Электрошлакового процесса

В настоящее время насчитываются десятки способов применения электро­шлакового процесса в металлургии, машиностроении, строительстве. Не касаясь хронологии, попытаемся клас­сифицировать их по основным техно­логическим и металлургическим при­знакам, поскольку они тесно взаимосвязаны. Прежде всего рассмотрим группу технологий, использующих электрошлаковый процесс в его клас­сическом, первозданном виде, т. е. те применения процесса, где используются, во-первых, расхо­дуемый электрод и, во-вторых, форми­рование продукта (сварного шва, слит­ка, отливки) производится в том же месте, где происходит плавление рас­ходуемого электрода. Это прежде все­го ЭШП расходуемого электрода в водоохлаждаемом кристаллизаторе или принудительно охлаждаемой металли­ческой форме (рис. 3.1).

В эту же груп­пу, разумеется, входит и ЭШС как в каноническом виде, так и в ее совре­менных модификациях (рис. 3.2). Сюда же относят электрошлаковую наплавку во всех ее разновидностях, т. е. в вертикальном и иных положе­ниях (рис. 3.3).

а	б
Рис. 3.1. Схема ЭШП:   а — монофилярная; б — бифилярная;   1 — расходуемые электроды; 2 — кристаллизатор; 3 — слиток; 4 — ме­таллическая ванна; 5 — шлаковая ванна; 6 — источ­ник тока

Рис. 3.2. Схема ЭШС:   1 — свариваемые кромки; 2 — водоохлаждаемое фор­мирующее устройство; 3 — шлаковая ванна; 4 — электродная проволока; 5 — металлическая ванна; 6 — сварной шов; 7 — шлаковая корочка	Рис. 3.3. Схема электрошлаковой наплавки:   1 — наплавленная заготовка; 2 — электродная прово­лока; 3 — формирующее устройство; 4 — наплавлен­ный металл

К рассматриваемой группе следует отнести процесс электрошлаковой плавки расходуемого электрода, ис­пользуемый в сталеплавильном произ­водстве, — электрошлаковой подпитки крупнотоннажных слитков и отливок для увеличения выхода годного и по­вышения их качества.

Наличие водоохлаждаемой или фу­терованной надстав­ки не вносит принципиальных отличий в существо протекающих при этом ме­таллургических реакций (рис. 3.4).

а	б
Рис. 3.4. Схема процесса электрошлаковой под­питки при наличии водоохлаждаемой (а) и футерованной надставки (б):   1 — электрод; 2 — водоохлаждаемое кольцо; 3 — шлак; 4 — слиток; 5 — изложница; 6 — поддон; 7 — изоли­рующий огнеупорный пояс; 8 — износостойкий огнеупорный пояс; 9 — источник тока

К этим технологиям относится и электрошлаковая подпитка головной части заготовок, отливаемых на машинах полунепрерывного литья (рис. 3.5).

Рассмотрим главные металлургические особенности первой группы технологий, основанных на электрошлаковом процессе. Во всех случаях используется расходуемый электрод, поэтому определяющее значение приобретают процессы, обу­словленные образованием пленки жидкого металла на конце электрода и капельным переносом этого метал­ла в металлическую ванну. Процес­сы плавления расходуемого электрода, каплеобразования и каплепадения под­даются контролю и управлению. Имен­но на конце электрода, проис­ходят интереснейшие явления, опреде­ляющие трансформацию неметалличе­ских включений исходного металла, их взаимодействие с жидким шлаком.

Рис. 3.5. Схема электрошлаковой подпитки при полунепрерывном литье заготовок:   1 — электрод; 2 — шлаковая ванна; 3 — кристаллизатор МПНЛЗ; 4 — литая заготовка

Хотя характер физических явлений в приэлектродной области до конца еще не выяснен, некоторые общие закономерности намечены.

Не случайны предпринимаемые попыт­ки защиты поверхности расходуемого электрода, оснащение с этой целью электрошлаковых установок камерами с контролируемой атмосферой. Метал­лургические реакции, протекающие в процессе прохождения капли жидкого металла через шлаковую ванну, вслед­ствие относительно более низких тем­ператур (по сравнению с приэлектродной областью) и быстротечности, не оказывают определяющего влияния на металлургическое качество будущего продукта. Вместе с тем процессы, раз­вивающиеся в металлической ванне, играют важную роль в достижении конечного результата — высокого ка­чества слитка, отливки, сварного шва или наплавки.

Работы, выполненные в свое время в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР с участием А. И. Бочоришвили, однозначно показали, что и бескапель­ный электрошлаковый процесс, т. е. процесс с нерасходуемым электродом, может быть достаточно активен и в конечном счете эффективен.

И сварка, и наплавка отличаются от переплава тем, что электрошлаковому рафинированию подвергается главным образом присадочный металл. Основ­ной металл, расплавляемый теплотой, генерируемой в шлаковой ванне, в от­личие от присадочного металла не подвергается столь интенсивной метал­лургической обработке. По этой при­чине металлургическое качество свар­ного шва или наплавленного металла в большой степени зависит от доли участия основного металла в металле шва или наплавки.

При электрошлаковой подпитке (рис. 3.4, 3.5) не удается подвергнуть рафинированию весь объем жидкого металла, запол­нившего изложницу или разлитого на машине полунепрерывного литья. Вполне естественно, что эффект под­питки скорее проявляется в уменьше­нии головной обрези вследствие тепло­вого воздействия электрошлакового процесса на затвердевающий слиток, отливку или заготовку, чем в улучше­нии их металлургического качества. Попадающий в го­ловную часть слитка электрошлако­вый металл может быть более чист, например, по сере или кислороду, чем подпитываемый металл.

В процессах первой группы помимо расходуемого электрода, как правило, присутствует и нерасходуемый провод­ник тока, т.е. имеется и нерасходуемый электрод. Доказано, что даже при бифилярной или трехфазной сис­теме подключения плавящихся элект­родов не исключается полностью шунтирование части тока через стенку кристаллизатора, изложницы или че­рез свариваемые кромки. Здесь в месте контакта жидкого токопроводящего шлака с твердым токоведущим метал­лом развиваются электрохимические процессы [2]. Причем роль этих процессов может быть и не очень велика по сравнению с тем, что происходит на погру­женном в шлак расходуемом электро­де. Однако эти процессы могут иметь и решающее значение, если речь пой­дет о технологиях, основанных на использовании нерасходуемых, т. е. неплавлящихся, электродов.

Рассмотрим вторую группу технологий, главным признаком кото­рых служит отсутствие расходуемого электрода. Сюда можно отнести такие процессы, как электрошлаковая плав­ка (ЭШПл), электрошлаковая разлив­ка (ЭШР), электрошлаковый обогрев (ЭШОб), электрошлаковое рафиниро­вание или электрошлаковая обработ­ка (ЭШРаф), электрошлаковая от­ливка разовая (ЭШО), порционная (ПЭШО) и др. (рис. 3.6).

  Рис. 3.6. Схемы процессов ЭШПл (а) и ПЭШО (б):   1 — жидкие металл; 2 — слиток; 3 — шлаковая ванна; 4 — кристаллизатор; 5 — нерасходуемый электрод; 6 — направляющая; 7 — шихта; 8 — питатель  

В отличие от технологий первой группы здесь определяющую роль мо­гут играть электрохимические про­цессы в приэлектродной области. Известны две разновидности нерасходуемых электродов — графитовые (угольные, графитированные) и метал­лические. Последние могут быть изго­товлены из тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) и не подвергать­ся принудительному охлаждению, но могут быть стальными, медными с обя­зательным принудительным охлажде­нием. Электрохимия электрошлакового процесса с нерасходуемыми электро­дами сложна и еще недостаточно изу­чена. Тем не менее экспериментально установлено, что процессы, протекаю­щие на нерасходуемом электроде и в приэлектродной области, могут быть направляемы прежде всего путем соответствующего выбора со­става шлака, рода тока, его частоты» полярности и т. д. В технологиях, ис­пользующих нерасходуемый электрод, важная роль принадлежит реакциям, развивающим­ся в металлической ванне. В различных публикациях не раз отмечалось, что в реальных усло­виях любой электрошлаковой технологии нет и не может быть четкого раздела жидкий металл — шлаковая ванна. Для электрошлако­вого процесса, несмотря на его внешне спокойное протекание, характерны турбулентность, эмульгирование металлической стали синтетическим шлаком, т. е. эффект обессеривания жидкого метал­ла, попадающего в жидкий шлак в ви­де крутопадающей струи, имеет в своей основе явление эмульгирования двух жидкостей. В той или иной степени эмульгирование имеет место во всех видах ЭШТ, и явление это непремен­но должно учитываться при оценке вклада тех или иных металлургических процессов в достижение конечного ре­зультата.

Дата добавления: 2015-08-20