Переплав високоякісних інструментальних сталей методом ешп

Процес електрошлакового тигельного переплаву починається з наведення в тиглі шлакової ванни. При цьому розплавлення флюсу проводиться безпосередньо у плавильному тиглі («твердий старт» на рис. 1.4 [2]) або ж в окремому тигель-ковші з наступною заливкою в плавильний тигель («рідкий старт»). Твердий старт не потребує спеціального обладнання для розплавлення і транспортування рідкого флюсу, виключає витрати на придбання графітових тигель-ковшів і графітових електродів, виключає операції по заливці шлаку в плавильний тигель, а також втрати шлаку в графітовому тигель-ковші і в заливній лійці і інше.

Крім того, при роботі з твердим стартом, коли плавлення  шлаку і прогрів тигля відбувається поступово, футеровка плавильного  тигля не відчуває таких теплових ударів, як при заливці перегрітого  рідкого шлаку, що суттєво (1,5-2 рази) підвищує її стійкість[8].

Перевагою рідкого старту є попереднє розплавлення шлаку у графітовому тиглі і може бути використано для рафінування по сірці і фосфору. Знижується небезпека підвищення вмісту водню в металі.

Подача витратних електродів в плавильний тигель відбувається аналогічно тому, як це робиться в електрошлаковому переплаві. При цьому витратний електрод кріпиться в електродотримачі установки, аналогічній печі електрошлакового переплаву, і в міру сплавлення подається вниз. Кускові шихтові матеріали або стружка подаються в процесі плавки. Застосування того або іншого типу електроду визначається в основному характером металу, що переплавляється.

Забезпечення і стабілізація необхідних температурних режимів  відбувається за допомогою відповідного підбору електричних режимів плавки (струму переплаву і напруги на шлаковій ванні). Плавильний підбір температурного режиму електрошлакового тигельного переплаву дає можливість підтримувати необхідну температуру металу в плавильному тиглі, яка виключає як утворення настилі на його дні, так і виплавлення подового електроду.

Процес плавки закінчується після сплавлення необхідної частини витратного електроду або після подачі в плавильний тигель необхідної кількості кускової шихти. Після накопичення в плавильному тиглі заданої порції розплавленого металу плавку закінчують проводять заливку металу в ливарні форми, в режимі переплаву відходів сталей різноманітних марок [8].

Рисунок 1.4 - Схема твердого старту:

а) закорочення невитратного електроду на подовий електрод;

б)  виникнення електричної дуги внаслідок відриву електроду;

в)  процес ЕШП

При ЕШП використовується багато типів кристалізаторів, в залежності від типу переплаву, форми та розміру виливка.

Кристалізатори відкритого типу знаходять використання на печах  не великої потужності. По конструкції  вони нагадують кристалізатори закритого тиру зі зливним колектором, але в цих кристалізаторах відсутнє верхнє ущільнення. Незважаючи на невеликий переріз водяного зазору, по швидкості руху охолоджуваної води і по витримуваним тепловим навантаженням кристалізатори поступаються закритим.

Рисунок 1.5 - Схема кристалізатора відкритого типу:

1-кокіль; 2-кожух; 3-зливна  ємність; 4-зливний патрубок.

Велике розповсюдження отримують  кристалізатори з охолодженням канального типу. Таке охолодження використовується для кристалізаторів-виливниць і ковзаючи кристалізаторів. Поява кристалізатора канального типу, викликано з одного боку  розширенням асортименту злитків, а з іншого – освоєнням нових способів активної дії шлаково-металевий розплав, пов`язаних з необхідністю наскрізних отворів в тілі кристалізатора.

Найпростіший тип  такого кристалізатора круглого перерізу представляє  собою товстостінну мідну трубку зі сверленими в стінці прокольних каналів для пропускання охолоджуваної води і двома колекторами для підводу  і зливу води.

Одним з різновидів кристалізаторів  з канальним охолодженням є кристалізатори, збираємі з окремих водо охолоджуваних  панелей – панельні кристалізатори. Панелі складаються із водо охолоджуваної мідної чи бронзової робочої плити і із стального корпусу, до якого кріпиться робоча плита, а також із системи підводу та зливу води.

Рисунок 1.6 - Схема кристалізаторів панельного типу для виготовлення  листових (а) і ковальних злитків:

1 – корпус панелей; 2 –  робоча плита панелей; 3 – канали  для охолоджуючої води.

Т-подібні кристалізатори  найбільш доцільні при виготовленні крупних злитків. Вони складаються з трьох основних частин : шлакової надставки, формуючої злиток частини і проміжного фланця. Кристалізатори цього типу відносяться до класу ковзких, тому висота  їх відносно невелика.

Шлакова надставка служить  для розміщення в ній витратних  електродів, з площею поперечного перерізу  близькою до площі отримуваного злитку або перевищує її. В шлаковій надставці також знаходиться шлакова ванна. Часткова кристалізація злитку відбувається в формуючій частині кристалізатора. Конструкція шлакової надставки і формуючої частини кристалізатора визначаються величиною і формою поперечного перерізу злитка.

Рисунок 1.7 -  Схема Т-подібного кристалізатора:

1 – шлакова надставка; 2 – проміжний фланець; 3 – формуюча  частина.

Найбільш тяжко навантаженим елементом  Т-подібного кристалізатора є проміжний фланець. Тому фланець  завжди виконують з канальним  охолодженням . В кристалізаторах крупних печей проміжний фланець виготовляють із декількох панелей. Для підвищення стійкості нижнього фланця на ньому робиться канавка, яка постійно заповнюється рідким металом. З цієї канавки метал по спеціальним пазам стікає в формуючу частину кристалізатора.

Для виготовлення полих заготовок  використовують роз`ємні кристалізатори. Такі кристалізатори також служать  для виготовлення злитків по багато руче вій схемі. Кристалізатори для отримання полих заготовок зазвичай складаються з зовнішнього і внутрішнього кристалізатора. Вони або з`єднані між собою або взаємно переміщуютьс я в процесі плавки.

 

Рисунок 1.8 - Схема роз`ємного кристалізатора для полих злитків

1 – зовнішній кристалізатор; 2 – внутрішній кристалізатор.

 

1.2 Металургійні властивості сталі ЗХ2В8Ф

Сталь ЗХ2В8Ф є штамповою  сталлю, отже вона має високі механічні  властивості (міцність та в’язкість) при  підвищенних температурах та володіє  зносостійкістю, окалиностійкістю та розгаростійкістю і має високу теплопровідність.

Таблиця 1.1 - Хімічний склад  сталі ЗХ2В8Ф,%

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	W	V	Cu
0.3 - 0.4	0.15 - 0.4	0.15 - 0.4	до   0.35	до   0.03	до   0.03	2.2 - 2.7	до   0.5	7.5 - 8.5	0.2 - 0.5	до   0.03

 

За структурою штампові сталі  це, передусім, заевтектоїдні (перлітні) або ледебуритні (карбідні) сталі. Після гартування і низького відпуску їх структура складається з мартенситу відпуску та надлишкових карбідів. Для виготовлення штампів застосовують також доевтектоїдні сталі, термічну обробку яких з метою підвищення в'язкості проводять для одержання структури троститу відпуску, а іноді й сорбіту відпуску[9]. Окрім високої твердості, міцності, зносостійкості, важливою характеристикою інструментальних сталей є теплостійкість (або червоностійкість).

Теплостійкістю називають  здатність робочої частини інструмента  за

умов нагрівання в режимі експлуатації зберігати структуру  та властивості,

які необхідні для різання або деформування.

Малолеговані інструментальні  сталі мають низьку теплостійкість

(вміст легувальних елементів до 3... 4 %) напівтеплостійкі з робочою

температурою до 300...400 °С (містять 0,6...0,7 % С, 4... 18 % Сг) та

теплостійкі до 550...650 °С (високолеговані сталі ледебуритного класу)[10]

 Іншою важливою характеристикою  інструментальних сталей є

прогартовуваність. Теплостійкі  та напівтеплостійкі сталі мають  високу

прогартовуваність, а нетеплостійкі  істотно поступаються їм за цим

показником.

Сталь ЗХ2В8Ф - сталь з підвищеною теплостійкістю. Найбільш широко її використовують для виготовлення штампів та прес-форм.

Ця сталь володіє високою  загартованістю, прогартованістю, ударною  в'язкістю; рекомендується для виготовлення деталей , які працюють в умовах значних  питомих навантажень, в тому числі  і ударних, різкої зміни високої  та низької температур, але при  нагріві деталей, який не перевищує 620-640 ° С, вище якої починається інтенсивне розміцнення.

Сталь ЗХ2В8Ф — високої  розгаростійкості. Вольфрам та ванадій  викликають дисперсне твердіння  та вторинну твердість при 500—550° С (рис. 1.7(11]) .

Хром і кремній підвищують окалиностійкість при нагріві до 600—650° С та опір пластичній деформації (до 400—500° С). При твердості до температур 300—500° С штампи невеликих перерізів не поступаються по в'язкості шпампам і сталі 5ХНМ, але перевершують їх по міцності і окалиностійкості.. Сталь ЗХ2В8Ф схильна до деформації при загартуванні, тому штампи малих розмірів загартовують з охолодженням на повітрі (для зменшення деформації), великі — в маслі. Відпуск проводять при 530—550° С[11].

Для забезпечення потрібної  в’язкості твердість повинна бути HRC 47— 50. тому відпуск проводять при температурах вищих температур дисперсного твердіння.

Рисунок 1.9 – Твердість та в`язкість заготовок із сталі 3Х2В8Ф та 4Х5МС в залежності від температури відпуску [11].

Температура загартування сталі 3Х2В8Ф 1060-10800С (рисунок 1.6[10])

Рисунок 1.10 - Залежність твердості HRC та розміру зерна d, аустеніту штампових сталей підвищеної теплостійкості і в’язкості від температури гартування.

1- 4X5МФС, 2- ЗХ2В8Ф, 3 - ЗХЗМЗФ, 4 - 4ХЗВМФ, 5 - 4Х4ВМФС

Твердість сталі ЗХ2В8Ф НВ  180—220, структура такої сталі - сорбітоподібний перліт. [9]

 

І.3 Висновки і задачі дослідження

В існуючих технологіях для  виплавки штампової сталі ЗХ2В8Ф  на ливарних заводах в основному  використовуються індукційні печі з  основною футерівкою. Так як для основної футерівки не бажані теплозміни, то на практиці можливо використовувати дані печі при однозмінному режимі роботи або періодичної загрузки, тільки декілька плавок. Так як магнезитова футерівка відрізняється дороговизною від інших футерівок, то недоцільно виробляти набивку футерівки печі для проведення всього декількох плавок. На ливарних заводах такі печі працюють безперервно. Для періодичного проведення плавок найбільш підходить електрошлакова піч.

Проведений літературний аналіз існуючих методів електрошлакового переплаву дозволяє зробити висновок про високу зацікавленість до проведення досліджень переплаву методом електрошлакового переплаву різного брухту чорних та кольорових металів. Окремою групою в цьому ряді стоять дослідження можливості використання в якості електродів різних списаних та бракованих виробів, а також добавлення в ході плавки стружки.

Використання для переплаву  різноманітної конфігурації відходів деталей методом електрошлакового переплаву обумовлено порівняно недорогим (в порівнянні з іншими видами електрошлакових переплавів) обладнання та досить високою якістю металу.

Ще однією перевагою електрошлакової  технології в порівнянні з іншими методами СЕМ пов’язана з гнучкістю  процесу, що обумовлено наявністю великої  кількості степеней вільності. Важливість степеней вільності в технології почала набувати більшого значення по мірі ускладнення вимог до сучасних продуктів.

Порівняння з степенями  вільності, які властиві іншому конкуруючому процесу вторинного рафінування - процесу ВДП, показую, що ЕШП має більшу кількість степеней вільності ніж ВДП, а отже, спроможний вирішувати більше проблем і забезпечувати значно більше переваг готовому продукту. Висока кількість степеней вільності при ЕШП є результатом можливих комбінацій хімічного складу шлаків, більш гнучкі умови живлення електроенергією і більша вільність вибору характеристик електродів.

Не здійснючюн практичного  впливу на міцність штампових сталей для гарячого деформування, спеціальні способи виплавки забезпечують помітне  підвищення пластичності та ударної  в'язкості, що особливо чітко проявляється при випробуванні поперечних зразків. Найбільш істотне зменшення анізотропії механічних властивостей досягається після ЕШП.