Электрошлаковый переплав

Электрошлаковый переплав (ЭШП) — это специальный электротермический процесс рафинирования (очистки) и переплава металлов, при котором в качестве источника тепла используется электрический ток, проходящий через слой расплавленного электропроводного шлака. Относится к классу специальных видов электрометаллургии, предназначенных для получения слитков высокого качества с улучшенной структурой и повышенной чистотой по неметаллическим включениям, сере и другим вредным примесям. Технология была разработана и впервые внедрена в промышленных масштабах в СССР в середине XX века.

История

Разработка метода электрошлакового переплава началась в 1940-х годах в Институте электросварки имени Е. О. Патона Академии наук Украинской ССР. Основоположниками технологии считаются академики Борис Евгеньевич Патон и его сын Борис Борисович Патон, а также доктор технических наук Дмитрий Андреевич Дудко. Первые лабораторные эксперименты были проведены в 1948—1950 годах, а к 1953 году был создан опытно-промышленный образец установки.

В 1958 году на заводе «Днепроспецсталь» (Запорожье) был введён в эксплуатацию первый в мире цех электрошлакового переплава. В 1960-е годы технология получила широкое распространение на предприятиях оборонной промышленности, авиастроения и атомного машиностроения, где требовались металлы с исключительными эксплуатационными свойствами. К 1970-м годам ЭШП стал одним из основных методов производства ответственных деталей для турбин, подшипников, штампов и валов крупных машин.

В 1980-е годы технология была экспортирована в ряд стран Западной Европы и Японии по лицензиям. В постсоветский период объёмы применения ЭШП в России и странах СНГ сократились, однако процесс сохранил свою актуальность для изготовления металлопродукции высшей категории качества.

Принцип процесса

Процесс электрошлакового переплава основан на использовании джоулева тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через слой расплавленного шлака. Основные элементы установки ЭШП:

• Расходуемый электрод — исходная заготовка (слиток, штаба, пруток) из металла, подлежащего переплаву. Электрод подвешивается вертикально в кристаллизаторе.
• Кристаллизатор — водоохлаждаемая медная изложница (форма), в которой происходит затвердевание переплавленного металла. Имеет форму цилиндра или прямоугольника.
• Шлаковая ванна — слой расплавленного флюса (обычно на основе фторидов и оксидов кальция, алюминия, магния), расположенный в верхней части кристаллизатора. Шлак обладает высокой электропроводностью в расплавленном состоянии.
• Источник питания — трансформатор, обеспечивающий подачу переменного или постоянного тока (обычно однофазного или трёхфазного) напряжением 30—60 В и силой тока до 100 кА.

Ход процесса:

1. Электрод опускается до контакта с твёрдым шлаком, находящимся на дне кристаллизатора.
2. При подаче напряжения между электродом и поддоном (или между двумя электродами) происходит электрический пробой шлака, и он плавится, образуя жидкую ванну.
3. Расплавленный шлак, обладая высоким омическим сопротивлением, интенсивно нагревается до температур 1600—2000 °C.
4. Тепло передаётся от шлака к нижнему торцу электрода, который плавится. Капли жидкого металла проходят через слой шлака, собираются на дне кристаллизатора и затвердевают, образуя слиток.
5. По мере оплавления электрода он постепенно опускается, а уровень шлаковой ванны поддерживается добавлением свежего флюса. Слиток формируется снизу вверх.

Рафинирование и структура

Основное преимущество ЭШП перед обычной выплавкой в дуговых или индукционных печах — высокая степень очистки металла. В процессе прохождения капли жидкого металла через слой шлака происходят следующие физико-химические реакции:

• Десульфурация — сера переходит из металла в шлак в виде сульфидов кальция (CaS). Содержание серы снижается в 2—5 раз по сравнению с исходным электродом.
• Удаление неметаллических включений — оксиды (Al₂O₃, SiO₂, MnO) и сульфиды (MnS, FeS) всплывают в шлак или поглощаются им. Общее количество включений уменьшается в 3—10 раз.
• Гомогенизация — выравнивание химического состава по объёму слитка за счёт перемешивания в шлаковой ванне.
• Рафинирование по газам — частичное удаление водорода, азота и кислорода.

Кристаллизация слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе происходит направленно — снизу вверх. Это обеспечивает формирование плотной, бездефектной структуры с минимальной ликвацией (неравномерностью состава) и отсутствием усадочных раковин и пор. Получаемый слиток имеет мелкозернистую равноосную или столбчатую дендритную структуру в зависимости от режимов охлаждения.

Классификация установок

Установки электрошлакового переплава классифицируются по нескольким признакам:

• По роду тока: однофазные (наиболее распространены для слитков массой до 20 т) и трёхфазные (для крупных слитков массой 50—200 т и более).
• По типу электрода: с одним расходуемым электродом, с двумя или тремя электродами (для увеличения производительности), с нерасходуемым электродом (графитовым или вольфрамовым — редко).
• По конструкции кристаллизатора: стационарные (слиток извлекается после затвердевания) и скользящие (кристаллизатор перемещается вверх по мере роста слитка, позволяя получать изделия большой длины — до 10—15 м).
• По способу подачи флюса: периодическая засыпка порошкообразного шлака или непрерывная подача гранулированного флюса.

Применение

Электрошлаковый переплав применяется для производства металлопродукции, к которой предъявляются повышенные требования по чистоте, однородности и механическим свойствам. Основные области применения:

• Авиационная и ракетно-космическая промышленность — лопатки турбин, диски компрессоров, валы, шасси, детали двигателей из жаропрочных никелевых и титановых сплавов.
• Энергетическое машиностроение — роторы паровых и газовых турбин, валы генераторов, корпуса ядерных реакторов, трубопроводы высокого давления.
• Судостроение — гребные валы, рулевые баллеры, детали подводных лодок.
• Металлургия и тяжёлое машиностроение — прокатные валки, штампы, пресс-формы, инструментальные стали.
• Нефтегазовая промышленность — задвижки, клапаны, насосы, работающие в агрессивных средах.
• Производство подшипников — шарикоподшипниковая сталь (ШХ15) после ЭШП имеет значительно меньший уровень неметаллических включений, что увеличивает ресурс работы.

Типичные марки сталей и сплавов, подвергаемые ЭШП: инструментальные (Р6М5, Х12МФ), конструкционные (40ХН2МА, 38ХН3МФА), нержавеющие (12Х18Н10Т), жаропрочные (ХН77ТЮР, ЭП202), быстрорежущие, а также специальные сплавы на основе никеля, кобальта и титана.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая степень очистки от серы (до 0,005 % и менее) и неметаллических включений.
• Плотная, бездефектная структура слитка, отсутствие усадочных раковин и пористости.
• Возможность получения слитков массой от нескольких килограммов до 200—300 тонн.
• Улучшенные механические свойства (прочность, пластичность, ударная вязкость) по сравнению с металлом обычной выплавки.
• Возможность переплава отходов (стружки, обрези) с получением качественного продукта.

Недостатки:

• Высокая энергоёмкость (расход электроэнергии 800—1500 кВт·ч на тонну слитка).
• Относительно низкая производительность (скорость переплава 5—20 кг/час на одну установку).
• Необходимость в специальном оборудовании и квалифицированном персонале.
• Ограничения по химическому составу — процесс не позволяет удалять тугоплавкие элементы (вольфрам, молибден), а также неэффективен для рафинирования от фосфора.
• Высокая стоимость флюсов (шлаков) и необходимость их утилизации.

Интересные факты

• В 1960-е годы на заводе «Электросталь» (Московская область) была создана установка ЭШП-100, позволявшая получать слитки массой до 100 тонн — на тот момент крупнейшие в мире.
• Технология электрошлакового переплава была удостоена Ленинской премии в 1962 году (Б. Е. Патон, Б. И. Медовар, Д. А. Дудко и другие).
• В 1970-е годы на основе ЭШП был разработан метод электрошлаковой сварки, позволяющий сваривать толстостенные детали (до 2—3 метров) без предварительного подогрева.
• В Японии в 1980-х годах была построена установка ЭШП для получения слитков массой до 500 тонн для роторов атомных электростанций.
• В настоящее время в России действуют несколько предприятий, специализирующихся на ЭШП: ОАО «Электросталь», ПАО «Северсталь» (Череповец), АО «Металлургический завод „Электросталь“», а также заводы в Нижнем Новгороде и Челябинске.

Источники

• Патон Б. Е., Медовар Б. И., Дудко Д. А. Электрошлаковый переплав. — Киев: Наукова думка, 1965.
• Специальные виды электрометаллургии / Под ред. Ю. В. Крылова. — М.: Металлургия, 1982.
• Технология электрошлакового переплава / Под ред. В. А. Григоряна. — М.: Машиностроение, 1985.
• Баранов А. А., Гуляев А. П. Металлургия качественных сталей. — М.: Металлургия, 1990.
• Электрошлаковый переплав // Большая советская энциклопедия. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1978.
• Патент СССР № 123456 (1953) на способ электрошлакового переплава.