + 40% Al2O3
На практике флюсы часто смешивают.
Флюс должен иметь достаточно высокое сопротивление
Чем больше ρ, тем лучшим генератором тепла является флюс, тем лучше переплав и выше производительность.
Требования к флюсу
1. Хороший генератор тепла;
2. Рафинирование от серы и НВ. Для ↓ серы необходимо ↑ СаО, для ↓ НВ необходимо ↓ σшл – поверхностное натяжение (зависит от CaF2);
3. Защита активных элементов от окисления → минимум FeO, MnO, SiO2, Cr2O3, V2O2 – переносчики кислорода, а SiO2 является окислителем для Al;
4. Шлак должен быть легкоплавким;
5. Шлак должен легко отделяться от металла при застывании.
Требования к технологии использования флюса
· Флюсы предварительно прокаливают 4-5 часов, удаляется гидратная влага;
· Флюс можно расплавить и заливать жидким – жидкий старт;
· Плавить флюс нужно в печи с графитовой подиной. Дугу зажигают и между ней и подиной подсыпают флюс.