Что такое электрошлаковый переплав и зачем он нужен

О чем речь? Электрошлаковый переплав (ЭШП) – современная технология очистки металла от вредных примесей и посторонних включений в виде газов. Одновременно значительно улучшается структура и качество исходного материала.

Зачем нужен? Металл, получаемый в результате электрошлакового переплава, используется в разных сферах человеческой деятельности. Прежде всего, это оборонная промышленность и энергетика, тяжелое машиностроение и нефтегазовая отрасль, авиация и медицина.

Технология электрошлакового переплава

Переплавом называется процесс сплава металлов с дальнейшей кристаллизацией либо повторное расплавление металла.

В процессе, о котором идет речь сегодня, происходит переплавление электрода, изготовленного из металла обычного производства, в ванне синтетического электропроводного шлака.

От электрода в шлак поступает ток. При его прохождении в жидком шлаке выделяется джоулево тепло, под действием которого происходит расплавление электрода с образованием жидкого металла. Проникая через шлаковую ванну, капли этого металла создают ванну, которая в охлаждаемом кристаллизаторе последовательно затвердевает, начиная снизу, с образованием слитка. Расходуемый электрод непрерывно поступает в шлаковую ванну, благодаря чему объем кристаллизующейся металлической ванны постоянно восполняется при сплавлении.

Обработка плавящегося металла шлаком определенного химического состава происходит в следующих зонах:

• на рабочей поверхности электрода, которая помещена в шлак (в стекающей металлической пленке);
• на поверхности металлических капель, проходящих через ванну со шлаком;
• на поверхности ванны, образованной жидким металлом.

Благодаря управлению вводимой мощностью можно поддерживать определенную температуру процесса и очищать от примесей большинство металлов и сплавов. Таким образом, переплав стальных слитков позволяет в 2-5 раз уменьшить содержание серы и в 1,5-2,5 раза снизить количество неметаллических включений и кислорода.

Качество получаемого слитка также можно улучшить благодаря направленной кристаллизации. Она достигается за счет непрерывного поступления тепла сверху, то есть, от металлического электрода и шлаковой ванны, и отвода тепла в получаемый слиток и стенку кристаллизатора. Между стенкой кристаллизатора и слитком образуется шлаковый гарниссаж, который снижает горизонтальный отвод тепла, что позволяет получать гладкие слитки.

Методом электрошлакового переплава получают однородные в физическом и химическом отношении слитки, у которых отсутствуют усадочные и ликвационные дефекты. Общая чистота металла также существенно возрастает.

Оборудование для электрошлакового переплава

Оборудование состоит из нескольких узлов, связанных друг с другом, выполняющих определенные функции и работающих в едином цикле.

Основной элемент — это печь электрошлакового переплава, которая представляет собой вертикальную установку, где плавится металл. В верхней части расположен электрод, опускаемый в шлак в процессе плавления. Внизу установлен кристаллизатор — это металлическая форма, в которую подается чистый жидкий металл и образуется заготовка. Для стабильной работы системы нужны:

• мощные трансформаторы, которые создают постоянный ток, нагревающий шлак;
• кристаллизаторы с водяным охлаждением — не позволяют слитку перегреваться, за счет чего обеспечивают сохранение его формы;
• автоматизированные системы управления — контролируют температуру, ток, скорость перемещения электрода;
• подъемные и подающие устройства — регулируют скорость плавления и положение электрода;
• защитные и вакуумные камеры, которые создают контролируемую атмосферу, когда это требуется.

Читайте также!

Литье полиамида: этапы и добавки

Подробнее

На современном оборудовании можно получать как небольшие слитки, начиная от нескольких килограммов, так и огромные, вес которых достигает десятков тонн. Оператор в процессе переплава практически не участвует, все происходит автоматически, что повышает точность и минимизирует ошибки.

Уход за оборудованием электрошлакового переплава

За состоянием любой установки необходимо следить и поддерживать ее работоспособность. Электрошлаковый переплав подразумевает использование высоких токов и экстремальных температур и связан с большими нагрузками. Если в работе системы будут отклонения, она либо перестанет функционировать, либо получаемый металл будет иметь дефекты.

Благодаря своевременному обслуживанию печи и других элементов электрошлакового переплава система будет работать дольше, а производственные риски уменьшатся. В ходе плановых работ проверяют охлаждающую систему, очищают кристаллизаторы, ревизируют трансформаторы и контакты и регулируют настройки автоматики.

Не нужно забывать также и про шланги охлаждения, подающие и направляющие узлы, так как от работы и износа этих вспомогательных элементов зависит стабильность электрической дуги и качество переплава.

Часто предприятия обращаются в специализированные компании, доверяя обслуживание и настройку оборудования профессионалам. Они выявляют неисправности и отклонения, ремонтируют или заменяют элементы системы, благодаря чему сохраняется работоспособность устройств, а также повышается эффективность производства.

Многочисленные плюсы электрошлакового переплава

Электрошлаковый переплав, в сравнении с другими методами получения стали, имеет следующие преимущества:

1. Меньший размер и количество включений.
2. Высокое качество слитков — в них нет пор и усадочной раковины.
3. Равномерная структура и однообразный химический состав.
4. Отсутствие зональной ликвации и слоистости.
5. Высокий выход готового продукта из исходного расплавленного металла.
6. Возможность уменьшать концентрацию серы, кислорода, а иногда и азота. Кроме того, технология электрошлакового переплава позволяет сохранять окисляемые легирующие элементы, такие как титан и кремний.
7. Возможность менять состав металла за счет использования определенного флюса.
8. Общее улучшение показателей ударной вязкости и пластичности.
9. Существенное улучшение качеств в поперечном направлении.
10. Улучшение характеристик при высоких температурах.
11. Получение высококачественной поверхности, которая не требует зачистки при горячей обработке.
12. Улучшение свариваемости.
13. Отличные показатели горячей обработки.
14. Снижение объема горячей обработки, которая нужна для получения определенной структуры металла в центральном участке готового продукта.
15. Упрощение условий отливки электродов в отличие от разливки слитков для непосредственной прокатки.
16. Возможность регулировать скорость и направление затвердевания.
17. Возможность корректировать величину карбидов и размер зерен. Это особенно важно для инструментальных быстрорежущих сталей.
18. Повышение устойчивости к коррозии.
19. Защита жидкого металла от атмосферного окисления.

Читайте также!

Термопластавтомат: виды и принцип работы

Подробнее

Для процесса электрошлакового переплава характерно большое количество степеней свободы, чем и объясняется такой обширный список преимуществ. По мере того, как требования к современным продуктам становятся все сложнее, важность степеней свободы играет все большую роль.

Некоторые минусы электрошлакового переплава

Как и любые другие методы, электрошлаковый переплав имеет не только достоинства, но и недостатки. Это:

1. Невысокая производительность относительно других технологий.
2. Повышенная энергоемкость. Процесс подготовки металлического сырья для очистки и получения заготовки или слитка связан с большими материальными затратами, из-за чего готовый продукт имеет высокую себестоимость.
3. Трудности в производстве сложных геометрических изделий. Усложнение конфигурации продукта затрудняет процесс и делает его дороже.
4. Необходимость обеспечения качественной электроизоляции электродов между собой, а также между ними и кристаллизатором, из-за чего невозможно обеспечить высокий коэффициент заполнения.
5. Разрушения участка дорна, который находится выше уровня металлической ванны. Электроэрозия поверхности дорна обусловлена прохождением через него электрического тока и воздействием горячих брызг жидкого металла.
6. Неудобство замены электродов в процессе плавления. Смена электродов требует кратковременного отключения питания печи, которое может привести к пережимам (поверхностным дефектам) и изменению структуры металла.
7. Высокие требования к качеству исходных материалов. Чтобы электрошлаковый переплав проходил успешно, сырье должно быть качественным и чистым, что приводит к удорожанию производства.

Сферы применения электрошлакового переплава

Переплав используется для повышения твердости, жаропрочности и коррозионной устойчивости сплавов и сталей, что имеет особое значение для материалов, предназначенных для эксплуатации при повышенных температурах, давлении или в агрессивных средах. Также за счет переплава снижается риск появления пор, трещин, неоднородности структуры и других дефектов, в результате чего готовые изделия получаются более долговечными и надежными.

В настоящее время электрошлаковый переплав является стандартом в ответственных отраслях и применяется очень широко. Сферы, где эта технология очень востребована:

• Авиационная промышленность — изготовление несущих балок, элементов шасси и турбин. Малейшие ошибки и неточности в материале здесь чреваты катастрофическими последствиями.
• Энергетическая отрасль — из металла, устойчивого к вибрациям и температурным перепадам, изготавливают валы генераторов, роторы, элементы котлов.
• Тяжелое машиностроение и судостроение — получение массивных деталей, отличающихся прочностью, коррозионной устойчивостью и сопротивляемостью трению.
• Оборонная промышленность — изготовление трубопроводов, бронированных элементов, ответственных узлов.
• Нефтегазовая отрасль — металл должен быть устойчивым к высокому давлению, нагрузкам и агрессивным средам.
• Медицинская сфера — получение надежных и качественных имплантов и инструментов.

Метод электрошлакового переплава является безопасным и надежным и позволяет получать «умные» металлы, то есть, такие, которые долго служат, не подвергаются воздействию внешних факторов, имеют предсказуемые свойства.

Часто задаваемые вопросы об электрошлаковом переплаве

Каким требованиям должны отвечать флюсы (шлаки)?

Флюсы являются важнейшим компонентом процесса рафинирования. Они должны иметь высокую десульфирующую и минимальную окислительную способность, защищать жидкий металл от воздействия воздуха, удалять газы и включения неметаллической природы.

При каких параметрах происходит процесс ЭШП?

Это: напряжение от 40 до 80 В, сила тока от 5до 30 кА, скорость переплава 100-800 кг в час (определяется диаметром слитка), температура шлаковой ванны примерно 1700-18000С.

Читайте также!

Что такое ПЭТ: свойства и сферы применения

Подробнее

Какие технологические схемы используются для ЭШП?

Может применяться моносхема, трехфазная, бифилярная, многоэлектродная и другие схемы.

Какие сложности могут возникать при ЭШП?

Возможны некоторые затруднения при содержании в переплавляемом металле легкоокисляющихся элементов (алюминия, титана, бора, циркония), особенно при малом их содержании. Также предъявляются высокие требования к чистоте исходного сырья.

Источник изображения в шапке: freepik / magnific.com