Переплав високоякісних інструментальних сталей методом ешп

 

Вступ

На машинобудівних заводах  України накопичена велика кількість відходів інструментальних сталей. Враховуючи високу вартість, закупівля нового обладнання не завжди являється доцільною. Доцільно проводити утилізацію відходів інструментальних сталей, використовуючи технологію електрошлакового переплаву.

Установки електрошлакового переплаву (ЕШП) застосовують для переплавки сталей і сплавів з метою зменшення  шкідливих домішок, особливо сірки, та одержання однорідної макроструктури зливка.

У результаті ЕШП підвищується межа міцності сталі на 15% при одночасному збільшенні значень ударної в’язкості на 33% у порівнянні з показниками для сталі відкритою електродуговою виплавкою. Це пояснюється впливом, рафінуючої дії ЕШП, у результаті чого різко знижується забруднення сталі неметалічними включеннями, і сприятливими умовами кристалізації електрошлакового злитка, у результаті чого кристалізується щільний і однорідний метал. Рафінування металу відбувається під час переплаву витратного електрода, який виготовляється з необхідної сталі або сплаву, у шлаковій ванні. При проходженні електричного струму крізь шлак, який має значний опір, в останньому виділяється велика кількість тепла. Склад флюсів, що застосовуються для одержання шлаків, звичайно є стандартизованим, від нього залежить якість металу, що переплавляється. Температура плавлення різних шлаків 1200...1450 °С, а їх температура під час переплавки досягає 1600...2000 °С. Занурений у нагріту до такої температури шлакову ванну металевий електрод плавиться, і дрібні краплі металу, що опускаються донизу під дією сили тяжіння, проходять крізь шар хімічно активного шлаку. В міру того, як витратний електрод оплавляється, він примусово опускається збираючись у металеву ванну швидко кристалізується.

1 ЛІТЕРАТУРНИЙ  ОГЛЯД

1.1 Сутність електрошлакового  переплаву,  його різновиди та типи кристалізаторів

Електрошлакова технологія (ЕШТ) була розроблена в інституті  електрозварювання імені Є.О. Патона НАН України. Тепер ця технологія відома металургам усього світу. Складовою частиною її є нові технологічні процеси одержання литих виробів, які забезпечують підвищення якості металу при одночасному зниженні працеємкості і собівартості виготовлення цих виробів, а також покращення умов праці на металургійних та машинобудівних підприємствах.

Слід зазначити, що розвиток електрошлакової технології пов’язано  з розширенням фундаментальних  досліджень в матеріалознавстві, удосконаленням технологічної структури металургійного виробництва, пошуком оптимальних  зв’язків між наукою та промисловістю  і таке інше. В нашій країні за піввіку вироблено багато мільйонів тон електрошлакового металу у вигляді різноманітної металопродукції. Вже давно електрошлаковий переплав став основою найважливішої підглузі чорної металургії - так званої спеціальної електрометалургії, отримав широке розповсюдження у всіх галузях машинобудівного комплексу країни.

З появою нових сталеплавильних технологій в нашій країні і за кордоном виникла дискусія, чи потрібен електрошлаковий переплав з можливостями десульфурації металу, виділення кисню, неметалевих включень, якщо і без цього, без сумніву, дорогого процесу можна одержати унікально чисту рідку сталь з невидано низьким вмістом сірки (менше ніж 0,001%), кисню (0,001%) [1]. неметалевих включень без особливих витрат, якщо застосувати без пічну обробку. Життя однозначно підтвердило відому тезу: позапічна обробка і ЕШТ не антиподи, вони повинні доповнювати один одного. Ми виходили із чітких уявлень про те, що якою не була б чиста рідка сталь без втручання в умови її тверднення потребуючу особливо високої якості металопродукції одержати неможливо, не вдається сьогодні і навряд чи вдасться в найближчому майбутньому створити при затвердінні навіть супер чистої сталі у звичайній чавунній виливниці, або у водоохолоджуючому кристалізаторі установки безперервної розливки такі унікальні умови, які існують при електрошлаковому переплаві.

Схема електрошлакового переплаву  показана на рисунку 1.1[2]. Витратний електрод 1 , що занурений у шлакову ванну 3 , плавиться за рахунок тепла, яке виділяється у шлаку при проходженні через нього електричного струму, розплавлений метал електроду у вигляді крапель опускається через шлак у металеву ванну 4, яка при твердненні утворює зливок 5. В процесі плавки металу електрод активно взаємодіє зі шлаком в плівці металу, яка утворюється на оплавленому кінці електроду, на поверхні контакту крапель електродного металу зі шлаком, а також на межі розділу шлакової і металевої ванн. В результаті в переплавленому металі значно знижується вміст шкідливих домішок, газів і неметалевих включень[3]. Так вміст сірки при електрошлаковому переплаву може бути знижено в залежності від складу флюсу і вихідного вмісту сірки в металі в межах від 1,5 до 5 раз . Вміст кисню зменшується в 1,5-2,5 рази, азоту - 1,1-1,5 рази[4].

В результаті інтенсивної  десульфурації і зниження вмісту газів в зливках електрошлакового переплаву різко зменшується загальна кількість неметалевих включень, наприклад, в конструкційних сталях більш ніж у 2-3 рази[4].

Суттєвою перевагою електрошлакового переплаву є те, що рафінований  рідкий метал твердне без контакту з навколишньою атмосферою і матеріалом форми - охолоджуваного кристалізатора. При електрошлаковому переплаві шлак є не тільки рафінуючим, але й захисним середовищем. Відсутність контакту рідкого металу з атмосферою при ЕШП обумовлено наявністю на його поверхні рідкої шлакової ванни, а захист металу від контакту з стінкою кристалізатора - утвореним на внутрішній поверхні останнього тонкого шару шлакового гарнісажу, завдяки цьому злиток електрошлакового переплаву набуває гладкої поверхні, яка не має характерних для звичайного литва поверхневих дефектів.

а)

б)

Рисунок 1.1 -Схема процесу  ЕШП:

а - монофілярна; б - біфілярна.

1 - електроди; 2 - кристалізатор; 3 - шлакова ванна; 4 - ванна металу;

5 зливок; 6- джерело струму

Густина металу електрошлакового переплаву, як правило, при рівних інших умовах, вище густини металу відкритої виплавки, що зумовлено направленим характером його тверднення в умовах надходження тепла до металевої ванни зверху (від шлаку і електродного металу) і інтенсивного відбору тепла в зливок і стінку охолоджуючого кристалізатора. Зливки електрошлакового переплаву мають яскраво виражену транс-кристалічну структуру з осьовою і радіально-осьовою направленістю стовбчатих кристалів[5]. Крізь це в цих зливках не спостерігаються лікваційні зони (полоси, вуса, плямиста ліквація і таке інше).

Висока чистота і щільна структура литого електрошлакового металу зумовлюють його більшу пластичність і в’язкість порівняно з металом  відкритої виплавки. При цьому  литий електрошлаковий метал більш ізотропний.

При електрошлаковій виплавці поліпшуються і інші властивості  сталей. Так, довговічність та утомлена витривалість деталей, виготовлених з  електрошлакового металу, у середньому підвищується в 1,5-2 рази [4].

Електрошлакове кокільне лиття (ЕКЛ) двостадійний процес: спочатку в електрошлаковій тигельної  печі одержують рідкий електрошлаковий метал, а потім заливають його у кокіль, зі шлаком, що використовується при плавці (рис. 1.2 [2]) На перший погляд ця схема дещо незвичайна з точки зору загально ухвалених подань про технології електрошлакового переплаву та лиття.

Металурги звикли рахувати електрошлаковий переплав процесом одностадійним, при якому плавлення  та кристалізація металу здійснюється в одному агрегаті. При електрошлаковому кокільному литті форму для лиття  виносять за межі плавильного агрегату, але заповнення її  і затверднення в ній металу відбувається під шаром того ж шлаку, який раніше брав участь в

процесі плавки [6].

При електрошлаковому кокільному литті шлак виконує тіж функції, що і при електрошлаковому переплаві  та електрошлаковому литті: є джерелом джоулевого тепла, рафінуючим середовищем  при плавці, захищає рідкий метал  від навколишньої атмосфери, запобігає  його контакту з матеріалом ливарної форми та сприяє утворенню у відливках  щільної спрямованої структури. Все це дає можливість одержати методом електрошлакового кокільного лиття литий метал самої високої якості без шкоди для його формоутворення.

Рисунок 1.2 - Схема електрошлакового кокільного лиття:

а - накопичення рідкого електрошлакового металу в тиглі; б - заливка металу в кокіль разом зі шлаком:

1 - витратний електрод; 2 - шлак; 3 -метал; 4 - тигель; 5 - кокіль.

Різниця електрошлакового кокільного лиття від існуючих методів ливарного виробництва полягає в тому, що в ливарну форму подають разом з металом шлак[6].

Раніше, незалежно від  того, який агрегат використовувався для одержання рідкого металу (мартен, вагранка, електродугова та інші) , перед заливкою форми обов’язково  проводили заходи для відділення металу від шлаку. Попадання останнього разом з металом у форму було рівнозначно одержанню бракованої виливки.

Такого роду заходи були виправдані по двум причинам: по-перше, пічні шлаки надто в’язкі, по-друге, і пічні шлаки і заливаючий метал - надто холодні [3].

Кокільне лиття відрізняється  високою продуктивністю, легко подається  механізації та автоматизації. Однак створення умов для спрямованої кристалізації виливок в кокілях вимагають ефективного обігріва вільної поверхні виливок, для цього використовуються пісчано-глинисті прибиткові надставки, екзотермічні суміші, використовуються теплоізолюючі порошки і тому подібне [7].

При ЕКЛ безперешкодному  розділенню металу і шлаку в ливарній формі сприяє висока температура  заливаючого шлаку (як відомо, при  електрошлаковій технології температура  шлаку значно вище, ніж при звичайній  технології сталеваріння) і, зв'язана  з цим , його більш висока рідкотекучість, а також використовування спеціальної  схеми розливки, передбачаючий плавний  перелив розплаву з тигля у  закріплений на його носку кокіль.

Наприкінці плавки в електрошлаковій  тигельній печі виплавлений метал  знаходиться під шаром рідкого шлаку. При оберті тигля на його носик і в кокіль першим потрапляє шлак. Він покриває поверхню носика і кокіль тонким шаром гарнісаж. Слід за першою порцією шлаку тече струмінь металу, який покритий зверху ламінарним потоком шлаку. Метал, потрапляючи в форму, витискає останній в її верхню частину. Шлак по мірі переміщення знизу до верху покриває стінки форми гарнісажом. Після заповнення форми розплавом шлак концентрується в її верхній частині і обігріває виливку в процесі кристалізації [6].

Таким чином, використання рідкого перегрітого шлаку при електрошлаковому кокільному литті дає можливість удосконалити та спростити ливарну техніку: відмовитись від використання захисних покриттів та обладнань для обігріву прибуткових частин виливок.

Розробка промислової  технології електрошлакового кокільного лиття стала можливою з створенням двох основних її складових частин: технології електрошлакової тигельної  плавки і техніки спільної розливки металу зі шлаком з плавильного тигля  в кокіль.

Електрошлаковий переплав історично  склався як метод плавлення і  одночасної кристалізації метала в  умовах інтенсивного тепловідбору через  стінки плавильного агрегата. Для одержання досить більшої кількості рідкого металу необхідно було розробити і нову технологію електрошлакової плавки, і нові конструкції плавильних агрегатів. Основною відзнакою електрошлакової тигельної плавки від інших видів електрошлакової технології є те, що при електрошлаковій тигельній плавці (ЕШТП) процес виплавки металу проходить у футерованій тигельній печі (рис. 1.3 [2]). Відомі ж конструкції тигельних печей можна розділити по типу плавильного простору на 3 групи: з охолоджувальним плавильним простором (гарнісажні); з не охолоджувальним плавильним простором (футерованні вогнетривкими матеріалами); печі комбінованого типу. Суттєвими перевагами порівняно з традиційними способами електрошлакового переплаву металу є також і те, що в цьому випадку можуть використовуватись витратні електроди будь-якого розміру і конфігурації. Так як витратні електроди можуть бути застосовані зварені між собою відпрацьовані деталі, велика листова обрізь, обрізь прокату і таке інше. Докорінна відзнака електрошлакової плавки в режимі накопичення металу від канонічного ЄШП складається в тому, що повністю знімається обмеження:

hм/R=0,8-1,2;                                     (1.1)

де hм - глибина металевої ванни по осі зливок, м;

     R-радіус зливка, м.

Навпаки при електрошлаковій  накопиченій плавці об'єм ванни повинен бути максимально можливим. В ідеальному випадку слід чекати повної відсутності металевого гарнісажу на стінках тигля. Більше того необхідно, щоб метал залишався в рідкому стані і в процесі розливки.

Дослідження процесу накопичення електрошлакового металу в охолоджувальному (гарнісажному) тиглі показало, що, якщо виконати його повністю охолоджувальним (тобто використати звичний охолоджувальний кристалізатор), то в ньому дуже тяжко забезпечити достатньо великий об’єм металевої ванни[8]. Накопичення рідкого електрошлакового металу доцільно виробляти в частково або повністю футерованих тиглях.

Рисунок 1.3 - Схема електрошлакової  тигельної печі, яка призначається  для переплаву витратних електродів:

1 - кантувач; 2 — колона; 3 - силовий трансформатор; 4 - каретка електродотримача; 5 - витратний електрод; 6 - плавильний тигель.