Из истории развития

В основе электрошлаковой плавки лежит интереснейшее физическое явление — электрошлаковый процесс, т. е. процесс выделения теплоты в расплавленном синтетиче­ском шлаке при пропускании электри­ческого тока через этот расплав. Исто­рия открытия электрошлакового про­цесса весьма интересна и поучитель­на. Его пытались увидеть там, где его не было, и боролись с ним, когда он обнаруживал себя [8].

Еще в конце 30-х гг. был разработан способ автоматической сварки под флюсом (рис. 1.1). В США этим видом сварки занималась фирма «Линде».

В довоенной Германии этот способ на­звали Эллира-Швайссунг по началь­ным буквам слов электро-линде-рапид-швайссунг, т. е. скоростная элект­росварка фирмы «Линде». Ни в США, ни в Германии вначале не проводи­лись серьезные исследования физиче­ской сущности нового сварочного про­цесса. Однако это не помешало аме­риканцам в течение почти десятка лет утверждать, что сварка под флюсом является разновидностью сварки со­противлением. Если при контактной сварке сопротивление электрическому току оказывает твердый металл, то при сварке под флюсом – жидкий шлак, в который погружен электрод.

Рис. 1.1. Схема процесса автоматической сварки под флюсом:   1 — флюс; 2 — электродная проволока; 3 — газовый пузырь; 4 — шов; 5 — шлаковая корка

Иначе говоря, сварка под флюсом есть про­цесс бездуговой, а значит, если поль­зоваться современной терминологией, электрошлаковый процесс.

Известно, что наш отечественный способ автоматической сварки под флюсом был разработан в Институте электросварки АН УССР под руковод­ством Е. О. Патона примерно в то же. время, что и в США. Уже в 1940 г. этот способ получил распространение на многих заводах нашей страны, а в марте 1941 г. Е. О. Патон был удостоен Государственной премии СССР.

У советских сварщиков никогда не возникало никаких сомнений в том, что сварка под флюсом – разновидность дуговой сварки плавлением, что под слоем сыпучего флюса в своего рода газовом пузыре с оболочкой из жид­кого шлака горит электрическая дуга (рис. 1.1).

Еще в годы Великой Отече­ственной войны Б. Е. Патон и А. М. Макара, применив методы осциллографирования, убедительно и одно­значно доказали, что сварка под флю­сом — процесс электродуговой [6]. Затем последовали новые исследова­ния, в ходе которых Н. Г. Остапенко использовал оригинальный метод рент­геноскопии и рентгенокиносъемки, сов­мещенный с осциллографированием то­ка и напряжения и подтвердил нали­чие электрической дуги при сварке под флюсом на переменном токе [10].

Теперь не оставалось никаких сом­нений: сварка под флюсом — дуговой процесс, при котором если и возможно прохождение тока через жидкую обо­лочку пузыря вследствие частичного шунтирования столба дуги, то этот ток несоизмерим с током дуги.

Уже после публикации исследований советских ученых стало известно, что во время второй мировой войны в Гер­мании были проведены опыты по рентгенопросвечиванию зоны сварки под флюсом и вполне естественно были получены совершенно аналогичные результаты: сварка под флюсом — дуговой процесс.

В США довольно долго не призна­вали того, что сварка по способу фир­мы «Линде» не является чем-то совер­шенно неведомым. Более того, уже после войны американцы пытались опровергнуть выводы советских ученых о наличии дуги при сварке под флюсом. Четкая и ясная отповедь этому была дана в брошюре Е. О. Патона, изданной в 1951 г. [15].

Почти сто лет назад знаменитый русский инженер и изобретатель Н. Г. Славянов опубликовал в Санкт-Петербурге свою книжку «Электриче­ская отливка металлов» [19]. Он по­казал, что если возбудить электриче­скую дугу в некоей форме, засыпать в плавильное пространство шлакообразующие и легирующие компоненты, то в результате можно получить сли­ток требуемого химического состава (рис. 1.2). Изобретатель не сомневался в том, что он имеет дело с тем же физическим явлением — электрической дугой, которую он успешно использовал для неразъемного соединения метал­лов.

Между тем вполне естественно, что при соответствующей глубине шлаковой ванны электрическая дуга могла самопроизвольно гаснуть, вследствие шунтирования тока жидким шлаком. Не вызывает потому сомнений, что Н. Г. Славянов, по сути, мог иметь и бездуговой электрошлаковый процесс.

а	б
Рис. 1.2. Электрическая отливка по способу Н. Г. Славянова: а — начало процесса; б — процесс отливки

Нет ничего удивительного и в том, что спустя почти 40 лет после Н.Г.Славянова американец Армст­ронг, предложивший способ выплавки железных сплавов в водоохлаждаемой массивной медной форме, тоже не по­дозревал о том, что имеет дело не с дуговым, а бездуговым процессом. По крайней мере в американском патен­те № 1.781.490, который Армстронг по­лучил в 1930 г. [8], процесс выплавки слитков охарактеризован как процесс плавления расходуемого железного электрода электрической дугой, горя­щей под слоем сыпучего флюса между концом этого электрода и жидким шлаком, покрывающим поверхность металлической ванны.

Конечно, Арм­стронг, как и его предшественник Н. Г. Славянов, сам того не подозре­вая, мог иметь дело и с электрошлаковым процессом. Из литературы из­вестно, что способ Армстронга, в отличие от славяновского способа от­ливки металлов, не нашел практиче­ского применения.

Другой американский изобретатель Гопкинс, отталкиваясь от работ Армст­ронга и фирмы «Аллехени Лудлум», предложил отливать слитки легирован­ных сталей.

Суть этого способа согласно амери­канскому патенту 1940 г. (№ 2.191.479) состоит в следующем (рис. 1.3): в водоохлаждаемой медной изложнице с по­мощью электрической дуги, питаемой постоянным током и горящей под сло­ем сыпучего шлака, переплавляют трубчатый электрод, формируемый из железной или никелевой ленты с помощью специальной роликовой проводки [8]. Легирование постепенно наплав­ляемого слитка осуществляется пода­чей внутрь трубчатого электрода дози­рованных количеств измельченных ферросплавов, лигатур или металличе­ских порошков. Важно вновь подчеркнуть, что в патентном описании, в патентной фор­муле идет речь только об электроду­говом процессе. Но как у Славянова и Армстронга, так и у Гопкинса при выплавке слитков, конечно же, дуго­вой процесс при достаточном количе­стве жидкого шлака вполне мог усту­пать место бездуговому, т. е. мог воз­никать электрошлаковый процесс. Тем не менее американцам понадобилось почти 25 лет, чтобы признать наличие бездугового, т. е. электрошлакового, процесса при плавке в водоохлаждаемом кристаллизаторе.

Рис. 1.3. Схема способа электродуговой выплав­ки слитков (Гопкинс, США, 1938 — 1939 гг.) с использованием трубчатого расходуемого электрода:   1 — кристаллизатор; 2 — поддон; 3 — жидкий шлак; 4 — жидкий металл; 5 — слиток; 6 — электрическая дуга; 7 — расходуемый трубчатый электрод; 8 — токоподвод; 9 — источник тока; 10 — трубоформирующее устройство; 11 — рулон ленты; 12 — дозаторы

Это тем более любопытно, что в те же годы в области сварки металлов в США по-прежнему царило общее мнение, будто сварка под флюсом — бездуговой процесс. Стало быть, американцам был изве­стен такого рода термин. Сварщики США признали сварку под флюсом дуговым процессом примерно к началу пятидесятых годов.

В патенте Гопкинса № 3.067.473, выданном в США в 1956 г. [8], по-преж­нему отмечалось наличие дуги, погру­женной в шлак. Лишь в патентах, вы­данных американцам примерно в се­редине 60-х гг., речь идет уже не о дуге, горящей во флюсе, а о некоем токовом разряде. Промышленному ис­пользованию электрошлакового про­цесса в США, естественно, не могло не мешать отсутствие четких представле­ний о его физической сущности.

В 1965 г. в США был выдан патент № 3.469.968, в котором нет никаких упоминаний о дуговом процессе: здесь уже идет речь о переплаве расходу­емых электродов за счет теплоты, выделяющейся в шлаковой ванне при прохождении электрического тока меж­ду нижним концом электрода и ванной расплавленного металла. Строго гово­ря, нет никаких внешних принципиаль­ных отличий между схемами перепла­ва, изображенными на рис. 1.4 (1956 г.) и 1.5 (1965 г.), но принципиально отличаются формулировки: в 1956 г. речь еще шла о дуговом процессе, а спустя почти 10 лет об электрошла­ковом, хотя он и не назван таковым.

Рис. 1.4. Схема способа электродугового пере­плава расходуемого электрода сплошного се­чения заданного состава (Гопкинс, США, 1956 г.)	Рис. 1.5. Схема способа ЭШП расходуемого электрода сплошного сечения заданного соста­ва (Сноу, США, 1965 г.)

Здесь уместно напомнить, что сам термин Electro-Slag-Remelting (ESR), появившийся в англоязычной литера­туре во второй половине 60-х гг., есть ни что иное, как точный перевод с русского «Электрошлаковый пере­плав». (Термин этот появился в совет­ской литературе впервые в 1958 г.). Правда, англичане, приняв ту же аббревиатуру, расшифровывают ее не­сколько иначе: Electro-Slag-Refining, т. е. электрошлаковое рафинирование.

Признание описанного переплавного процесса электрошлаковым имело отнюдь не юридическое значение — с конца 60-х гг. процесс этот стал раз­виваться быстрыми темпами в США и других зарубежных странах.

В нашей стране события развива­лись по-иному. С самого начала, как уже указывалось, процесс сварки под флюсом был воспринят как электро­дуговой. По этой причине в тех слу­чаях, когда сварочная дуга шунтиро­валась относительно глубокой ванной расплавленного флюса и процесс свар­ки становился недостаточно устойчивым, предпринимались необходимые меры для восстановления стабильного дугового разряда, т. е., как мы можем сказать сегодня, меры для недопу­щения электрошлакового процесса. Вскоре после окончания Великой Отечественной войны в Институте электросварки АН УССР были начаты работы по механизации сварки на монтаже. Требовалось в короткие сро­ки решить эту важную народнохозяй­ственную задачу, так как страна вос­станавливала разрушенные войной заводы, а квалифицированных рабо­чих, в том числе и электросварщиков, не хватало. Опираясь на огромный опыт промышленного использования дуговой сварки под флюсом в воен­ные годы, естественно, попытались при­менить именно

Рис. 1.6. Схема процесса сварки под флюсом вертикальных швов с принудительным форми­рованием металла шва:   1— сварочная проволока; 2 — мундштук; 3 — водоохлаждаемые накладки; 4 — свариваемый металл; 5 — сварочный флюс; 6 — шов

этот способ при сварке вертикальных швов на монтаже. Счи­тали, что сварка под флюсом в соче­тании с предложенным Г. 3. Волошкевичем методом принудительного формирования жидкого металла позво­лит успешно решить проблему уско­ренного восстановления различных металлоконструкций и прежде всего доменных печей. Для вертикальной сварки решили отказаться от обще­принятой разделки кромок. Подле­жащие соединению стальные листы со­бирали с некоторым зазором, который закрывали с обеих сторон водоохлаждаемыми медными накладками и пол­зунами (рис. 1.6).

В своего рода глубо­кий колодец, образованный кромками стальных листов и водоохлаждаемой медью, засыпали обычный сварочный флюс и возбуждали электрическую дугу. Иногда удавалось получить хо­рошо сформированные сварные швы. Но нередко вместо шва обнаруживали нечто вроде отливки, своего рода стру­чок, отделенный от свариваемых кро­мок затвердевшим шлаком.

Далеко не сразу заметили, что шов не образует­ся на тех участках, где характерные для дугового разряда потрескивание и проблескивание дуги через слой сы­пучего флюса, покрывающего поверх­ность зоны сварки в зазоре между кромками, вдруг прекращались: обна­жалась ярко светящаяся поверхность расплавленного шлака, процесс свар­ки становился беззвучным, а стрелки приборов — амперметра и вольтмет­ра — фиксировали удивительную, ни­когда ранее при сварке под флюсом не наблюдаемую стабильность свароч­ного тока и напряжения.

На первых порах делали все возможное, чтобы процесс сварки вертикальных швов оставался дуговым, а швы не имели дефектов и надежно сваривали бы между собой стыкуемые кромки. Лишь спустя некоторое время поняли, что не нужно бояться перехода дуго­вого процесса в бездуговой, необходи­мо так управлять этим новым процес­сом, чтобы с его помощью получать нормальные швы. Понадобились годы и достаточно серьезные исследования, чтобы понять сущность нового процес­са, названного электрошлаковым, и главное научиться использовать все его потенциальные возможности. Так, на рубеже 40-х—50-х гг. XX в. в нашей стране был открыт электрошлаковый сварочный процесс.

Нет необходимости останавливаться на том, какие поисти­не революционные изменения в сва­рочном производстве произошли в ре­зультате открытия электрошлакового сварочного процесса и широкого внед­рения электрошлаковой сварки в на­шей отечественной промышленности. Уже в 1958 г. на Меж­дународной выставке в Брюсселе (ЭКСПО-58) советский способ сварки привлек всеобщее внимание и был удо­стоен наивысшей награды — Гран-при. В 1957 г. Б. Е. Патону, Г. 3. Волошкевичу и работникам ряда заводов присуждена Ленинская премия за раз­работку и промышленное внедрение ЭШС.

Тот примечательный факт, что при ЭШС вертикальных швов в опреде­ленных условиях можно вместо шва получить своего рода слиток или от­ливку, не сразу привлек к себе вни­мание исследователей. Он приобрел особое значение только тогда, когда выяснилось, что сварной шов, получен­ный электрошлаковым способом, об­ладает удивительной макроструктурой, лишен дефектов в виде несплошностей, а главное не уступает по механическим свойствам основному, т. е. деформи­рованному металлу. В 1952 г. в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР Б. Е. Патон и Б. И. Медовар с помощью аппа­рата для ЭШС получили первые элект­рошлаковые слитки массой несколько килограммов.

В качестве рас­ходуемого электрода брали сварочную аустенитную проволоку диаметром 5 мм, в качестве шлака — обычный низкокремнистый плавленый флюс АН-26, разработанный двумя годами раньше для автоматической электро­дуговой сварки под флюсом нержаве­ющих аустенитных сталей. Результаты превзошли все ожидания: слиток обла­дал превосходной плотной макро­структурой, транскристаллическое строение его отнюдь не помешало пол­ной изотропии механических свойств. Он не имел никаких несплошностей, отличался удивительно равномерным распределением дельта-феррита. Так произошло открытие электрошлаково­го переплавного процесса. Всего не­сколькими годами позже — в мае 1958 г. – на Запорожском электрометал­лургическом заводе «Днепроспецсталь» была введена в промышленную эксплуатацию первая в мире опытно-промышленная печь ЭШП. В 1959 г. здесь уже действовал первый в мире специализированный цех ЭШП, осна­щенный блоками электрошлаковых печей, питаемых трехфазными трансформаторами. В 1958—1959 гг. на Но­вокраматорском машиностроительном заводе вошла в строй первая в миро­вой практике трехэлектродная трех­фазная двухтонная печь ЭШП для производства кузнечных слитков. История промышленного применения ЭШП ведет свой отсчет от мая 1958 г. Хронология появления и дальнейше­го развития электрошлакового процес­са характеризуется своего рода цик­личностью: примерно десятилетие понадобилось на то, чтобы от примене­ния его при сварке и наплавке перей­ти к ЭШП. Еще десять лет ушло на то, чтобы в область сварки этот же процесс вернулся в новой своей ипо­стаси, унаследованной от ЭШП, — в виде ЭШС по бифилярной схеме. Еще через десять лет появились такие интерес­нейшие применения электрошлакового процесса, как различные виды элект­рошлакового литья. Развивался этот процесс и в собственно сталеплавиль­ном производстве — имеются в виду различные схемы плавки металла и управления кристаллизацией слитков и отливок.

Все эти применения объеди­нены теперь общим термином «элект­рошлаковая технология».

Дата добавления: 2015-08-20