Порционная электрошлаковая отливка слитков

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Порционная электрошлаковая отливка слитков

30.10.2020

При разработке способа ПЭШО учитывали следующие обстоятельства. Оптимальные условия формирования слитка обеспечивают переплавные процессы СЭМ. С помощью источника теплоты, обогревающего поверхность металлической ванны, при получении слитков сравнительно небольшого поперечного сечения удается поддерживать в ней необходимый температурный градиент и сдерживать развитие двухфазной зоны, обеспечивая тем самым желаемую вертикальную направленность формирования слитка. Эффект этих мероприятий достигается, однако, лишь в том случае, если металлическая ванна не очень глубока, а массовая скорость поступления в нее жидкого электродного металла равна (или весьма близка) к массовой скорости затвердевания расплава. Выполнять последние требования по мере увеличения сечения кристаллизатора (слитка), становится, как отмечалось, все труднее: скорость плавления электродного металла все более превышает оптимальную, металлическая ванна становится глубже, а двухфазная зона протяженнее. В пределе условия затвердевания металла приближаются к условиям формирования слитка в чугунной изложнице.

С учетом приведенных обстоятельств было решено отказаться от схемы переплава компактных электродов при производстве крупных слитков и заполнять кристаллизатор жидким металлом, однако не непрерывно, как при обычной разливке, а порциями. При этом, регулируя соотношение между массой порции стали и продолжительностью перерыва между их заливкой, можно обеспечить в среднем любую требующуюся для направленного формирования слитка массовую скорость подачи расплава.

Как отмечалось, стоимость расходуемых электродов (заготовок) составляет значительную часть материальных затрат на переплав. Изготовление электродов требуемого высокого качества — непростая задача, усложняющаяся по мере увеличения их массы. Понятно, что использование жидкого металла существенно снизит себестоимость и упростит технологию производства крупного слитка.

Наконец известно, что производство крупных слитков обычно требует обязательного наличия сталеплавильных агрегатов большой емкости либо для заливки металла в крупную изложницу, либо для изготовления массивных расходуемых электродов для последующего ЭШП. Заливка стали небольшими порциями в кристаллизатор при ПЭШО позволяет для производства сверхкрупных слитков располагать сталеплавильными печами даже малой емкости.

При выборе источника теплоты для организации ПЭШО учитывали, что наибольшую однородность распределения теплоты по поверхности обогреваемой металлической ванны, наиболее оптимальный для стали температурный резким, а также наибольшую легкость управления, технологическую простоту и надежность обеспечивает электрошлаковый процесс. Поскольку необходимость расходуемых электродов отпадает, электрический ток к шлаковой ванне подводят при ПЭШО с помощью нерасходуемых, в частности графитированных, электродов. Последнее позволяет осуществлять направленное формирование слитка но схеме заполнения стационарного глуходонного кристаллизатора и тем самым исключить затруднения, присущие схеме ЭШП с относительным перемещением кристаллизатора и слитка.

Осуществляется процесс ПЭШО следующим образом. В кристаллизаторе с помощью нерасходуемых электродов наводится шлаковая ванна (рис. 128, а). Затем заливается первая порция стали, а погруженные в шлак электроды при этом поднимаются с необходимой скоростью (рис. 128, б). Ho окончании заливки первой порции ведут электрошлаковый обогрев металла для сохранения его в жидком состоянии в верхней части ванны. В нижней ее части расплав постепенно затвердевает и когда под слоем шлака остается небольшое количество жидкого металла (рис. 128, в), заливается вторая порция стали. Смешиваясь с незатвердевшим остатком, она также постепенно затвердевает снизу вверх (рис. 128, г). Заливка металла порциями с их выдержкой при обогреве поверхности ванны продолжается до заполнения кристаллизатора (рис. 128, д). К окончанию выдержки последней порции стали необходимую электрическую мощность постепенно снижают для предупреждения образования усадочной раковины в головной части слитка.
Порционная электрошлаковая отливка слитков

Применение водоохлаждаемого кристаллизатора и электрошлакового процесса в качестве источника теплоты делает процессы ПЭШО и ЭШП во многом похожими в энергетическом отношении. Параметры теплообмена между металлической и шлаковой ваннами, формируемым слитком и кристаллизатором для этих процессов идентичны (см. рис. 68). Необходимость компенсации значительных потерь теплоты в зоне шлакового пояса и излучением шлаковой ванны требует существенных удельных затрат электроэнергии на организацию ПЭШО. Ho в связи с применением расплавленной стали при ПЭШО они примерно на треть меньше, чем при ЭШП, т. е. составляют 2,1—2,5 ГДж (600—700 кВт*ч) на 1 т получаемого слитка.

В сравнении с электрошлаковой подпиткой слитков энергоемкость ПЭШО примерно в 2—4 раза больше, чем при BEST- и в 20 раз выше, чем при TREST-процессе. Вместе с тем существенные энергетические затраты оправдываются возможностью целенаправленно воздействовать на кристаллизацию металла, т. е. управлять процессом формирования слитка при ПЭШО. Понятно, что наиболее важным и требующим изучения вопросом в атом аспекте является оптимизация таких параметров ПЭШО, как масса порций стали, продолжительность интервала между их заливкой, интенсивность обогрева металлической ванны.

В дополнение к натурным исследованиям процесса ПЭШО слитков массой 9—15 т большую помощь в оптимизации режимов отливки оказали методы математического моделирования. С их помощью прослежена кинетика затвердевания стали (динамика нарастания толщины затвердевшей части слитка, изменение глубины металлической ванны и протяженности двухфазной зоны) и на этой основе определены оптимальные соотношения массы порций стали и промежутков между их заливкой в ходе ПЭШО слитков различных типоразмеров. Установлено, что наилучшие условия формирования слитков обеспечиваются при таком времени выдержки порций, когда выполняется условие

где hм' — глубина металлической ванны к моменту заливки порций; Hп — высота заливаемой в кристаллизатор порции стали.

Понятно, что величина оптимального соотношения (7.1) зависит от условий отливки слитков: химического состава заливаемой стали, диаметра применяемого кристаллизатора. В принципе при прочих равных условиях с увеличением температурного интервала кристаллизации стали допустимая высота порций должна быть меньше, чтобы продолжительность локального затвердевания металла не увеличивалась.

Надо отметить, что после появления первых публикаций на тему ПЭШО некоторые специалисты высказывали недоверие к возможностям этого процесса в связи с опасностью возникновения различного рода дефектов в зонах сплавления порций. Подробные исследования макро- и микроструктуры металла в указанных зонах не выявили его физической неоднородности (трещин, пор, несплавлений). Лишь на боковой поверхности слитка на участке сплавления порций может образоваться незначительная кольцевая вмятина, вызываемая, вероятно, утолщением шлакового гарнисажа.

Для сталей, кристаллизующихся в широком интервале температур (9Х, ШХ15), линия сплавления порций на продольном травленом темплете слитка очерчена узкой зоной мелкозернистой структуры, за которой наблюдается развитие зоны столбчатых и равноосных разориентированных кристаллов. В слитках низкоуглеродистых сталей (2X13, 12X18II10T), кристаллизующихся в узком интервале температур, по контуру ванны изменяется только направленность роста столбчатых кристаллов. Для сталей, занимающих промежуточное положение (25ХН2МФА), мелкозернистая структура по линии сплавления порций также не образуется, а контур ванны очерчивается лишь узкой зоной столбчатых кристаллов.

Результаты исследования химического состава стали в переходной зоне не выявили различия в микронеоднородности на границе порций по сравнению с основным металлом. Незначительные различия в содержании элементов находятся в пределах ошибки анализа.

При правильно организованном режиме отливки слитка в нем отсутствует осевая рыхлость и пористость, полностью подавлена или незначительно выражена внеосевая сегрегация (рис. 129, а). Отсутствие конуса осаждения и усадочной раковины, хорошее качество поверхности слитка повышают выход годного металла до 90 % массы жидкой стали.

Отсутствие дефектов усадочного происхождения позитивно сказывается на физической плотности стали, значительно более высокой и менее неоднородной по высоте и сечению слитка ПЭШО в сравнении с металлом обычного производства (рис. 129, б).

Исследования дисперсности дендритной структуры роторной стали ПЭШО показывают, что расстояния между вторичными осями дендритов по сечению слитка массой 75 т изменяются от 0,18—0,25 мм у поверхности до 0,35—0,45 мм в осевых объемах. Причем в зонах слияния порций плотность дендритной структуры возрастает. Показатели кристаллического строения металла обычного производства значительно хуже, о чем свидетельствует и сравнение показателей дендритной сегрегации, отражающих, как известно, условия формирования первичной кристаллической структуры металла. По этим показателям металл крупного слитка ПЭШО близок к металлу ЭШП и значительно превосходит обычный металл (рис. 130).

Рафинирующие возможности процесса ПЭШО, как и ЭШП, основаны на обработке расплава стали жидким синтетическим шлаком в условиях высокотемпературного взаимодействия фаз. Вместе с тем использование жидкого металла вместо компактной переплавляемой заготовки, как при ЭШП, применение нерасходуемых графитированных электродов, а также некоторые другие технологические особенности ПЭШО накладывают определенный отпечаток на результаты металлургических реакций в условиях этого процесса.

Ранее указывалось, что использование компактной заготовки к переплавных процессах СЭМ — эффективное средство интенсификации металлургических реакций. Благодаря развитой поверхности взаимодействующих фаз на этапе пребывания металла в тонкой пленке на оплавляющемся торце расходуемого электрода (заготовки) во многом обеспечиваются высокие показатели чистоты переплавленной стали (см. рис. 84). Казалось бы, отсутствие этапов капельного массопереноса металла при ПЭШО должно негативно сказаться на кинетике межфазного взаимодействия и ухудшить в сравнении с ЭШП степень рафинирования стали. Однако практика показала, что существенное влияние на ход и результаты металлургических реакций при ПЭШО оказывает интенсивное перемешивание металла и шлака при заливке порций стали. Аналогично процессу рафинирования стали в ковше жидким синтетическим шлаком во время заливки порций при ПЭШО происходит эмульгирование шлака в металле, что резко увеличивает приведенную поверхность взаимодействия шлака с металлом, величина которой становится сравнимой с аналогичным параметром для условий получения слитка методом ЭШП. Таким образом, благодаря интенсивной обработке стали шлаком, в результате эмульгирования его в металле во время заливки и продолжительного взаимодействия фаз в ходе выдержки порций, достигается высокая чистота металла по сере (табл. 80) и кислороду. В сочетании с благоприятными условиями затвердевания стали это обстоятельство обеспечивает снижение содержания НB, их измельчение и равномерное распределение по высоте и сечению слитка (рис. 131).


Следует отметить, что на результаты реакций десульфурации и раскисления стали в случае ПЭШО определенное влияние оказывает применение графитированных электродов. При ЭШП раскаленная поверхность расходуемого электрода окисляется над уровнем шлаковой ванны и образующаяся окалина растворяется в шлаковом расплаве. Повышение окислительного потенциала шлаковой ванны в ходе переплава может привести к увеличению содержания кислорода в металлической ванне и, следовательно, загрязненности слитка оксидами, а также нежелательному изменению химического состава стали в части легирующих элементов. Как отмечалось, для предотвращения этих негативных последствий при ЭШП в ряде случаев раскисляют шлаковую вату, например, алюминием.

При ПЭШО в этом нет необходимости, поскольку, во-первых, используется жидкая сталь, а во-вторых, существенный эффект раскисления шлаковой ванны обеспечивается за счет углерода электродов. Поддержание окислительного потенциала шлаковой ванны на весьма низком уровне приводит к тому, что в ходе ПЭШО отмечается даже некоторое уменьшение содержания в шлаке оксидов железа, марганца и кремния. Это благотворно сказывается на снижении содержания в металле кислорода и, следовательно, загрязненности слитка оксидами.

Кроме позитивных имеются и определенные негативные последствия использования графитированных электродов. Так, опасность их обгорания над шлаковой ванной требует создания в кристаллизаторе восстановительной или нейтральной атмосферы. Для этого в конструкции печи ПЭШО предусмотрены водоохлаждаемый свод, который изолирует полость кристаллизатора от цеховой атмосферы, а также наддув в него инертного газа. Однако снижение таким образом окислительного потенциала газовой фазы над шлаковой ванной, как известно, угнетает обессеривающую способность фторидного шлакового расплава. При ПЭШО слитков сравнительно небольшой массы (50—75 т) последствия такого явления не опасны и в слитке содержание серы обычно в 2—4 раза ниже, чем в заливаемых порциях стали. Ho при производстве сверхкрупных слитков ПЭШО нужно учитывать возможность чрезмерного накопления серы в шлаковой ванне. Наиболее эффективным средством обеспечения низкого содержания серы в слитке ПЭШО является, по нашему мнению, эффективная десульфурация стали любым известным способом перед заливкой в кристаллизатор.

Определенная опасность использования графитированных электродов заключается, наконец, в возможном повышении содержания углерода в слитке. Предпосылкой этого нежелательного явления служат продолжительная выдержка порций стали в контакте со шлаковым расплавом, активность углерода в котором весьма высока. Однако, тщательное изучение особенностей поведения углерода в условиях ПЭШО позволило выработать технологические рекомендации, использование которых предотвращает переход углерода в металлическую ванну и, следовательно, изменение марочного состава стали. Эти рекомендации касаются в основном состава применяемого шлака и температурного режима процесса.

Как отмечалось, одной из важных проблем производства крупного кузнечного слитка является снижение содержания в нем водорода до безопасного уровня, гарантирующего отсутствие флокенов в поковке. Поскольку технология ПЭШО основана на использовании электрошлакового процесса, поведение водорода при отливке слитка подчиняется закономерностям, описанным при характеристике соответствующих металлургических особенностей ЭШП. Это означает, что для снижения содержания водорода в металле ПЭШО оказывается необходимым весь комплекс соответствующих мероприятий. Напомним, что наиболее эффективные из них — всемерное снижение степени газонасыщенности исходного металла, содержания водорода в применяемом шлаке и парциального давления водяного пара в газовой фазе над шлаковой ванной.

Надо сказать, что конструктивно-технологические особенности ПЭШО позволяют с наибольшей простотой и эффективностью использовать все перечисленные рекомендации. Благодаря применению нерасходуемых электродов, ПЭШО фактически осуществляется с помощью независимого источника теплоты. Это дает возможность проводить соответствующую обработку расплава шлака для уменьшения содержания в нем водорода до минимума к моменту заливки первой порции стали. Изоляция полости кристаллизатора от цеховой атмосферы и наддув осушенного инертного газа позволяют поддерживать минимальную влажность газовой фазы над расплавом шлака в ходе процесса отливки слитка. Кроме того, установлено, что при осуществлении электрошлакового процесса с помощью графитированных электродов равновесные с газовой фазой концентрации водорода в шлаковом расплаве примерно в 2 раза ниже, чем при использовании любых металлических электродов. При этом значительно возрастает и скорость массообмена водородом между газовой и шлаковой фазами, что способствует ускорению дегазации шлака к началу отливки слитка, а также возможному уменьшению степени газонасыщенности металлической ванны в ходе ПЭШО.

Производственные результаты полностью подтвердили справедливость перечисленных соображений и возможность не только сохранения газонасыщенности стали на исходном уровне, но и эффективного снижения содержания водорода в металлической ванне при выдержке залитых порций (рис. 132). Однако следует отметить, что достигаемый эффект недостаточен, если слиток отливается из стали, полученной в открытом металлургическом агрегате. Для обеспечения требующегося безопасного содержания водорода в слитке ПЭШО необходимо подвергать заливаемую в кристаллизатор порцию стали вакуумной обработке. С этой целью могут быть использованы известные методы дегазации металла либо перед его заливкой в кристаллизатор, либо непосредственно при заливке порции стали. Последнее наиболее желательно, поскольку исключает опасность повторного наводороживания металла при заливке его в кристаллизатор из ковша.

В заключение отметим, что производственный опыт изготовления методом ПЭШО кузнечных слитков различной массы (от 10 до 200 т) и различных марок стали свидетельствует о более высоком их качестве в сравнении с обычными слитками. Благодаря повышению общей чистоты литого металла и уменьшению различных видов его неоднородности улучшаются, естественно, и механические свойства металла поковки, полученной из слитка ПЭШО. Уровень механических свойств деформированного металла ПЭШО обычно значительно превышает требования технических условий (табл. 81).

Очень важно, что для металла ПЭШО характерно сочетание высокой прочности и пластичности, которое является главным требованием, предъявляемым к таким ответственным деталям, как роторы мощных турбин. Одним из основных критериев качества стали при этом служит критическая температура хрупкости, определяемая по доли вязкой составляющей в изломе испытываемых на удар образцов. В сочетании с ударной вязкостью она характеризует способность металла противостоять динамическому нагружению. Результаты испытаний деформированной стали 25ХН2МФА слитка ПЭШО массой 75 т свидетельствуют о высоких служебных свойствах металла (рис. 133). Отметим, что для поковки из аналогичного слитка обычного производства критическая температура хрупкости значительно выше (—25— 30 °С).

Таким образом, производство крупных кузнечных слитков способом ПЭШО гарантирует высокий уровень служебных свойств металла массивных поковок и, следовательно, обеспечивает необходимую надежность и долговечность изделий ответственного назначения.

Анализ состояния производства крупных и сверхкрупных стальных слитков показывает, что повышение надежности и долговечности изделий, изготавливаемых из такого металла, требует решения комплекса проблем. Основные из них заключаются в необходимости снижения всех видов неоднородности литого металла, а для крупных кузнечных слитков — также снижения содержания водорода до безопасного уровня. С этой целью в промышленном масштабе применяются разнообразные методы производства крупных слитков повышенного качества. Одни из них предусматривают только уменьшение общей химической неоднородности слитка, другие способствуют лишь некоторому уменьшению проявления дефектов усадочного и ликвационного происхождения.

Комплексному решению указанных проблем в наибольшей мере отвечают переплавные процессы СЭМ, обеспечивающие наряду с повышением общей чистоты металла высокое качество его кристаллического строения путем направленного формирования слитка в условиях капельного его наплавления. Однако по мере увеличения массы формируемых слитков технико-экономическая эффективность использования этих методов снижается. По достижении определенного для каждого из них предела по массе производимого слитка применение переплавных методов СЭМ оказывается невыгодным из металлургических соображений либо в связи с чрезмерными материальными издержками, в частности, на изготовление расходуемых электродов (заготовок).

Перспективными являются разработка п использование таких методов производства сверхкрупных слитков, которые удачно сочетают применение жидкой стали и направленное формирование слитков при оптимальных контролируемых условиях затвердевания металла. Один из таких методов — порционная электрошлаковая отливка. Опыт производства крупных кузнечных слитков с помощью ПЭШО свидетельствует о значительном улучшении качества изготавливаемых из такого металла изделий ответственного назначения. Дальнейшее совершенствование ПЭШО или подобных ему процессов должно основываться на непременном использовании современных средств и методов достижения наивысшей металлургической чистоты исходной жидкой стали.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: