Способ получения многослойных слитков методом электрошлакового переплава
Владельцы патента RU 2761192:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)» ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)» (RU)
Изобретение относится к металлургии, в частности к получению многослойных слитков методом электрошлакового переплава. Изготавливают электрод путем разливки жидкого металла в изложницу с установленными в ней по высоте, соосно, в несколько рядов, двух типов пористыми цилиндрическими оболочками, каждая из которых имеет внутренний диаметр, равный диаметру расплавляемого электрода, и внешний диаметр, равный внутреннему диаметру изложницы. Первый тип оболочек сформирован из рабочего флюса, а второй тип дополнительно снабжен легирующими добавками, количество рядов пористых оболочек обоих типов равно между собой, оболочки установлены последовательно с чередованием друг за другом. Охлажденный электрод включает последовательно чередующиеся по высоте ряды из легированного и нелегированного металла. Изобретение позволяет получать многослойный слиток с выраженными легированными слоями, обладающий небольшой протяженностью переходной зоны между формируемыми слоями без поверхностных дефектов. 3 ил., 1 пр.
Изобретение относится к металлургии, в частности, к получению многослойных слитков методом электрошлакового переплава. Способ включает в себя введение упрочняющих или легирующих частиц во время протекания процесса электрошлакового переплава.
Известен способ получения многослойных слитков электрошлаковым переплавом, при котором ввод легирующих элементов осуществляют в плавильное пространство во время отключения тока через периоды времени [Чуманов В.И., Рощин В.Е., Чуманов И.В., Кадочников Ю.Г. С22В 9/18 Патент РФ RU 2163269 С1, опубл. 20.02.2001].
Недостатком данного способа является то, что в момент отключения питания и подачи легирующих элементов происходит изменение тепловой работы печи, в связи с чем появляется такой поверхностный дефект, как гофр. Данный деффект негативно сказывается на качестве всей поверхности получаемой заготовки. Снижение качества поверхности получаемой заготовки приводит к увеличению механической обработки полученной заготовки и снижению выхода годного материала, что влечет за собой повышение себестоимости и увеличение трудоемкости процесса получения детали из полученной заготовки.
Известен способ легирования заготовки при помощи плавящегося электрода с покрытием в процессе электрошлакового переплава [Чуманов В.И., Чуманов И.В., Матвеева М.А. Сергеев Д.В. С22В 9/18 С22В 9/187 Патент RU 2701698 С1, опубл. 30.09.19].
Сущность указанного способа заключается в том, что до начала переплава осуществляют нанесение на переплавляемый электрод методом окраски легирующих материалов в виде жидкого состава, состоящего из карбида титана и антипригарной краски на водяной основе.
Недостатком данного способа является отсутствие равномерности нанесения покрытия вследствие его жидкотекучести, что, в свою очередь, не позволяет в полной мере контролировать процесс легирования жидкого электродного металла, а также влечет за собой невозможность получения многослойных слитков. Многослойный слиток - это слиток, в котором чередуются слои, отличающиеся химическим составом, наличием легирующей фазы или ее отсутствием. Высота слоев обуславливается необходимыми эксплуатационными свойствами в готовом изделии.
В качестве прототипа принят патент РФ 2328538, C1, С22В 9/18, опубл. 10.07.2008. Изобретение относится к электрошлаковому переплаву составленного по высоте по крайней мере из трех разнородных частей расходуемого электрода, предусматривающему его вращение вокруг своей оси с линейной скоростью, обеспечивающей максимальную производительность процесса. Изобретение позволяет получать трехслойные слитки с минимальной протяженностью переходной зоны между слоями.
Недостатком данного способа является невозможность получения легированных слоев.
Технической задачей изобретения является получение многослойного слитка методом электрошлакового переплава, обладающего минимальной протяженностью переходной зоны между формируемыми слоями без поверхностных дефектов.
Техническая задача решается за счет того, что способ изготовления многослойного слитка методом электрошлакового переплава, включает изготовление переплавляемого электрода, расплавление электрода на электрошлаковой печи при одновременном его вращении со скоростью, определяемой из выражения 
где g - ускорение силы тяжести, м/с2; σме-ш - межфазное натяжение на границе раздела металл-шлак, Дж/м2; Δр - разность плотностей металла и шлака, кг/м3; r - радиус электрода, м; процесс ведут при силе тока 1,5 кА, согласно изобретения, электрод изготавливают при помощи разливки жидкого металла в изложницу с установленными в ней по высоте, соосно, в несколько рядов двух типов пористыми цилиндрическими оболочками, каждая из которых имеет внутренний диаметр, равный диаметру расплавляемого электрода, а внешний диаметр, равный внутреннему диаметру изложницы, высоту 100 мм, толщину - 20 мм, причем первый тип оболочек сформирован из рабочего флюса, а второй тип дополнительно снабжен легирующими добавками, количество рядов пористых оболочек обоих типов равно между собой, оболочки установлены последовательно с чередованием друг за другом; после затвердевания металла в изложнице охлажденный электрод, наружная поверхность которого включает последовательно чередующиеся по высоте ряды из легированного и нелегированного металла, извлекают и устанавливают на электрошлаковой печи для переплава, в процессе которого по периметру сплавляемого торца электрода происходит захват металла последовательно с легирующими и без легирующих частиц с поверхности соответствующих рядов каплями жидкого металла, осуществляется их перенос через слой рабочего флюса в зону низких температур (близких к температуре кристаллизации), ванны жидкого металла, в результате получают многослойный слиток с выраженными легированными слоями и минимальной протяженностью переходной зоны между легированными и нелегированными слоями.
Предлагаемый способ характеризуется тем, что в первый момент формирования нового слоя, с поверхности расходуемого электрода, в ванну жидкого металла должно поступить упрочняющих частиц или химических элементов, влекущих к изменению химического состава и обеспечивающих заданные свойства в каждом слое, в количестве, достаточном для обеспечения ими заданной концентрации в полном (во всем) объеме металлической ванны. В дальнейшем концентрация поступающих частиц или химических элементов поддерживается за счет введения их в объем поступающего электродного металла в количестве, обеспечивающем заданную концентрацию в имеющейся жидкой металлической ванне.
Сущность способа поясняется при помощи фигур 1, 2, 3. На фиг. 1 - изображена форма для формирования пористой оболочки из рабочего флюса для изготовления расходуемого электрода; на фиг. 2 - изображена схема изготовления расходуемого электрода для получения многослойного слитка; на фиг. 3 - показана схема реализации способа по получению многослойного слитка на полупромышленной электрошлаковой печи А-550.
Способ изготовления многослойных слитков методом электрошлакового переплава включает: изготовление пористых цилиндрических оболочек из рабочего флюса в специальных формах с содержанием, изготовление расходуемого электрода при помощи разливки жидкого металла в изложницу с установленными в ней несколькими рядами двух типов пористыми цилиндрическими оболочками, каждая из которых имеет внутренний диаметр, равный диаметру расплавляемого электрода, высоту 100 мм, толщину оболочки - 20 мм. Первый тип оболочек сформирован из рабочего флюса, а второй тип содержит помимо флюса легирующие добавки. Количество рядов пористых оболочек первого и второго типа, равно числу необходимых слоев многослойного слитка. Кроме того, при установке в изложницу для изготовления электрода для ЭШП первый и второй тип слоев чередуют. Затем в изложницу с установленными пористыми оболочками разливают жидкий металл, состав которого задают по технологии. После окончания процесса полученный охлажденный электрод устанавливают на электрошлаковую печь для переплава; расплавление электрода осуществляют при одновременном его вращении со скоростью, определяемой из выражения (1), где g - ускорение силы тяжести, м/с2; σме-ш - межфазное натяжение на границе раздела металл-шлак, Дж/м2; Δр - разность плотностей металла и шлака, кг/м3; r - радиус электрода, м; в процессе переплава по периметру сплавляемого торца электрода происходит захват металла и его перенос через слой рабочего флюса в зону низких температур (близких к температуре кристаллизации) ванны жидкого металла, в результате получают многослойный слиток.
Как и в прототипе, упрочняющие частицы подаются в жидкую металлическую ванну путем их переноса каплями жидкого металла непосредственно с поверхности переплавляемого электрода под воздействием радиального течения, возникающего при определенной скорости вращения электрода, определяемой из выражения (1), указанного в прототипе.
Отличительным признаком заявляемого способа является то, что предварительно изготавливают электрод для получения многослойного слитка методом заливки жидкого металла в предварительно подготовленные пористые оболочки из рабочего флюса.
Расходуемый электрод (Фиг. 2) изготавливают путем расплавления металла с последующей заливкой его в изложницу, в которую предварительно помещают соосно, с плотным прилеганием к стенкам изложницы, цилиндрические пористые оболочки 4, 5, которые состоят из необходимых (согласно техпроцесса) легирующих компонентов и рабочего флюса 5 и из рабочего флюса без легирующих компонентов 4. Оболочки 4 и 5 (Фиг. 1) получают путем прессования смеси в специальной цилиндрической форме. Специальная форма состоит из внешней обечайки 14, диаметр которой равен внешнему диаметру изложницы и внутреннего стержня 15, диаметр которого равен диаметру расплавляемого электрода. Это обеспечивает придание оболочкам формы, позволяющей их фиксировать при последовательной установке. Внесение компонентов добавок в смесь для формирования оболочек необходимо для обеспечения заданных свойств, внесение осуществляется с дифференциацией их концентрации по высоте оболочки, что позволяет уменьшить протяженность переходной зоны в формируемом слитке. Первый тип оболочек 4 имеет в своем составе только рабочий флюс. Второй тип оболочек 5, кроме флюса в своем составе имеет необходимое количество легирующих компонентов, для создания упрочненного слоя в получаемой заготовке. Данные оболочки устанавливаются последовательно, после чего осуществляется заливка в них жидкого металла. Таким образом, упрочняющие частицы жестко зафиксированы в поверхностном слое переплавляемого электрода при его изготовлении с помощью пористых оболочек, что позволяет в полной мере контролировать процесс их введения в ванну жидкого металла через слой шлака. Во время протекания процесса ЭШП легирующие частицы, полученные электродом из пористых оболочек, гарантированно переходят с поверхности электрода, в ванну жидкого металла, за счет этого формируется многослойный слиток.
На фиг. 3 представлена схема реализации способа на полупромышленной электрошлаковой печи А-550, которая использовалась для реализации предлагаемого способа переплава электрода, полученного путем разливки жидкого металла в керамические изложницы для получения многослойного слитка. Устройство для реализации способа (фиг. 3) состоит из кристаллизатора 1 с поддоном 2, плавящегося электрода 3 с оболочками 4, 5. Пористые оболочки 4 имеют в своем составе только флюс АНФ-6. Оболочки 5 имеют в своем составе кроме флюса также легирующий наполнитель.
Во время протекания процесса ЭШП, ванна жидкого металла охлаждается поддоном 2 и кристаллизатором 1 в соответствии с классической технологией ЭШП [Латаш Ю.В., Медовар Б.И. Электрошлаковый переплав. - М.: Металлургия, 2011. - 240 с.].
В процессе переплава (фиг. 3) с поверхности вращающегося вокруг своей оси электрода 3 со скоростью, согласно выражения (1) по периметру сплавляемого торца электрода 3 происходит захват предварительно нанесенных при его изготовлении в изложнице с пористыми оболочками упрочняющих частиц каплями жидкого металла 6 и осуществляется их перенос через слой рабочего флюса (АНФ-6) 7 в зону низких температур (близких к температуре кристаллизации) ванны жидкого металла 8. В результате получается многослойный слиток с выраженными легированными слоями 9, а также с минимальной переходной зоной между легированными и нелегированными слоями.
Пример.
Перед началом электрошлакового переплава были подготовлены оболочки двух типов. Оболочки первого типа формировались путем наведения смеси из жидкого стекла и рабочего флюса АНФ-6, в количестве 5 шт. Оболочки второго типа формировались из смеси рабочего флюса, жидкого стекла и упрочняющих частиц (WC), было сформировано 5 оболочек такого типа. Формирование оболочек производилось путем утрамбовки в специальной металлической цилиндрической форме, внутренний диаметр которой равен диаметру электрода, а внешний диаметр равен внешнему диаметру пористой вставки. Путем прессования оболочкам была предана необходимая цилиндрическая форма. Внутренний диаметр оболочек составлял 50 мм, внешний 70 мм. После прессования оболочки просушивались в нагревательной печи в течение 2-х часов при температуре 400°С. Данная термическая обработка позволила придать оболочкам пористую структуру и удалить остаточную влагу. После пористые оболочки последовательно укладывались соосно, с прилеганием к стенкам, в металлическую изложницу. Затем производилось расплавление металла, (для эксперимента использовалась сталь марки ст. 20) в индукционной печи СЭЛТ 12/44 в количестве 23 кг с последующей заливкой жидкого металла в изложницу с вставками - пористыми оболочками для формирования расходуемого электрода. Химический состав заливаемого жидкого расплава соответствовал химическому составу стали марки ст 20.
Полученный электрод после охлаждения устанавливался на установку электрошлакового переплава А-550. Опытный переплав проводился при следующих параметрах: сила тока - 1,5 кА. Скорость рассчитана согласно выражению (1), для данного диаметра расходуемого электрода она составляла 120 об/мин.
После полного затвердевания заготовки и ванны жидкого флюса в кристаллизаторе полученную многослойную заготовку извлекали.
Проведенные исследования качества поверхности полученной заготовки показали плотное строение поверхности без усадочных дефектов. Исследование микроструктуры в продольном разрезе заготовки показали, что легирующие элементы (порошок карбида вольфрама) расположен в слитке слоями и имеет минимальную переходную зону.
Способ получения многослойных слитков методом электрошлакового переплава, включающий изготовление переплавляемого электрода, установку его на электрошлаковой печи и переплав при одновременном его вращении со скоростью, определяемой из выражения
где
g - ускорение силы тяжести, м/с2;
σме-ш - межфазное натяжение на границе раздела металл-шлак, Дж/м2;
Δр - разность плотностей металла и шлака, кг/м3;
r - радиус электрода, м;
при этом переплав осуществляют при силе тока 1,5 кА, отличающийся тем, что упомянутый электрод изготавливают путем разливки жидкого металла в изложницу с установленными в ней по высоте соосно, несколькими равными по количеству рядами, двух типов пористыми цилиндрическими оболочками, расположенными с чередованием, причем первый тип оболочки сформирован из рабочего флюса, а второй дополнен легирующими добавками, при этом каждая оболочка имеет внутренний диаметр, равный диаметру переплавляемого электрода, и внешний диаметр, равный внутреннему диаметру изложницы, высоту 100 мм и толщину - 20 мм, после затвердевания металла в изложнице получают электрод с чередующимися рядами из легированного и нелегированного металла, охлажденный электрод извлекают и устанавливают на электрошлаковой печи для переплава, по окончании которого получают многослойный слиток с выраженными легированными слоями и с минимальной протяженностью переходной зоны между легированными и нелегированными слоями.
