Центробежное электрошлаковое литье

Ноя 27, 2012
Технологии и наука

Центробежное электрошлаковое литье (ЦЭШЛ) является одним из технологических процессов, относящихся к электрошлаковым технологиям (ЭШТ), в основе которых заложен базовый технологический процесс — электрошлаковый переплав (ЭШП).

Автором использования сварочного процесса для получения отливок является талантливый инженер Николай Гаврилович Славянов, впервые в мире применивший на практике в 1888 году дуговую сварку металлическим (плавящимся) электродом под слоем флюса. Пионером в освоении электрошлаковых технологий, разработке и производстве оборудования и оснастки для реализации технологического процесса выступил Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины.

Началом проведения исследовательских работ послужили наблюдения Г.З. Волошкевича, во время проведения восстановительных работ специалистами ИЭС им. Е.О. Патона на металлургическом заводе «Запорожсталь» после окончания Великой Отечественной войны. При выполнении вертикальных швов дуга под флюсом иногда гасла, но процесс сварки не прекращался, а переходил в бездуговой. При этом флюс полностью расплавлялся и именно в это время в сварочном зазоре формировалось вместо шва нечто в виде отливки, отделенной от свариваемых кромок шлаковым гарнисажем.

Обратив внимание на высокое качество литого металла шва специалисты пришли к выводу, что с помощью электрошлакового процесса, путем переплава расходуемого электрода, можно получать высококачественный металл. В 1952 году ИЭС им. Е.О. Патона в специальном водоохлаждаемом кристаллизаторе выплавляет первые электрошлаковые слитки массой несколько килограммов. Металл слитков обладал превосходными физико-механическими свойствами и был изотропен. Это послужило основанием для выдвижения идеи использования электрошлакового процесса в металлургии. Так в 50-е годы в институте началась разработка технологии электрошлакового переплава (ЭШП).

Суть электрошлакового переплава

В донной части водоохлаждаемого медного кристаллизатора размещается затравка, которая служит одним из электродов. Второй переплавляемый (расходуемый) электрод (обычно прокат круглого сечения) располагается сверху. В кристаллизатор (в пространство между электродами) заливают жидкий, предварительно расплавленный синтетический шлак специального состава. Шлаковая ванна обладает малой электропроводностью. При прохождении через нее электрического тока выделяется большое количество тепла, что позволяет нагреть шлаковую ванну до 1700’С и выше. При этом погруженные в нее концы электродов оплавляются. Капли расплавленного металла стекают низ на дно кристаллизатора, проходя сквозь шлаковую ванну, собираются в зоне кристаллизации на поверхности затравки, образуя под слоем шлака ванну металлического расплава. Металлическая ванна непрерывно пополняется в верхней части расплавом от плавящихся электродов и последовательно затвердевает в нижней части вследствие отвода теплоты через стенки кристаллизатора. Электрод, по мере оплавления, постепенно опускаются вниз.

«Принципиальная схема процесса электрошлакового литья ничем не отличается от ЭШП. Как там, так и здесь главное действующее «лицо» — шлак. Играет он сразу пять ролей: служит нагревательным элементом — источником тепла, под действием которого плавится металл расходуемого электрода, «чистилищем» для расплавленного металла, надежной защитой его от контактов с окружающей атмосферой, тепловой надставкой над кристаллизующимся металлом, что способствует получению отливки, свободной от усадочной раковины, и, наконец, образует на боковой поверхности отливки гарнисаж — тонкую шлаковую корочку, которая препятствует взаимодействию металла с материалом формы и, уменьшая отвод тепла в горизонтальном направлении, также способствует формированию отливки без осевой рыхлости и усадочной раковины. Кроме того, благодаря гарнисажу отливка получается с такой чистой поверхностью, что последующая механическая обработка практически не требуется», — рассказывает Георгий Александрович БОЙКО руководитель лаборатории Института электросварки, лауреат Государственной премии УССР, кандидат технических наук.

Георгий Александрович отмечает: «Свою рафинирующую функцию шлак выполняет на всех стадиях контакта с металлом: соприкасаясь с оплавляющимся электродом, во время прохождения капель металла через шлаковую ванну и на границе ее раздела с металлической ванной. Благодаря такой активной обработке металла из него удаляются неметаллические включения, вредные примеси и газы. Например, в конструкционных сталях общее количество включений снижается более чем в 2 — 3 раза. Главный эффект в улучшении свойств металла приносит очистка от серы (десульфурация) — наиболее опасной и крайне нежелательной примеси для большинства сталей и сплавов, ее повышенное содержание в стали ведет к «красноломкости», резко снижает пластичность, свариваемость. Очень важно, что рафинирующим действием шлака можно управлять. Меняя его состав, удается избирательно рафинировать от тех или иных примесей».

Понимая, что классическая технология ЭШЛ мало пригодна для производства отливок сложной конфигурации и малой массы, ИЭС им. Е.О. Патона в 70-х годах минувшего столетия проводит работы по развитию процесса ЭШЛ с использованием слива жидкого металла. В это время разработана новая технология – электрошлаковая тигельная плавка, которая предусматривала переплав в керамическом тигле расходуемого электрода, составленного преимущественно из отходов производства (изношенных или бракованных деталей) и последующую разливку металла вместе со шлаком в металлическую или керамическую форму. Технология с использованием кокиля получила название – электрошлаковое кокильное литье (ЭКЛ), технология разливки во вращающуюся изложницу – центробежное электрошлаковое литье (ЦЭШЛ). В 80-е годы ИЭС им. Е.О. Патона разрабатывает новые установки для разливки во вращающуюся форму, наиболее совершенной из которых является ЦЭШЛ УШ-148, позволяющая получать отливки массой до 350 кг и диаметром до 1000 мм.

Техпроцесс

Установка центробежного электрошлакового литья состоит из установки электрошлакового переплава и центробежной машины. Принцип действия установки ЭШП, тот что мы уже описывали: за счет джоулева тепла выделяющегося при прохождении тока сквозь шлак, последний разогревается до температуры выше температуры плавления стали на 150-200’С, происходит плавление расходуемого электрода, который непрерывно подается в плавильную емкость и накопление металла в тигле. Процесс протекает под слоем флюса, который защищает расплавленный металл от взаимодействия с воздухом, что предотвращает протекание окислительных процессов. По мере расплавления электрода (или нескольких электродов), тигель заполняется жидким металлом.

После наплавления необходимого объема металла, расплав из тигля сливается во вращающуюся изложницу центробежной машины. Первым в изложницу поступает шлак, смачивая внутреннюю поверхность формы и образуя на ней корочку керамического гарнисажа. Затем начинает поступать жидкий металл, причем во время слива на поверхности струи металла присутствует пленка из шлака, защищающая её от контакта с воздухом. Жидкий металл кристаллизуется без соприкосновений с формой и не прилипает к ней. Под воздействием центробежных сил сталь (как наиболее плотный материал) прижимается к стенкам изложница, а шлак (имеющий значительно меньшую плотность выдавливается к центру, в центральное отверстие отливки). В результате отливка остывает и кристаллизуется по идеальной схеме: от наружных стенок к центру. Очень положительное влияние оказывает шлак, который, обладая низкой теплопроводностью, не позволяет остывать внутренней поверхности отливки. Таким образом, металл, находящийся в жидком состоянии во внутренней части отливки, по сути дела работает как прибыль. За счет этого исключается образование усадочных дефектов.

Отливка в изложнице выдерживается из расчета 10 кг — одна минута выдержки, т.е. за 30 минут в форме кристаллизуется отливка массой 300 кг. После застывания отливки её извлекают из изложницы и в течении 2 – 3 минут выбивают шлак из её центрального отверстия. В дальнейшем отливку опускают в термос и, под действием внутреннего тепла, она отжигается без образования микротрещин, даже если в литейном цеху отрицательная температура. Качество поверхности отливок произведенных способом электрошлакового литья позволяет оставлять минимальные припуски на мех обработку 3 – 5 мм. Механические свойства литого металла не уступают свойствам поковки.

Центробежное электрошлаковое литье (ЦЭШЛ) является на сегодняшний день самым прогрессивным и экономически обоснованным методом производства литых фланцев и литых фланцевых соединений.