Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННОГО БИМЕТАЛЛА МЕТОДОМ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ НАПЛАВКИ

Электрошлаковая наплавка, используемая для получения биметаллических листов, обеспечивает наиболее прочное сцепление слоев и высокое качество плакирующего слоя. Способ вертикальной электрошлаковой наплавки позволяет использовать действующие электрошлаковые печи для производства двух и трехслойных заготовок массой 0?—10 т. Методом математического моделирования рассчитаны тепловые потоки при наплавке, электрические режимы и составы флюса, обеспечивающие небольшую, но достаточную для прочного сцепления слоев глубину проплавления основного слоя. Определен сортамент и потребители биметаллического листа толщиной 0J—100 мм и более.

Высокие требования к современному оборудованию, неоднородность внешнего воздействия на отдельные части изделий, а также необходимость экономии дефицитных металлов определяют целесообразность использования биметаллических материалов. Так, широкое применив в различных отраслях машиностроения находят коррозионностойкие плакированные листы, в которых сложнолегированные стали и сплавы используются в качестве относительно тонких плакирующих слоев в сочетании с металлом основного слоя из углеродистой или низколегированной стали.

Основным показателем качества биметаллического соединения является прочность сцепления слоев, характеризуемая сопротивлением срезу. Значения этого параметра зависят прежде всего от технологии получения биметаллической заготовки. Из известных способов получения биметаллов (пакетная прокатка, сварка взрывом, наплавка) методы наплавки гарантированно обеспечивают сопротивление срезу >350 Н/мм2. Это позволяет использовать биметаллические заготовки для получения проката любой толщины— от крупногабаритных листов толщиной >100 мм до холоднокатаных листов и полос толщиной до 0,5 мм и менее без нарушения сплошности соединения слоев даже при высоких степенях холодной деформации. Высокий уровень прочности сцепления слоев позволяет при изготовлении изделий осуществлять любые технологические операции, приемлемые для каждого из слоев, входящих в композицию, — гибку, штамповку и т.д., а также проводить сварку листов без удаления плакирующего слоя (при недостаточной прочности сцепления слоев возникающие при сварке напряжения могут привести к нарушениям сплошности).

В то же время при производстве биметаллов методами наплавки требуется решение ряда проблем, присущих данной технологии. Прежде всего необходимо обеспечить оптимальную и стабильную глубину проплавления основного слоя, которая зависит от расположения расходуемых электродов и режимов наплавки и определяет химический состав плакирующего слоя и его толщину. При большой глубине проплавления происходит сильное разбавление коррозионностойкого слоя, что снижает коррозионную стойкость биметалла. Нестабильность глубины проплавления основного слоя приводит к получению плакирующего слоя неравномерной толщины, что также недопустимо.

Кроме того, необходимы технологические решения, позволяющие избежать образования кристаллизационных трещин и других дефектов в самом плакирующем слое и на его поверхности.

С учетом указанных проблем наиболее перспективным является способ электрошлаковой наплавки с вертикальным расположением заготовки основного слоя.

При вертикальной схеме наплавки один или несколько расходуемых электродов параллельны заготовке основного слоя. Глубина проплавления основного слоя, обеспечивающая сцепление слоев, в этом варианте наплавки равномерна по всей ширине и высоте сляба за исключением небольшого скругления у торцов. Параметры жидкой ванны, качество поверхности наплавленного слоя, как и при электро шлаковом переплаве, определяются составом флюса и электрическим режимом. Это важно, поскольку дает возможность использовать для вертикальной наплавки имеющиеся промышленные печи ЭШП.

Для освоения технологии наплавления спроектирована оснастка к печам ЭШП на слиток массой 0,5 и 2,5 т, позволяющая получать методом вертикальной электрошлаковой наплавки плоские биметаллические заготовки толщиной 180 мм (плакирующий слой до 40 мм) и толщиной 400 мм (плакирующий слой до 70 мм).

Рабочее пространство, в котором происходит наплавление, формируется с трех сторон с помощью водоохлаждаемых панелей. Четвертой стороной, замыкающей рабочее пространство, является широкая сторона заготовки основного слоя, чаще всего литого сляба. Для наплавки может быть также использован стационарный или подвижный кристаллизатор квадратного или прямоугольного сечения, во внутреннее пространство которого вставляется заготовка основного слоя. Проблемой с точки зрения герметизации рабочего пространства является наличие стыка между стенками кристаллизатора и узкими сторонами сляба. Именно здесь, по всей высоте сляба, возможна утечка жидкого шлака. В разработанной конструкции кристаллизатора специально предусмотрен паз для тканевого уплотнения и обеспечивается максимальная интенсивность охлаждения в месте стыка.

Для обеспечения прочного сцепления слоев необходима глубина проплавления основного слоя >35 мм. Максимальная глубина проплавления не должна превышать 10 мм для сохранения свойств . плакирующего слоя, теряемых при значительном разбавлении плакирующего слоя металлом основного слоя. Этими пределами определяются технологические параметры электрошлаковой наплавки. Для нахождения конкретных взаимосвязей параметров наплавки и глубины проплавления основного слоя потребовалось провести моделирование температурных полей при электрошлаковой наплавке. Задача определения изменения нестационарного температурного поля заготовки решена с помощью математической модели электрошлаковой наплавки двухслойной биметаллической заготовки с произвольным сочетанием материалов, образующих отдельные слои. Поскольку указанная модель разработана для расчета температурных полей цилиндрических заготовок, а в рассматриваемом случае осевая симметрия отсутствует, полученные результаты носят оценочный характер. По расчетным данным, плотность теплового потока на поверхности сляба составляет 1200—2400 кВт/м2, а на зеркале металла 1000—2000 кВт/м2. Установлено, что глубина проплавления основного слоя зависит от плотности теплового потока на сляб. Величина теплового потока определяется мощностью, вводимой в шлаковую ванну, и скоростью наплавления плакирующего слоя. При неизменной мощности, вводимой в шлаковую ванну, глубина металлической ванны, а следовательно, и глубина проплавления основного слоя зависит только от скорости наплавления.

Отработку технологии вертикальной электрошлаковой наплавки осуществляли в стационарном кристаллизаторе сечением 180x400 мм. В качестве основного слоя использовали литые слябы толщиной 150 мм из стали СтЮ. Со стороны наплавки поверхность слябов была прострогана на глубину 2—3 мм, никакой другой обработке перед наплавкой она не подвергалась. Кривизна расходуемых электродов не превышала Змм на 1м длины, что значительно стабилизировало процесс наплавки. Для плакирующего слоя использовали коррозионностойкую сталь аустенитного класса.

Плавки проводили на твердом старте. По ходу наплавок измеряли рабочий ток и напряжение на шлаковой ванне, а также скорость перемещения расходуемого электрода.

Результаты первых опытных плавок на флюсе системы CaF2Al203—СаО показали, что для уменьшения глубины проплавления сляба необходимо в первую очередь существенно повысить скорость наплавления и возможно быстрее формировать наплавленный слой, не допуская перегрева сляба. Этого можно добиться либо постепенно повышая мощность, вводимую в шлаковую ванну, либо выдерживая ее постоянной в начале плавки и меняя в середине и конце плавки по заданному режиму. Проверка предложенных режимов наплавки была осуществлена на последующих плавках. Они проведены на флюсе системы CaF2—Al203—MgO. Этот флюс имеет наибольшую температуру плавления, что способствует увеличению скорости наплавки.

На этих плавках достигнута глубина проплавления основного слоя до 10 мм. Удовлетворительное качество поверхности биметаллических заготовок позволило подвергнуть металл горячей деформаций без какойлибо предварительной обработки поверхности. Двухслойные заготовки были прокатаны на листы толщиной 20 мм.

Сопротивление срезу деформированного металла (испытания по ГОСТ 10885) составило 410—480Н/мм2, что существенно превышает прочность сцепления слоев в биметаллах, полученных пакетной прокаткой (250—300 Н/мм2).

Проведенные исследования также показали, что по сравнению с электрошлаковой наплавкой с наклонным или горизонтальным расположением заготовок вертикальная наплавка, во первых, обеспечивает более равномерную толщину плакирующего слоя в заготовках и листах, а вовторых, изза существенного уменьшения контакта жидкой ванны с атмосферой позволяет устранить угар легкоокисляю щихся элементов, например титана, в плакирующем слое экологической точки зрения вертикальная наплавка предпочтительнее других схем электрошлаковой наплавки, а также обычного ЭШП, так как благодаря замыканию плавильной зоны в узкой полости кристаллизатора выделение газов и паров, например фторида кальция, с поверхности шлакового расплава, а также выделение теплоты в окружающее пространство уменьшается в 3—4 раза.

Проведенные исследования позволили успешно провести разработку промышленной технологии вертикальной электрошлаковой наплавки коррозионно и износостойких биметаллических заготовок в применении к крупнотоннажным листовым печам типа ЭШП10 и ЭШП20.

На базе представленного способа получения биметаллической заготовки возможна организация крупномасштабного производства биметаллических листов разного размера. На металлургических предприятиях новая технология дает возможность снизить расходный коэффициент биметаллическая заготрвка — лист до 1,3—1,5. Для химического, нефтехимического, транспортного и других отраслей машиностроения, традиционно использующих коррозионностойкие биметаллические листы, получаемые пакетной прокаткой, переход на новую технологию позволит повысить технологичность листов при изготовлении изделий.

Весьма перспективным направлением использования разработанной технологии является получение трехслойных холоднокатаных листов и лент толщиной 0,5—2,0 мм, плакированных коррозионностойкой сталью. Применение их в промышленном и городском строительстве, автомобилестроении, пищевой промышленности и других отраслях позволяет наряду с экономией нержавеющей стали получить оптимальный комплекс механических и коррозионных свойств, недостижимый при использовании листов из тех сталей, которые входят в композицию биметаллического проката.

Разработана технология производства биметаллов методом вертикальной электрошлаковой наплавки заготовок основного слоя электродами из коррозионностойких или других легированных сталей в действующих электрошлаковых печах. На основе математической модели рассчитаны и опробованы электрические и тепловые параметры процесса наплавки и составы флюсов, обеспечивающие оптимальную глубину проплавления основного слоя, а следовательно, высокую прочность сцепления слоев, стабильный химический состав и равномерную толщину плакирующего слоя.

Комплекс указанных свойств в сочетании с низким расходным коэффициентом на переделе биметаллическая заготовка — лист позволяет получить листы широкого размерного и марочного сортамента с высокими эксплуатационными характеристиками.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 3, Москва 1994

Экспертиза

на главную