Электрошлаковые печи

Патон Б.Е., Медовар Б.И.

Наукова думка, 1976 г.

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ЭШП

Наиболее широкое практическое применение из всех рассмотренных процессов спецэлектрометаллургии ввиду экономичности и высокой эффективности получил способ ЭШП. Сущность его состоит в следующем (рис. 2). Расходуемый электрод, изготовленный из металла обычного производства и подключенный к источнику тока, своим торцом погружен в слой расплавленного электропроводного    рафинирующего    шлака.

Электрический ток проходит от электрода в шлак. Под действием тепловой энергии, выделяющейся в жидком шлаке при прохождении через него электрического тока, электрод плавится. Капли жидкого электродного металла опускаются на дно шлаковой ванны и образуют металлическую ванну, которая, последовательно затвердевая снизу в водоохлаждаемом металлическом кристаллизаторе, образует слиток. По мере оплавления расходуемый электрод подается в шлаковую ванну, непрерывно восполняя объем кристаллизующейся металлической ванны.

Существенными преимуществами этого способа является простота его осуществления, а также то, что процесс ведется на переменном токе. При этом в качестве источника питания печей ЭШП применяются несложные в изготовлении печные трансформаторы.

Роль рафинирующей среды при ЭШП играет шлаковая ванна. Эффективная обработка переплавляемого металла протекает на всех стадиях контакта металла с высокоактивным шлаком — в пленке металла на оплавляющемся конце расходуемого электрода, при прохождении капель электродного металла через шлаковую ванну и на границе раздела шлаковой и металлической ванн.

Варьируя состав применяемого шлака, можно осуществлять избирательное рафинирование переплавляемого металла от тех или иных примесей, что является весьма важным преимуществом ЭШП перед другими переплавными процессами.

Шлаковая ванна играет также роль своего рода тепловой надставки, способствуя образованию плотной направленной структуры получаемого слитка, свободного от усадочной раковины. Достижению этого эффекта способствует и наличие на боковой поверхности электрошлакового слитка тонкой шлаковой корочки, которая уменьшает отвод тепла в радиальном направлении. Кроме того, шлаковая корочка способствует получению слитка с такой чистой поверхностью, которая не достижима для других процессов переплава.

Меняя сечение расходуемого электрода, состав (физические характеристики) применяемого шлака и его количество, а также электрические параметры процесса, при ЭШП удается в довольно широких пределах регулировать скорость плавки. Иными словами, ЭШП является достаточно гибким процессом.

Одним из весьма существенных преимуществ ЭШП является возможность получения слитков разнообразного сечения (круглого, квадратного, прямоугольного, с большим соотношением длин широкой и узкой сторон). Методом ЭШП можно получать отливки самой различной формы (полые заготовки, заготовки прокатных валков, сосудов высокого давления, крупной запорной арматуры высокого давления, заготовки ₍ коленвалов и шатунов судовых двигателей и некоторых других изделий). "Разработка способа ЭШП, в основе которого лежит сварочный электрошлаковый процесс, началась в пятидесятые годы. [Как известно,    крупнейшим достижением сварочной техники явилось использование в качестве источника нагрева ванны расплавленного шлака. Способ сварки, основанный на выделении тепла при прохождении электрического тока через расплавленный шлак, был разработан в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР и получил название электрошлаковой сварки (ЭШС) [1].

Схема ЭШС приведена   на рис. 3. В своего рода колодце, ЭШС, образованном свариваемыми кромками и формирующими водоохлаждаемыми устройствами, находится шлаковая ванна, в которую подается расходуемый электрод. Под действием тепла, выделяемого электрическим током в шлаковой ванне, электрод и свариваемые кромки изделия расплавляются. Капли электродного и основного металла, проходя через шлак, образуют металлическую ванну, которая, затвердевая, дает шов, надежно соединяющий кромки изделия.

Исследования сварных соединений показали, что металл электрошлакового шва не только не уступает металлу шва, сваренного дуговым способом под флюсом , но по ряду показателей превосходит его. Это объясняется значительно более высокими значениями времени взаимодействия и удельной поверхности контакта металла сварочной ванны со шлаком при   ЭШС   и   возможностью использования    высокоактивных флюсов.

Возможность эффективного рафинирования металла с помощью шлаков соответствующего состава и последовательная кристаллизация металла при осевом, направленном снизу вверх росте кристаллов, обеспечивающем плотность его макро- и микроструктуры, является причиной того, что металл электрошлакового шва по таким признакам качества, как механические свойства, загрязненность неметаллическими включениями, газонасыщенность и другим, превосходит основной металл и металл электрода. Это обстоятельство позволило выдвинуть идею об использовании сварочного электрошлакового процесса в металлургическом производстве для улучшения качества металла.

В зависимости от сечения формирующего слиток пространства, т. е. в зависимости от формы кристаллизатора, можно получить слиток круглого, квадратного, прямоугольного или иного сечения. Слиток может быть получен либо путем заполнения   неподвижного относительно слитка кристаллизатора, высота которого соответствует высоте получаемого слитка, либо путем перемещения слитка относительно кристаллизатора.