Расходуемый электрод для электрошлакового переплава

 

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, а именно к электрошлаковому переплаву сталей и сплавов. Использование изобретения - для изготовления электродов, которые переплавляют в слиток методом ЭШП. Конструкция характеризуется прочным сварным швом между слитком и инвентарной головкой с переменной электропроводностью по сечению от периферийной к центральной части шва. Это повышает выход годного при выпуске металлопродукции электрошлакового исполнения за счет улучшения качества головной части наплавляемого электрошлакового слитка. Сущность изобретения - в наличии сварного шва между слитком и инвентарной головкой с электропроводностью периферийной части на 3-5 порядков меньше электропроводности металла инвентарной головки. Шов представляет собой композиционный слой, периферийная часть которого выполнена из шлакотитановой смеси, полученной из жидкого флюса АНФ-6 с 2-10 мас.% безжелезистого термита, имеет форму кольца с внешним диаметром, равным диаметру головки, высотой и толщиной в пределах 0,02-0,10 диаметра инвентарной головки, приваренной к слитку, а внутренняя часть шва состоит из закристаллизовавшегося металла слитка и инвентарной головки электрода. 2 табл.

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, а именно к электрошлаковому переплаву (ЭШП) сталей и сплавов.

Широкое распространение получил переплав расходуемого составного электрода с приваренной инвентарной головной [1] Использование такого электрода облегчает его захват для транспортировки краном в вертикальном положении и обеспечивает зажим в электрододержателе на печи ЭШП.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции расходуемого электрода является конструкция, состоящая из следующих элементов: инвентарной головки (огарка), приваренной сварным швом к слитку или литой (кованой) заготовке. Такой расходуемый электрод изготавливают при внепечной приварке головке к слитку [2] При внепечной приварке головки под слоем шлака из сварочных флюсов типа АНФ-48; АНФ-6, АНФ-1 и других, после зажигания дуги и наплавления достаточного количества металла головку опускают до упора, ток выключают, соединение разбирают и удаляют остатки шлака с электрода. Сварной шов фактически представляет собой закристаллизовавшуюся смесь металла инвентарной головки и слитка. Во время формирования шва при "вмораживании" инвентарной головки в металлическую ванну на слитке происходит выдавливание жидкого шлака из зоны шва. Жидкий шлак из известных сварочных флюсов в 2,5-3 раза легче металла и практически не смачивает металл. В этом случае сварка может быть выполнена более качественно чем при ручном варианте. Однако, кроме удобства транспортировки и крепежа электрода на печи ЭШП каких-либо других технологических преимуществ в регулировании электрического режима плавки, в особенности, при наплавлении головной части электрошлакового слитка в охлаждаемом кристаллизаторе, известная конструкция составного расходуемого электрода не дает по сравнению с цельнолитым или кованым электродом. Более того, чтобы не допустить оплавления нижней части инвентарной головки, как правило; осуществляют визуальный контроль длины переплавляемого составного электрода; что является неудобным при автоматическом режиме выведения усадочной раковины в головной части получаемого электрошлакового слитка. Это приводит к повышению обрези при переделе металла электрошлакового исполнения в заготовку.

Целью изобретения является обеспечение между слитком и инвентарной головкой прочного сварного шва с переменной электропроводностью по сечению от периферийной к центральной части шва и повышение выхода годного за счет улучшения качества головной части наплавляемого электрошлакового слитка.

Цель достигается тем, что формируемый сварной шов между слитком и инвентарной головкой с электропроводностью периферийной части на 3-5 порядков меньше электропроводности металла инвентарной головки представляет собой композиционный слой, периферийная часть которого выполнена из шлакотитановой смеси, полученной из жидкого флюса АНФ-6 с 2-10 мас. безжелезистого термита; имеет форму кольца с внешним диаметром, равным диаметру головки, высотой и толщиной в пределах 0,02-0,10 диаметра инвентарной головки, приваренной к слитку, а внутренняя часть шва состоит из закристаллизовавшегося металла слитка и инвентарной головки электрода.

Как показала практика, на завершающей стадии формирования усадочной раковины наплавляемого электрошлакового слитка составной расходуемый электрод с инвентарной головкой, приваренной к слитку двухслойным сварным швом, внешняя часть которого представляет собой шлакотитановое кольцо, а внутренняя - закристаллизовавшийся металлический конгломерат, переплавляется не так, как цельнометаллический электрод с приваренной известным способом металлическим сварным швом инвентарной головкой.

При оплавлении сварного шва во время ЭШП из-за более высокого электросопротивления шлакотитанового периферийного слоя, чем у металла сварного шва и инвентарной головки, происходит перераспределение электрической мощности на электроде. Более высокая проводимость внутренней части сварного шва, чем внешней из шлакотитановой смеси является причиной резкого увеличения плотности тока в центральной части сварного шва электрода, что приводит к возникновению дугового разряда между расходуемым электродом и ванной жидкого металла при формировании слитка ЭШП. В результате короткого замыкания электрической цепи происходит автоматическое переключение ступеней напряжения трансформатора с высокой на низкую или отключение печи. Таким образом, усадочная раковина полностью выводится из тела слитка и вместо нее формируется относительно небольшая усадочная лунка. При переделе такого слитка в заготовку значительно уменьшается обрезь головной части и повышается выход годного при производстве металлопродукции электрошлакового исполнения.

Изобретение удовлетворяет требованию существенных отличий, так как ни в одном из аналогов не известна конструкция составного расходуемого электрода с инвентарной головкой, приваренной к переплавляемому слитку композиционным сварным швом, периферийная часть которого представляет собой шлакотитановое кольцо с фиксированным содержанием титана, а внутренняя из эакристаллизовавшегося металла слитка и инвентарной головки, причем размеры сварного шва регламентированы по отношению к диаметру инвентарной головки электрода.

Опытным путем определено оптимальное количество титановой составляющей в шлакотитановом расплаве, при котором получается прочный сварной шов с электропроводностью периферийной шлакометаллической части на 3-5 порядков меньше, чем у внутренней части из металла, закристаллизовавшегося после сварки. По изменению электропроводности и межфазного натяжения шлакотитанового расплава в зависимости от наличия в нем титана судили об оптимальных пределах по содержанию составляющих в кольцевом шлакометаллическом сварном слое. Толщину и высоту этого слоя регулировали изменением и фиксацией положения инвентарной головки при ее "вмораживании" в ванну жидкого металла, наплавленного на торце привариваемого слитка.

Различие электропроводности шлакотитанового слоя от электропроводности металлической части электрода на 3-5 порядков приводит к практически мгновенному перераспределению тока по сечению электрода при оплавлении зоны сварного шва. Это сопровождается коротким замыканием электрической цепи или броском тока, что фиксируется как нарушение режима плавки и является сигналом к последующему отключению печи. Если электропроводность шлакотитанового кольцевого слоя сварного шва выше 5-и порядков чем электропроводность металлической части электрода и приближается к электропроводности металла, то резкого изменения электрического режима плавки не происходит. Шлакотитановый слой, нагреваясь, растворяется в жидкой шлаковой ванне в кристаллизаторе без короткого замыкания при ЭШП электрода.

Низкоэлектропроводный шлак отслаивается от электрода в зоне сварного шва. Поэтому снижение электропроводности шлакотитанового слоя в шве ниже 3-х порядков по сравнению с электропроводностью металла фактически связано с уменьшением титановой составляющей в шлаке, что резко увеличивает величину межфазного поверхностного натяжения свыше 1000 мН/м между жидким шлаком и металлом. Это приводит к отслоению шлака от электрода. Кольцевой шлакотитановый слой в сварном шве с переменной злектропроводностью по сечению получить невозможно.

Содержание титана в шлакотитановом кольцевом слое сварного шва регулируется составом жидкого сварочного шлака путем добавления присадок во флюс АНФ-6 безжелезистого термита. Из этой смеси наводится шлак, под которым производят сварку переплавляемой нижней части электрода с инвентарной головкой. Безжелезистый термит содержит двуокись титана и алюминиевый порошок, соотношение которых 1:1. Если содержание термита в смеси с флюсом АНФ-6 меньше 2 мас. то шлакотитановую композицию получить невозможно из-за отсутствия условий восстановления двуокиси титана алюминием в жидком шлаке. Алюминий окисляется при разведении жидкого сварочного шлака. Таким образом, вместо шлакотитановой смеси образуется шлак системы CaF₂ Al₂O₃ TiO₂ без металлической титановой составляющей. Этот шлак не приваривается к электроду и отслаивается от сварного шва.

При содержании безжелезистого термита свыше 10 мас. в смеси с флюсом АНФ-6 практически опасно разводить сварочный шлак из-за сильного экзотермического эффекта, сопровождающегося выбросом жидкого шлака. Бурное протекание реакции разведения сварочного шлака из флюса с избытком термита не позволяет получать в зоне сварного шва шлакотитановый слой в форме кольца. К тому же, электропроводность такой шлакотитановой композиции приближается к электропроводности металлических частей электрода. Это не отражается на изменении электрического режима при оплавлении зоны сварного шва при последующем злектрошлаковом переплаве заявляемого электрода в слиток. Таким образом, избыток титана в шлакотитановом композиционном слое не позволяет фиксировать оплавление инвентарной головки электрода по изменению силы тока при ЭШП электрода.

Экспериментальные данные по электропроводности, поверхностному и межфазному натяжению шлакотитановых смесей, полученных из флюса АНФ-6 с добавками безжелезистого термита в заявляемых и выходящих за заявляемые пределы, представлены в табл. 1. Электропроводность определена в графитовой ячейке с кольцевым электродом, поверхностное натяжение методом лежащей капли на керамической подложке в инертной атмосфере, а величину межфазного поверхностного натяжения рассчитывали по экспериментальным и известным данным о поверхностном натяжении сталей и шлаков.

Электропроводность и поверхностное натяжение определены при 1600^oC.

Электропроводность стали находится на уровне 10⁵Ом^-1·см^-1.

Размеры кольцевого шлакотитанового слоя сварного шва соизмеримы с глубиной проникновения тока на поверхности переплавляемого электрода. При электрошлаковой сварке составных частей расходуемого электрода после разведения шлаковой и металлической ванны нижняя часть инвентарной головки приобретает закругленную форму. Оплавившуюся часть головки погружают в ванну жидкого металла на определенную глубину, оставляя зазор между металлической ванной и основанием оплавленной части инвентарной головки. Этот зазор соизмерим с глубиной проникновения тока, рассчитанной по общеизвестным формулам. Высота зазора не превышает 20 мм для тока промышленной частоты и фиксируется положением инвентарной головки при сварке ее со слитком. После отключения тока в зазоре образуется шлакотитановая корка, которая прочно сцеплена с кристаллизующимся металлом сварного шва.

Изобретение иллюстрируется примерами, указывающими на оптимальность заявляемых параметров составного расходуемого электрода для ЭШП.

Изготовление заявляемого электрода производили на установке, состоящей из сварочной камеры с медным водоохлаждаемым кристаллизатором и уплотнениями, направляющих стоек, предназначенных для перемещения каретки держателя инвентарной головки, тележки с направляющими для подачи и крепления нижней части составного электрода, центровочных зажимов и механизма подачи головки с шагом 0,5 мм в вертикальном направлении, электрооборудования, контрольно-измерительных приборов и вентиляции, что в комплексе обеспечивает стабильную и безопасную работу при сварке составных частей электрода. Расходуемый электрод изготавливали из стали 20Х13.

Закрепленную на подвижной каретке инвентарную головку диаметром 190 мм в неподвижном кристаллизаторе под слоем жидкого шлака приваривали к литому слитку, верхняя часть которого диаметром 190 мм жестко закреплена уплотнениями в нижней части кристаллизатора. Сварочный шлак разводили из шлакообразующей смеси с 6 мас. безжелезистого термита. Таким образом, расход флюса АНФ-6 составил 2820 г, а расход термита 180 г соответственно. Это гарантировало при электрошлаковой сварке получение шлакотитановой смеси с электропроводностью в твердом состоянии на уровне средней величины заявляемых пределов порядка 10²Ом^-1·см^-1(см. табл.1).

После проверки соосности инвентарной головки со слитком при их контакте засыпали в кристаллизатор 3 кг шлакообразующей смеси из флюса и термита и производили включение установки на режим сварки. Разведение сварочного шлака происходило при токе 3 кА и напряжении холостого хода трансформатора 54,9 В. Далее инвентарную головку поднимали на высоту 5-15 мм и в течение 2-3 мин наводили в кристаллизаторе ванну из жидкого металла за счет оплавления торца инвентарной головки. Окончание процесса разведения ванны фиксировали по стабилизации электрического режима сварки. После этого инвентарную головку, нижняя часть которой в результате оплавления приобретала закругленную форму, погружали в шлакометаллическую ванну на строго фиксированную глубину. Эту глубину контролировали с точностью шага подачи каретки в вертикальном направлении, т.е. 0,5 мм, что отмечалось по положению указателя на держателе инвентарной головки. Таким образом, оплавившуюся нижнюю часть инвентарной головки "вмораживали" в жидкую металлическую ванну на различную глубину, а из застывающего сварного шлака получали на периферийной части сварного шва шлакотитановое кольцо различной высоты и толщины. Размеры шлакотитанового кольца измеряли на темплетах, вырезанных из зоны сварного шва. Далее проводили сравнение технологических показателей последующего электрошлакового переплава изготовленных сварных электродов заявляемой конструкции с показателями ЭШП электрода прототипа, у которого цельнометаллический сварной шов без шлакотитанового кольца.

Электрошлаковый переплав всех электродов производили с твердым стартом по одинаковой технологии на промышленной однофазной печи ЭШП в кристаллизатор диаметром 250 мм. В качестве рабочего флюса использовали флюс АНФ-6. Электрические параметры переплава стали 20Х13 следующие: рабочее напряжение 43-49 В, ток 3-9 кА. При выведении усадочной раковины силу тока снижали до 4 кА в течение 20 мин. Особенностью ЭШП расходуемых электродов заявляемой конструкции явилось автоматическое переключение электрического режима плавки с рабочего на выведение усадки, в то время как при ЭШП электрода-прототипа указанные операции по выведению усадки выполняли в ручном режиме.

В случаях нарушения соотношений геометрических размеров шлакотитанового кольцевого слоя и металлической части сварного шва электрод или растрескивался по шву при переплаве, или переплавлялся как цельнометаллический электрод-прототип с присущими ему недостатками. Избыток шлакотитанового слоя в сварном шве приводил к отрыву нижней части электрода от инвентарной головки, что являлось причиной аварийной остановки печи. В случае отсутствия шлакотитанового периферийного кольца на сварном шве возникала опасность переплава инвентарной головки и изменения химсостава головной части наплавляемого в кристаллизаторе слитка. Такой электрод переплавляли в ручном режиме выведения усадочной раковины, что негативно отражалось на структуре головной части электрошлакового слитка и вело к повышенной головной обрези при переделе слитка в сортовую заготовку. В табл.2 представлены сводные данные о параметрах и конфигурации композиционного сварного и металлического шва расходуемых электродов, а также выходу годного при производстве из электродов металлопродукции электрошлакового исполнения.

Предлагаемая конструкция расходуемого электрода проста в изготовлении и значительно упрощает процесс ЭШП электрода в слиток на стадии выведения усадки. Производство металлопродукции электрошлакового исполнения из указанного электрода позволяет не только четко переплавлять нижнюю часть электрода до зоны сварного шва в автоматическом режиме и тем самым стабилизировать вес наплавляемого в кристаллизаторе слитка от плавки к плавке, но и повысить выход годного за счет сокращения недоплавов в сварочной зоне электрода с инвентарной головкой. Получение плотной и компактной головной части слитка ЭШП увеличивает выход годного при переделе злектрошлакового слитка в сортовую заготовку. В среднем, выход годного может быть повышен на 2-5 абс. по сравнению с переделом металла из расходуемого электрода известной конструкции (см. табл.2). Ожидаемая экономия от внедрения предлагаемого изобретения в условиях А/О "Электросталь" при производстве электрошлаковой продукции из стали 20Х13 составит: Э 0,05·(6256000-1750000) 130600 94700 руб/т, где 0,05 увеличение выхода годного металла; 6256000, 1750000 цена 1 т годного металла и отходов, руб.

130600 условно постоянные расходы на изготовление сварного шва, руб./т. Цены приведены на второй квартал 1995 г.

Формула изобретения

Расходуемый электрод для электрошлакового переплава, состоящий из слитка и приваренной к нему инвентарной головки, отличающийся тем, что сварной шов между слитком и инвентарной головкой представляет собой композиционный слой, периферийная часть которого выполнена из шлакотитановой смеси, полученной из жидкого флюса АНФ-6 с 2 10 мас. безжелезистого термита, с электропроводностью на 3 5 порядков меньше электропроводности металла инвентарной головки, имеет форму кольца с внешним диаметром, равным диаметру инвентарной головки, высотой и толщиной в пределах 0,02 0,10 ее диаметра, а внутренняя часть сварного шва состоит из закристаллизовавшегося металла слитка и инвентарной головки.

РИСУНКИ

Рисунок 1