ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПЛАКИРОВАННОЙ ЛИСТОВОЙ СТАЛИ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ НАПЛАВКИ (ЭШН)

Борьба с коррозией металлов— одна из важнейших технических проблем промышленности. Одной из главных причин, сдерживающих наращивание производства коррозионностойкого проката, являются дефицит и высокая стоимость никеля и других легирующих элементов, поэтому высокую эффективность имеет производство биметаллических листов, имеющих основу из дешевых углеродистых сталей, а наружные слои— из коррозионностойких сталей.

Традиционными способами производства биметалла являются пакетная прокатка, сварка взрывом, ленточная наплавка, литейный способ, которые имеют существенные недостатки: низкую прочность сцепления слоев; наличие зон несплошности; высокую себестоимость и низкую производительность.

Акционерным обществом "Северсталь" (до 27.09.93 г. — Череповецкий металлургический комбинат) в 19861987 гг. впервые разработана технология, спроектировано и изготовлено оборудование для производства биметаллических листов широкого сортамента по размерам и маркам сталей. Новый способ основан на методе ЭШН плакирующего слоя из любой марки стали на непрерывнолитые и прокатанные слябы, на слитки обычной разливки или слитки электрошлакового переплава.

Внедренная технология лишена недостатков других способов и превосходит их по главному показателю качества биметалла — прочности сцепления слоев, так как обеспечивает ее на уровне 400 МПа и более. Производительность процесса 1 т наплавляемого металла в час.

Разработка промышленной технологии получения биметаллических листов включала

4 этапа: разработку принципиальных техни ческих решений, проектирование и изготовление оборудования для электрошлаковой наплавки; разработку и исследование технологии наплавки; разработку оптимальной конструкции электродов для установок ЭШН; разработку технологии прокатки биметаллических листов.

Технология позволяет освоить производство любых видов биметалла различных сочетаний плакирующего и основного слоя по желанию заказчика. При возрастании потребности в биметалле АО "Северсталь" может увеличить его выпуск в 2—5 раз путем строительства новых установок ЭШН.

Принцип действия установки ЭШН заключался в следующем. Наплавку плакирующего слоя осуществляли путем расплавления электродов заданного химического состава за счет тепла, выделяемого при прохождении тока 7— 20 кА через жидкий шлак на основе фторида кальция. Плакирующий слой необходимой толщины формировался медным водоохлаждаемщм кристаллизатором, относительно которого двигались с заданной скоростью сляб и плавящиеся электроды.

Наиболее сложной доилась проблема удержания жидкой шлаковой и металлической ванны в процессе наплавки. Это было связано с высокой температурой шлака (~ 2000 °С), значительными деформациями сляба и кристаллизатора и появлением вследствие этого недопустимых зазоров, Через которые происходила утечка шлака. Для устранения утечек шлака усовершенствовали конструкцию кристаллизатора и тележки перемещения сляба, внедрили специальный режим охлаждения наплавляемого слоя, позволивший более чем в два раза уменьшить тепловую деформацию сляба.

Стабильный режим ЭШН был возможен только в том случае, когда объем расплавляемого металла электродов равен закристаллизовавшемуся объему металла плакирующего сдоя. При нарушении равенства происходила либо утечка жидкого металла изпод кристаллизатора, либо "закозление" металла на его передней стенке. На соотношение объемов металла влияли сила тока, скорость электродов и сляба, глубина шлаковой ванны, ее электросопротивление, толщина гарнисажа и другие. В связи с этим для слежения за процессом наплавки и поддержания уровня металлической ванны в определенном положении разработали и используют специальный датчик уровня.

С целью установления оптимальных параметров ЭШН наплавку слябов проводили при переменных параметрах по току, напряжению и скорости. На основе исследования макро и микроструктуры биметаллических заготовок, степени перемешивания в зоне соединения металлов установили наиболее оптимальные параметры процесса ЭШН. Качество наплавленных заготовок и готовых ‘листов зависело от состава и свойств используемого флюса. Для обеспечения минимального содержания неметаллических включений и качественной поверхности наплавленного слоя флюс имел определенную основность, температуру кристаллизации, электросопротивление и пластичность в твердом состоянии.

Макроструктура наплавленного слоя характеризовалась радиальноосевым направлением роста кристаллов, осевая плоскость параллельна поверхности наплавляемого слоя и формировалась в результате стыковки кристаллов, растущих от основного слоя и от водоохлаждаемого кристаллизатора. Осевая зона протяженностью ~ 1 мм находилась на расстоянии 7—16 мм от поверхности плакирующего слоя.

При ЭШН слябов поверхность жидкой шлаковой ванны имела прямоугольную форму, в которой расходуемые электроды расположены в одну линию по ширине наплавляемой поверхности. Экспериментально установили, что при ЭШН слябов шириной 12001600 мм достаточно #меть три электрода, соединенных по трехфазной схеме. При этом обеспечивается стабильный процесс наплавки и наименьшая вероятность появления дефектов. Плавление электродов характеризуется неравномерным переносом тепла каплями металла, что приводит к неравномерной глубине проплавления по ширине сляба. В результате исследования причин, изменяющих характер плавления, разработаны и внедрены электроды с переменной площадью, что позволило получить более равномерное проплавление по ширине сляба.

Неблагоприятное воздействие на процесс ЭШН оказывала деформация электродов, которая появлялась через 5—7 минут и достигала максимального значения 30 мм через 1520 минут после начала ЭШН. Максимальной деформации был подвержен центральный электрод. Установили, что причиной деформации электродов являлась неравномерность протекания тока по ширине электродов и как следствие этого неравномерный разогрев электродов (до 160 °С). Предложили новую технологию сборки электродов, заключающуюся в том, что отдельные штанги не свариваются друг с другом по всей длине. Это позволило им свободно удлиняться при нагреве и не подвергать электроды поперечному изгибу. Для обеспечения жесткости электрода и с целью избежания вибрации от воздействия магнитных полей разработаны скобы, привариваемые определенным способом к электродам.

При разработке технологии производства биметаллических коррозионностойких листов на НШПС2000 решили следующие задачи: разработали оптимальный размер и форму исходных заготовок, режимы их нагрева и обжатия; разработали температурный режим прокатки и смотки полос для получения заданных прочностных и пластических свойств трехслойной стали; исследовали причины возникновения поверхностных дефектов и разработали меры по их устранению.

Характерной особенностью пластической деформации трехслойных заготовок с основным слоем из малоуглеродистой Ст 10 и плакирующих слоев из нержавеющей стали 08Х18Н10 является неравномерность пластической деформации основного и плакирующих слоев. Вследствие разницы в механических свойствах и различия в уширении слоев на готовой трехслойной полосе образуется по кромкам зона шириной до 67 мм с отсутствием плакировки (покрытия), которую необходимо обрезать. Разработали новую форму поперечного сечения сляба основного слоя, которая позволила уменьшить величину этой зоны в два раза.

Структуру и механические свойства трехслойных коррозионностойких листов определяли температурным режимом горячей прокатки и смотки полос в рулоны. Оптимальные значения температуры конца прокатки составляли 910—959 °С, смотки 600—640 °С, скорость охлаждения полосы перед смоткой ^ 10 °С/с.

Для изыскания способов повышения качества поверхности готовых биметаллических листов исследовали влияние различных факторов на пластичность стали. Установили, что лучшая пластичность и минимальное количество дефектов наблюдали при определенном соотношении содержания химических элементов (хрома, никеля и марганца) в плакирующем слое.

По мере освоения технологии производства биметалла методом ЭШН акционерным обществом "Северсталь" внедрили комплекс технологических и конструкторских разработок, позволивших стабильно получать биметалл высокого качества различного назначения: тонкий горячекатаный трехслойный лист 08Х18Н9 + сталь 10 + 08Х18Н9 толщиной 2,5 мм для сельскохозяйственного машиностроения; толстолистовой двухслойный прокат сталь 10 + 08Х18Н9 толщиной 4—6 мм для металлоконструкций пищевой промышленности; толстые крупногабаритные двухслойные листы 12ХР2МД + 08Х19Н10Г2Б толщиной 30—40 мм для ледового пояса морских судов, нефтяных платформ; толстые двухслойные листы 12ХМ + 08Х19Н10Г2Б толщиной 30 мм и более для нефтехимического оборудования; толстые двухслойные листы 09Г2С + 08Х19Н10Г2Б толщиной 8— 12 мм для производства цистерн под агрессивные жидкости; рулонная трехслойная сталь 08Х18Н9 + сталь 10 + 08Х18Н9 толщиной 2,5— 8 мм для сварных труб; тонколистовая холоднокатаная трехслойная сталь 08Х18Н9 + 08Ю + 08Х18Н9 толщиной 0,8—1,8 мм для автомобилестроения и производства бытовой техники; тонколистовая горячекатаная двухслойная Ст 10 + ШХ15 сечением 2,2x36 мм, в частности для изготовления ножей обработки кожи.

Изготовители готовой продукции из биметалла, полученного по новой технологии, дали высокую оценку его качества, что позволяет рекомендовать биметалл АО "Северсталь" и для других потребителей.

В результате комплексных теоретических, экспериментальных исследований и конструк торскотехнологических разработок создали новый промышленный процесс получения биметаллических листов на основе метода элект рошлаковой наплавки. Разработали и изготовили промышленные установки ЭШН, определили оптимальные параметры процесса ЭШН, обеспечивающие высокое качество готовых листов. Провели исследование влияния состава и свойств шлака на качество наплавленного слоя, определили оптимальный состав шлака и режимы наплавки. Разработали конфигурацию электродов из крупного проката и технологическую схему их сборки. Разработали новую технологию горячей прокатки, включающую выбор размеров и формы слябов, температурноскоростных и деформационных режимов.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 5, Москва 1994