ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПЕРЕПЛАВ КРУПНЫХ СЛИТКОВ
В течение последних лет специалисты России и Германии разработали и исследовали основные положения технологии электронно-лучевого переплава (ЭЛП) стали в слитки высокого качества массой до 30 т для ответственных изделий энергетического и тяжелого машиностроения. По сравнению с другими способами непрерывного наплавления электрошлаковым и вакуумным дуговым переплавом (ЭШП и ВДП) процесс ЭЛП имеет ряд преимуществ при изготовлении крупных слитков.1. Возможность в широких пределах регулировать распределение мощности позволяет активно влиять на геометрические параметры жидкометаллической ванны и управлять проц ессами затвердевания.
2. Отсутствие прямой связи между мощностью при плавлении и скоростью переплава позволяет в широких пределах регулировать этот параметр и подавлять развитие шнуров внецентренной ликвац ии.
3. Использование небольших по весу исходных заготовок дает возможность изготавливать их с помощью современных высокопроизводительных процессов, а также получать в кристаллизаторе одного диаметра слитки различной массы, что важно при индивидуальном производстве.
Исследование особенностей технологии ЭЛП слитков и изделий типа дисков роторов паровых турбин, обечайки корпуса реактора, валков холодного проката показало значительное улучшение свойств литого и деформированного металла ЭЛП по сравнению со свойствами металла обычной выплавки. Так, например, при исследовании структуры слитков ЭЛП и свойств литого металла отмечено высокое качество слитков, отличающихся хорошей плотностью, равномерностью химического состава и однородностью строения; установлено снижение содержания азота и кислорода на 40-60%, оксидных неметаллических включений в два раза, концентрации цветных металлов (меди, свинца, олова) в 3—5 раз; при исследовании дисков паровых турбин диаметром 1200 мм установлено повышение пластических свойств металла ЭЛП по сравнению с металлом обычной выплавки и сохранение этих преимуществ при высоком уровне прочности, превышающем на 25—30% прочность обычного металла, уменьшение в 1,5—2 раза чувствительности металла ЭЛП к хрупкому разрушению; при эксплуатационных испытаниях валков из стали ЭЛП установлено, что их стойкость при твердости 100 в 1,4 раза выше стойкости обычных валков с твердостью 90; износостойкость валков ЭЛП выше в 2,3 раза.
Известно, что при ЭШП и ВДП используют заготовки (электроды), кратные массе получаемого слитка. При выплавке крупных слитков возникают серьезные трудности при изготовлении заготовок и ухудшаются технологические параметры и возможности этих процессов. При ЭЛП можно использовать небольшие по массе заготовки, последовательно сплавляемые в кристаллизатор до получения слитк& необходимой массы. Использование малых по массе заготовок, полученных высокопроизводительными методами на установках непрерывной и полунепрерывной разливки, а также сифонной заливки набора кокилей, позволит получить явные экономические выгоды по сравнению с ЭШП и ВДП. Предусмотрена также возможность переплава отработанных валков холодной прокатки, валов и других изделий.
В переплавных процессах скорость наплавления является важнейшим технологическим параметром, влияющим на форму и глубину ванны жидкого металла и соответственно на качество слитка. Некоторые экспериментальные результаты приведены в таблице.
Оптимальная скорость наплавления зависит от диаметра слитка и марки стали. Обобщив опыт получения и исследования качества слитков ЭЛП диаметром до 1000 мм, массой до 18 т и слитков ВДП и ЭШП соответственно массой до 40 и 60 т диаметром до 1700 мм различных марок стали, можно экстраполировать результаты по скоростям наплавления при увеличении диаметра слитка до 2000мм. По опытным данным и на основании расчетов по математической модели на ЭВМ значения скорости наплавления выбраны в интервале 0,5—3,0 т/ч. Это позволяет реализовать основное преимущество процесса ЭЛП— возмож-ность наплавления слитка с пониженной ско-ростью, что способствует улучшению его структуры, снижает вероятность образования дефектов, связанных с внецентренной ликвацией, и обеспечивает более глубокое рафинК^ рование жидкого металла. Минимальная выбранная величина скорости направления в 1,5— 2 раза меньше рабочих скоростей переплава при получении слитков ЭГП и ВДП такого же диаметра.
Важным моментом технологии получения крупного слитка ЭЛП является использование в схеме печи промежуточной емкости. Наличие промежуточной емкости позволит разделить весь технологический цикл получения слитка на три части: 1) расплавление заготовок над промежуточной емкостью, 2) проведение рафи-нирования жидкого металла в ней и 3) слив металла через сливной носок в кристаллизатор, в котором формируется слиток. Введение промежуточной емкости позволит избежать падения в кристаллизатор кусков нерасплавив- шейся заготовки и попадания шлака при условии установки в промежуточной емкости шлакового барьера. Кроме того, наличие промежуточной емкости позволит проводить необходимые операции по рафинированию, делегированию и модифицированию металла.
Глубина разрежения в рабочем пространстве печи будет составлять не более (1340—134) • 10“4 Па. При таком разрежении даже в случае пиковых газовыделений из переплавляемого металла следует ожидать стабильной работы электронно-лучевых пушек, оборудованных независимой системой откачки. С точки зрения полноты дегазации при выбранных скоростях наплавления разрежение в процессе плавки порядка (13400—1340) • 10“4 Па является вполне достаточным и обеспечивает, как показали результаты предварительных исследований качества слитков ЭЛП массой до 18 т, снижение содержания кислорода, азота и водорода на 40—80%.
Для защиты ванны жидкого металла в крис-таллизаторе от попадания туда конденсата, осаждающегося на стенках плавильной камеры, и для удобства чистки плавильной камеры печь снабжена сборником конденсата, который выгружается после проведения плавки. Для ведения процесса во всех технологических зонах с учетом запаса на случай аварии признано необходимым установить несколько электронно-лучевых пушек. Непрерывность процесса наплавления слитка обеспечивается попеременной подачей заготовки под луч с разных сторон через два вакуумных шлюза.
Технологический процесс плавки предполагает подачу переплавляемого металла в виде исходных заготовок с противоположных сторон в плавильную камеру. Заготовки попеременно расплавляют над промежуточной емкостью, из которой по наклонному сливному носку, обогреваемому электронной пушкой, металл стекает в расположенный ниже кристаллизатор. В кристаллизаторе металл затвердевает, и слиток вытягивают с помощью механизма вытяжки по специальному режиму, обеспечивающему получение хорошей поверхности слитка. После того как наплавлена требуемая длина слитка, процесс расплавления заготовки и подачу металла в кристаллизатор прекращают и выводят усадочную раковину. Выгрузка слитка из печи производится после разгерметизации плавильной камеры.
В настоящее время печь ЭЛП описанной конструкции установлена в Орске на Южурал- машзаводе. Она оборудована пятью электронными пушками мощностью 2500 кВт каждая и набором круглых и прямоугольных кристаллизаторов. Возможная масса выплавляемых слитков 2—30 т. Печь успешно работает.
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 3, Москва 1994
