Переплавные процессы

Виды электрошлаковых отливок

В настоящее время ЭШЛ осуществляется по двум технологическим схемам. Первая (рисунок  1) состоит в том, что расходуемые электроды переплавляются непосредственно в кристаллизаторе, в котором формируется отливка. При этом происходят ее последовательное наплавление и кристаллизация.

1 — электрод; 2 — шлаковая ванна; 3 — металлическая ванна; 4 — отливка; 5 — кристаллизатор; 6 — поддон. Рисунок 1 - Схема ЭШЛ при выплавке в кристаллизаторе отливки целиком
1 — электрод; 2 — шлаковая ванна; 3 — металлическая
ванна; 4 — отливка; 5 — кристаллизатор; 6 — поддон.
Рисунок 1 — Схема ЭШЛ при выплавке в кристаллизаторе отливки целиком

В кристаллизаторе может быть выплавлена целиком вся отливка или ее объединяющая часть (рисунок 2). В этом случае заранее выплавленные или приготовленные другим методом элементы будущей литой заготовки устанавливаются в соответствующие отверстия кристаллизатора и при выплавке объединяющей части приплавляются к ней.

Схема ЭШЛ при выплавке в кристаллизаторе части будущей заготовки
1 — электрод; 2 — шлаковая ванна; 3 — металлическая ванна; 4 — приплавляемая часть; 5 — кристаллизатор; 6 — отливка. Рисунок 2 — Схема ЭШЛ при выплавке в кристаллизаторе части будущей заготовки

Вторая схема (рисунок 3) состоит в том, что, переплавляя расходуемые электроды в специальной плавильной емкости, накапливают жидкий электрошлаковый металл и затем заливают его в соответствующую форму. Этот способ получил название фасонного электрошлакового литья (ФЭЛ) и кокильного литья (ЭКЛ).

Схема фасонного ЭШЛ с накоплением жидкого металла и заливкой его в литейную форму
1 — расходуемый или нерасходуемый электрод; 2 — шлак; 3 — жидкий металл; 4 — емкость; 5 — литейная форма. Рисунок 3 — Схема фасонного ЭШЛ с накоплением жидкого металла и заливкой его в литейную форму

Метод ЭШЛ разработан в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР и внедрен в промышленность. Наибольшее применение он нашел в производстве заготовок для машиностроения и в первую очередь для деталей ответственного назначения. Это стало возможным благодаря исключительно высоким свойствам литого электрошлакового металла, его изотропности, химической и физической однородности. Показатели механических свойств электрошлаковой отливки такие же, как у кованого металла открытой выплавки и даже выше.

Отливки, производимые методом ЭШЛ и ФЭЛ, отличаются разнообразием как по конфигурации, так и по назначению. Их масса колеблется от нескольких десятков граммов (зубные протезы и коронки) до нескольких десятков тонн (коленчатые валы судовых дизелей). Такие отливки условно можно разделить на два типа.

К первому следует отнести отливки, имеющие внутренние несквозные полости, к другому — отливки сплошного сечения с приливами на наружной поверхности.

Наиболее типичным и простым по форме представителем первого типа отливок являются цилиндрические отливки, имеющие наружную поверхность без приливов и несквозную симметрическую полость, напоминающие по внешнему виду стакан.

Такие отливки используются в качестве заготовок сосудов давления. При этом отпадает необходимость в трудоемкой операции изготовления днищ, так как каждый стакан уже снабжен днищем, которое получается при выплавке отливки. Два стакана, сваренные друг с другом кольцевым швом, представляют собой не что иное, как заготовку сосуда или баллона. Обрабатывать наружную поверхность такого сосуда практически не требуется: ее форма и размеры получаются уже при выплавке половинок сосуда.

Цилиндрические отливки с несквозным отверстием применяются также в трубном производстве в качестве заготовок для последующего изготовления труб среднего диаметра путем горячей протяжки этих заготовок.

Отливки такого типа, но уже с приливами на наружной поверхности, например кольцевыми у края полого торца стакана, становятся заготовками сосуда (рисунок 4), у которого один торец заглушается съемной крышкой. Приливы на наружной поверхности отливки «стакан» в виде цилиндрических выступов служат патрубками, к которым приваривают трубы необходимых коммуникаций.

Схема отливки корпуса сосуда с фланцевой частью
1 — фланец; 2 — стенка; 3 — дно Рисунок 4 — Схема отливки корпуса сосуда с фланцевой частью

Глуходонная полая отливка с фланцем и цилиндрическими приливами на боковой цилиндрической поверхности  также является заготовкой корпуса энергетической запорной арматуры. Методом ЭШЛ получаются корпуса арматуры с условным диаметром 100 — 500 мм.

По традиционной технологии корпуса арматуры отливаются в песчано-глинистые формы или изготовляются из поковок. Оба технологических варианта по эффективности существенно уступают технологии ЭШЛ заготовок корпусов арматуры.

Традиционная технология изготовления сосудов высокого давления предусматривает приварку к их корпусам патрубков. Такая технология чрезвычайно трудоемка. Это прежде всего связано с тем, что патрубок вваривается в корпус сосуда многослойной сваркой в течение многих часов. При обнаружении дефектов швы вырубаются и завариваются вновь. Цикл изготовления такого сосуда весьма длителен.

Электрошлаковая технология получения сосудов высокого давления с патрубками на их поверхности предусматривает два решения. Когда сосуд имеет в диаметре несколько метров, заготовка патрубков выплавляется непосредственно на его корпусе. Если диаметр сосуда невелик, он может быть выплавлен одновременно с патрубками.

Отливки с полостью могут иметь приливы, расположенные вдоль образующей цилиндрической поверхности. Такие приливы используются для последующего изготовления патрубков. Пространство между патрубками может быть образовано путем соответствующей механической обработки прилива (рисунок 5) для удаления лишнего металла.

Схема отливки с продольным приливом (а) и изготовленной из нее детали (б).
Рисунок 5 — Схема отливки с продольным приливом (а) и изготовленной из нее детали (б).

В энергетическом машиностроении большим спросом пользуются отводы (их еще называют коленами) под разными углами, например 90 и 180°, для присоединения прямых участков трубных коммуникаций при строительстве энергоблоков тепловых и атомных электростанций. Электрошлаковые отливки с полостью и криволинейной осью  могут заменить отводы, которые обычно производят методами штамповки и сварки.

Требование энергетиков изготавливать отводы со стенкой переменного сечения для более рационального использования металла как нельзя лучше соответствует возможностям ЭШЛ и чрезвычайно затруднительно при других методах их производства.

Имеется еще один тип отливок. Это отливки, которые получают в виде заготовок сплошного сечения с приливами или углублением самой разнообразной формы на наружной поверхности. В качестве примера такой отливки можно привести заготовку небольшого по размерам запорного клапана  энергоблока атомной электростанции, валок прокатного стана  или калибры трубопрокатного стана.

Заготовка шатуна судового дизеля имеет переменное по высоте сечение, а заготовка коленчатого вала имеет пространственную форму. К отливкам, имеющим переменное сечение по высоте, можно также отнести заготовки кривошипов крупных судовых дизелей. В качестве примера отливки, но с криволинейной осью можно привести заготовку бандажа цементной печи или элемент венца шестерни.

Развитую поверхность и постоянное по высоте сечение имеют электрошлаковые отливки нестандартного профиля.

К отливкам сплошного сечения можно отнести мелкие заготовки зубных протезов и коронок, штамповых вставок, отливаемых вместе с гравюрой.

Следует отметить, что новая технология не ставит целью замену традиционных способов литья. Она должна применяться лишь в тех случаях, когда к отливке предъявляются повышенные требования по качеству металла или получение такой отливки сопряжено с большой трудоемкостью и затратами на изготовление оснастки, а также в случае необходимости производства изделий относительно мелкими сериями.