Процесс электрошлакового переплава (ЭШП) разработан Институтом электросварки им. Е.О. Патона. Особенность ЭШП состоит в том, что плавление металлического расходуемого электрода определенного химического состава в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе происходит не за счет тепла дуги, а под воздействием тепла жидкого электропроводного шлака, нагретого до температуры 1700-2000°С, на погруженный электрод. При этом стекающие капли металла проходят через шлаковую ванну и затвердевают в кристаллизаторе, образуя слиток высокого качества. Повышенная чистота и однородность металла при ЭШП достигаются совместным действием таких факторов, как:

  • рафинирование высокоосновным шлаком, обеспечивающее десульфурацию и интенсивное удаление из металла неметаллических включений;
  • перегрев металла, способствующий удалению из металла (испарением) вредных примесей;
  • принудительное затвердевание в водоохлаждаемых кристаллизаторах, позволяющее получать желаемую макроструктуру слитков с повышенными плотностью и однородностью, а также отсутствием зональной ликвации и газовых пузырей.

Схема установки ЭШП показана на рис.1

7

Установка состоит из:

  • металлической колонны;
  • водоохлаждаемого кристаллизатора;
  • каретки для перемещения расходуемого электрода;
  • каретки для поднятия кристаллизатора над слитком;
  • тележки для транспортировки слитка с поддоном;
  • токоподвода электрододержателя;
  • гибких водоохлаждаемых токоведущих кабелей;
  • питающего трансформатора;
  • привода механизма перемещения кареток и расходуемого электрода.

Кристаллизатор изготовляют круглым, квадратным или прямоугольным из меди с внутренней полостью для охлаждения водой под давлением 0,4-0,45 МПа. Расходуемый электрод имеет цилиндрическое или квадратное сечение. Длину его определяют с учетом диаметра по массе слитка. Соотношение диаметров электрода и кристаллизатора составляет 0,4-0,6.

Для крепления в электрододержателя к электроду приваривают хвостовик. Перемещение электродов осуществляют механическими и гидравлическими приводами.

В качестве источников электропитания однофазных установок ЭШП используют тиристорные преобразователи пониженной частоты, которые позволяют иметь повышенный коэффициент мощности, более простую конструкцию короткой сети мощных печей и удобное согласование нагрузки и источника питания благодаря плавному регулированию напряжения и частоты. Применение тиристорных преобразователей исключает использование трансформаторов со сложными переключателями ступеней напряжения и позволяет создать быстродействующие системы автоматического регулирования и защиты установок. Однофазные установки ЭШП обеспечивают выплавку слитков массой до 25 т. Выплавку крупных слитков массой 60 т осуществляют в трехфазных печах путем одновременного переплава в кристаллизаторе трех электродов.

В отличие от однофазных трехфазные печи ЭШП обладают меньшей реактивностью, однако не позволяют получить слитки квадратного и прямоугольного сечения из-за неравномерности температурного поля в шлаковой ванне. Расположение трех электродов в одну линию нарушает компенсацию токоподвода и вызывает неравномерное плавление электродов. Повышения технико-экономической эффективности электрошлаковых печей и снижения электрических потерь достигают применением бифилярных токоподводов, позволяющих переплавлять в одном кристаллизаторе одновременно два расходуемых электрода одинакового сечения, включенных последовательно и подаваемых в шлаковую ванну общим электрододержателем с двумя электрически изолированными один от другого токоподводами.

Количество тепла, выделяемого в шлаке для плавления расходуемого электрода ЭШП, определяют по формуле Q = 0,24·I2·Rш·τ, где I — ток, протекающий в ванне, А; R — сопротивление ванны, Ом; τ — время прохождения тока, ч.

Фактический удельный расход электроэнергии превышает теоретическое значение (400 кВт·ч/т) и составляет 1000—2000 кВт·ч/т. Это обусловлено тем, что тепло, выделяющееся в ванне, расходуется на плавление электрода, на поддержание шлака и металла в кристаллизаторе в жидком состоянии, на излучение и нагрев отходящих газов, воды и слитка.

Плотность тока на электроде при ЭШП обычно составляет 0,1-0,5 А/мм2. Перед проведением плавки в ЭШП готовят электроды для переплава, флюсы для образования шлака, кристаллизатор и проверяют состояние механического и электрического оборудования.

Для ЭШП используют электроды преимущественно литые. К ним предъявляют менее жесткие требования, чем к электродам для ВДП и, в то же время, не допускают к использованию электроды с кривизной более 5 мм на 1 м длины, а также имеющие на поверхности грубые рванины, плены и поперечные трещины, которые могут вызвать разрушение электрода и падение кусков в ванну при переплаве. После приварки к электроду хвостовика (инвентарной головки) его подают краном к установке ЭШП и зажимают в электрододержателе. Кристаллизатор и поддон очищают от остатков шлака, корольков металла, налета и остатков конденсированной влаги.

Начало процесса плавки в установках ЭШП ведут на твердом и жидком шлаке. В первом случае твердый шлак расплавляют следую-щим образом. На затравочную шайбу укладывают несколько витков стружки выплавляемой марки стали,которую засыпают термитной смесью (17% калийной селитры, 16,5% алюмомагниевого порошка и 66,5% рабочего флюса) в количестве до 0,5 кг/т слитка.

Основной составляющей рабочих флюсов для ЭШП является фтористый кальций. Флюс АНФ-6 содержит, %: Al2O3  25-30, CaF2  57—60 и СаО 4-5 и имеет температуру плавления 1320-1340°С. Для ЭШП сталей и сплавов с бором и титаном применяют флюс АНФ-111, содержащий 95% CaF2 и 2%СаО и имеющий температуру плавления ~1400°С.

Флюсы выплавляют в дуговых шлакоплавильных печах с углеродистой футеровкой. После охлаждения флюс дробят, размалывают и просеивают через сито с отверстием 2×2 мм. Флюсы хранят в сухом помещении и перед употреблением просушивают при температуре около 300°С.

В начале плавки электрод опускают до соприкосновения со стружкой и в зазор между ним и кристаллизатором засыпают рабочий флюс в количестве 3—4% от массы слитка. После подачи на печь мощности между электродом и стружкой возникает дуга, под действием которой воспламеняется термитная смесь и начинает плавиться рабочий флюс.

По мере расплавления шлака конец электрода погружается в электропроводную шлаковую ванну, которая шунтирует дугу. Дуговой разряд прекращается и дальнейшее выделение тепла происходит в шлаковой ванне при прохождении электрического тока, как в обычном сопротивлении. Период наведения шлаковой ванны характеризуется весьма нестабильным электрическим режимом, обрывами дуги и короткими замыканиями. Поэтому систему автоматического регулирования (САР) процесса выполняют быстродействующей, с достаточной скоростью перемещения электрода (1 — 1,5 м/мин).

Плавка с заливкой в кристаллизатор жидкого шлака из специальной печи отличается тем, что в момент касания шлака поверхности расходуемого электрода цепь замыкается и процесс сразу протекает в электрошлаковом режиме переплава, для которого характерны отсутствие «толчков» тока и достаточно спокойный ход процесса.

Завершающим периодом ЭШП является выведение усадочной раковины наплавляемого слитка путем постепенного уменьшения силы тока.

В установках ЭШП получил распространение метод управления процессом по изменению значений силы тока. Это привело к разработке ряда регуляторов, обеспечивающих поддержание заданной силы тока переплава и скорости наплавления слитка. Выбор рационального электрического режима является решающим фактором при получении высококачественного металла, т. е. электрический и тепловой режимы шлаковой и жидкой металлической ванн определяют условия рафинирования металла от серы, газов, неметаллических включений и других вредных примесей, а также режим кристаллизации слитка. Кристаллизация слитка в установке ЭШП характеризуется постепенным, направленным снизу, затвердеванием металла и непрерывным поступлением в зону жидкой ванны новых порций металла.

Направленной кристаллизации способствует образующаяся на поверхности слитка корочка шлака, уменьшающая отвод тепла через боковые стенки кристаллизатора и улучшающая качество поверхности слитка, с исключением необходимости его зачистки или обдирки перед горячей деформацией. В поверхностном слое слитков ЭШП не образуются мелкие равноосные кристаллы. Для их внутреннего строения характерными являются зона нижних вертикальных столбчатых кристаллов (охлаждающее действие поддона) и периферийная зона радиально-осевых столбчатых кристаллов.

В осевой зоне слитков большой массы наблюдают зону равно-осных кристаллов. Слитки ЭШП обладают высокой однородностью и плотностью и не имеют дефектов усадочного и ликвационного происхождения. Усадочная раковина в них практически отсутствует.

Получение весьма чистого металла способом ЭШП достигается за счет:

  • направленной кристаллизации слитка, облегчающей всплывание неметаллических включений и выделение газов;
  • интенсивного взаимодействия металла и шлака с поглощением неметаллических включений шлаком;
  • исключения вторичного окисления металла при отливке слитков и поступления в металл неметаллических включений из футеровки.

Высокоосновный безжелезистый шлак, высокая температура металла и шлака (выше 1600 °С), малая вязкость шлака и большая поверхность взаимодействия металл-шлак создают необходимые условия для удаления серы из металла до весьма низких концентраций (<0,003%).

Применение ЭШП позволило существенно повысить качество подшипниковых, конструкционных, коррозионностойких, жаропрочных и других сталей и сплавов. При этом удорожание металла ЭШП (на 95—115%) компенсируется снижением брака и повышением качества, а также увеличением надежности и долговечности деталей, узлов машин и конструкций в машиностроении и строительстве.

Кроме слитков различных размеров, методом ЭШП изготовляют полые заготовки для труб, ответственные детали машин сложной конфигурации, резервуары, лопасти турбины и другие изделия.

Улучшение технико-экономических показателей работы ЭШП обеспечивают за счет интенсификации технологии переплава (продувка ванны инертным газом, непрерывный процесс), сокращения простоев между плавками, повышения уровня механизации и автоматизации основного процесса и вспомогательных операций, использования жидкого старта (шлака), повторного использования шлака и других мероприятий.