Способы повышения качества крупных слитков

Анализ изложенного в предыдущих главах материала показывает, что перечисленные проблемы применительно к производству сравнительно небольших слитков не только стали, но и специальных сплавов успешно решаются с помощью переплавных процессов СЭМ. Вполне логичным было в свое время желание увеличивать массу производимого стального слитка при неизменно высоком качестве металла. Так, уже в начале промышленного освоения различных способов переплава расходуемых электродов в печати появились сообщения о проектировании печей ВДП, ЭШП и ЭЛП, предназначенных для производства стальных слитков массой 100—200 т и более. Однако по мере накопления производственного опыта и углубления теоретических знаний о процессах СЭМ выяснилось, что проблемы крупного слитка не могут быть решены лишь увеличением габаритов используемого оборудования и мощности источников питания печей.

В частности, в процессах с зависимым источником теплоты увеличение диаметра кристаллизатора и соответственно расходуемого электрода сопровождается пропорциональным возрастанием скорости плавления последнего и углублением металлической ванны со всеми вытекающими последствиями. Жесткая связь производительности и электрического режима переплава, особенно присущая ВДП, — основная причина ограничения массы производимых этим способом стальных слитков до 50 т.

Процессы переплава заготовок с помощью независимых источников теплоты (ЭЛП, ПДП) оказались непригодными для производства крупных слитков из-за недостаточной стойкости конструктивных элементов и мощности электронно-лучевых пушек и плазмотронов, а также по экономическим соображениям. Как отмечалось в печах ЭЛП получены стальные слитки массой 18 т, а масса самых крупных слитков ПДП составляет 2,5 т.

Из всех описанных методов СЭМ наибольшими возможностями увеличения массы слитка при высокой металлургической чистоте и хороших показателях различного вида неоднородности литого металла обладает ЭШП. Благодаря технологическим особенностям при ЭШП достигают позитивных результатов управления формированием кристаллической структуры крупного стального слитка. В частности, выбором надлежащего режима переплава удается поддержать сравнительно небольшую глубину металлической ванны. Необходимое для этого сдерживание производительности процесса при сохранении, однако, «горячего» режима шлаковой ванны обеспечивается использованием нескольких (4—6 шт.) расходуемых электродов. При таких условиях методом ЭШП получают стальные слитки массой около 130 т.

Однако использование нескольких электродов снижает коэффициент заполнения кристаллизатора и для получения слитка заданной массы требует чрезмерного увеличения высоты печи ЭШП. Ограничение ее габаритов вызывает необходимость замены оплавленных электродов в ходе ЭШП, а последнее, в свою очередь, требует обязательного применения короткого кристаллизатора и осуществления переплава по схеме с относительным перемещением кристаллизатора и слитка. Как отмечалось, такой технологический вариант ЭШП характеризуется сложностью контроля и управления переплавом и опасностью прорыва расплавленного металла и шлака в зазор между кристаллизатором и слитком. С увеличением массы последнего эти затруднения в значительной мере возрастают.

He простой оказывается при ЭШП проблема водорода. Необходимое низкое его содержание в слитке обеспечивается использованием электродов из вакуумированной стали. Поглощение водорода металлической ванной при длительном ведении процесса предотвращают установкой крышки на кристаллизатор и подачей в плавильное пространство осушенного воздуха.

Дальнейшее наращивание массы слитка ЭШП, несмотря на достигнутые позитивные результаты и возможности даже существующего оборудования, считают проблематичным. Основным препятствием усматривают увеличение себестоимости стального слитка, которая определяется капитальными затратами и расходами на переплав. Следует отметить, что наряду с очень высокой стоимостью сверхкрупных печей ЭШП существенно увеличивает себестоимость переплавленного металла необходимость изготовления многотонных расходуемых электродов высокого качества.

Металлургические, конструктивно-технологические и технико-экономические трудности производства тяжелых кузнечных слитков методом ЭШП стимулировали стремление улучшить качество слитков обычного производства. Для этого используют новейшие достижения в области внепечной обработки стали, оптимизации процесса разливки, а также упрощенные разновидности электрошлаковой технологии.

Практика показывает, что химическая неоднородность крупного стального слитка проявляется тем контрастнее, чем, в частности, выше степень загрязненности стали, заливаемой в изложницу. Поэтому первое и необходимое условие улучшения показателей качества крупных слитков обычного производства — максимально возможное очищение металла от газов и вредных примесей.

Тщательная подготовка шихтовых материалов, в том числе применение первородной шихты, использование разнообразных методов внепечной обработки стали способствуют уменьшению степени загрязненности слитка включениями, ослаблению его химической неоднородности. В этом случае обязательно применение вакуумирования стали для снижения ее газонасыщенности (водород, кислород) и предотвращения образования флокенов в деформированной заготовке. Чаще такая операция проводится на этапе заполнения изложницы, установленной в вакуумную камеру. Обнаружено, что ВУР стали, особенно никельхромомолибденованадиевой, и отказ от применения обычных раскислителей (кремния), приводит к ослаблению макросегрегации в крупных кузнечных слитках.

Химическую неоднородность стали, в частности, содержание углерода по высоте слитка, уменьшают таким технологическим методом, как заполнение изложницы в несколько приемов. Сначала заливают сталь с повышенным относительно марочного содержанием углерода, чтобы сгладить его отрицательную сегрегацию, а в последующих порциях содержание углерода снижают. Полученные по такой технологии слитки массой в 400 т характеризуются стабильностью химического состава стали по высоте и диаметру.

Однако перечисленные способы, способствующие повышению общей чистоты и снижению химической макронеоднородности литого металла, не позволяют влиять на развитие дефектов усадочного происхождения и кардинально улучшить кристаллическую структуру слитка.

Активнее вмешаться в процесс формирования слитка дает возможность метод электрошлаковой подпитки. За счет теплоты металла оплавляющегося электрода улучшается тепловая обстановка в подприбыльной части слитка, нежелательные изменения химического состава последних затвердевающих порций расплава нивелируются добавкой чистого электродного металла, а накапливающиеся вредные примеси и всплывающие HB поглощаются расплавом шлака. Способ электрошлаковой подпитки, разработанный в конце 50-х годов ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины, позволяет повысить плотность и уменьшить химическую неоднородность стали в осевых объемах слитка при сведении к минимуму головной обрези. Этот процесс, в силу ряда причин ограниченно применявшийся в нашей стране, в середине 60-х годов был возрожден с некоторыми технологическими изменениями за рубежом и используется с тех пор при производстве листовых и кузнечных слитков, а также крупных фасонных отливок. Процесс электрошлаковой подпитки (Electroslag topping Process), усовершенствованный специалистами австрийской фирмы «Велеру получил наименование BEST-процесс, а итальянской фирмы «Терни» — TREST-процесс. Принципиальное различие между ними состоит в том, что в первом применяют водоохлаждаемую прибыльную надставку, а во втором — футерованную. Это, естественно, сказывается на потреблении энергии для организации электрошлаковой подпитки. Так, при TREST-процессе удельные энергетические затраты составляют около 110 МДж (30—35 кВт*ч) на 1 т слитка, что в 6—8 раз меньше, чем при BEST-процессе.

За последние годы способами BEST и TREST в промышленных условиях изготовлено большое число слитков, масса которых, однако, не превышала 62 т. Наиболее изучены 10—22-тонные слитки BEST- и 30-тонные слитки TREST-процесса. Исследования показывают, что в сравнении с металлом обычного производства в слитках электрошлаковой подпитки меньше общая и зональная химическая неоднородность, выше физическая плотность металла в осевой зоне, реже обнаруживаются отдельные и групповые дефекты в поковках. Нo главное достоинство методов электрошлаковой подпитки заключается в повышении выхода годного металла, что обусловлено, во-первых, возможностью резко уменьшить расход металла на прибыль и, во-вторых, отсутствием конуса осаждения, требующего удалять в обрезь от донной части слитка до 15 % его массы. Поэтому, например, 55-тонные слитки электрошлаковой подпитки по выходу годного металла равноценны 70-тонным слиткам обычного производства.

Изучается возможность получения описанными методами слитков большей массы (до 300 т). Однако к такой перспективе скептически относятся даже зарубежные специалисты, понимая, что электрошлаковая подпитка не обеспечивает оптимальных условий затвердевания металла во всем его объеме. Эффективность этого метода с увеличением массы залитой в изложницу стали заметно уменьшается, поскольку условия затвердевания расплава практически не отличаются от условий формирования обычного слитка.

Для повышения качества крупных слитков используются и другие, принципиально отличные от описанных методы производства. Как отмечалось, основные дефекты локализуются в осевых объемах слитка и проявляются резче с увеличением его массы. Поэтому получить крупную стальную кузнечную заготовку без дефектов усадочного и ликвационного происхождения можно, например, ее укрупнением.

Один из таких способов, предложенный в России, заключается в заплавлении методом ЭШП осевой полости сравнительно небольшой и, следовательно, высококачественной стальной заготовки. Полую заготовку или так называемый «расходуемый кристаллизатор» получают прошивкой и раскаткой слитка, либо применяют литой полый слиток. В обоих случаях для этого может быть использован слиток ЭШП. Другой способ, разработанный в ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины, предусматривает укрупнение кузнечной заготовки путем ЭШС нескольких слитков — заготовок. Такая технология состоит из следующих основных операций: производство нескольких слитков высокого качества (например, ЭШП), их ковка, подготовка торцевых поверхностей заготовок под сварку, процесс ЭШС заготовок электродами большого сечения, термо- и механическая обработка заготовки перед последующей ковкой.

Повысить качество кузнечной заготовки можно также удалением дефектной сердцевины обычного крупного слитка с последующим заплавлением образованной полости методом ЭШП. Этот метод получил наименование MXKB (MIIKW) в соответствии с названиями зарубежных фирм «Мидвейл хеппенстол» (США) и «Клекнер верке» (ФРГ), освоивших его в промышленном масштабе. Как видно, МХКВ-процесс аналогичен, по сути, описанному отечественному способу ЭШП в «расходуемый кристаллизатор».

К достоинствам перечисленных методов относится возможность производства крупных кузнечных заготовок на базе относительно маломощного оборудования ЭШП. В сравнении с крупными кузнечными слитками обычного производства металл осевой зоны таких заготовок получается более высокого качества. Однако для всех этих методов характерны сложность и повышенная трудоемкость, опасность возникновения специфических дефектов в зоне сплавления жидкого металла с твердой заготовкой: шлаковых включений, микро- и макротрещин из-за напряжений при термодеформационном цикле в металле заплавляемой или свариваемой заготовок.

Поиски оптимального решения проблем уменьшения физической, структурной и химической неоднородности крупных слитков при наименьших затратах на изготовление такой продукции продолжаются.

Одним из возможных путей удовлетворения перечисленных требований является, но мнению авторов данной монографии, способ ПЭШО, разработанный в ИЭС им. Е.О. Патона AН Украины.