Рождение электрошлаковой технологии

Б. Медовар. Отливка со свойствами поковки... Достигнуть этого — значило бы вообще отказаться от поковок и полностью перейти на литые заготовки, что при масштабах нашего машиностроения дало бы грандиозный экономический эффект.

Еще совсем недавно об этом можно было лишь мечтать. А сегодня новая технология литья, созданная в Институте электросварки имени Е. О. Патона (ИЭС) и получившая название «электрошлаковое литье» (ЭШЛ), уже доказала на практике, что вполне реальной стала задача отвоевать у ковки позиции, которые вынуждено было уступить ей литье.

Рождение новой технологии связано с событием, которое произошло 30 лет назад. Инженеры-патоновцы участвовали в монтаже кожуха разрушенной во время войны домны завода «Запорожсталь». Однажды при автоматической дуговой сварке под флюсом вертикальных швов горение дуги вдруг прервалось. Но, к удивлению всех присутствовавших, приборы продолжали показывать: в сварочной цепи идет ток. Значит, сварка не прекратилась?! Но тогда оставалось предположить, что электрический ток, проходя через жидкий флюс-шлак, нагревает его настолько, что выделяемого джоулевого тепла достаточно для плавления металла.

Так был открыт бездуговой сварочный процесс, получивший вскоре название электрошлаковой сварки (ЭШС).

Но самое интересное ожидало патоновцев впереди, когда были проведены всесторонние исследования различных свойств сварного шва. Оказалось, что электрошлаковый металл буквально по всем показателям уникален. Никогда раньше не наблюдали такого замечательного сочетания прочности и пластичности, чистоты и плотности макро- и микроструктуры литого металла, химической однородности, изотропности практически всех его свойств.

Вполне естественно возник вопрос: а не сохранятся ли все эти высокие характеристики, если отделить электрошлаковый сварной шов от соединяемых им кромок, если вместо шва получить слиточек, то есть совершать уже не электрошлаковую сварку, а электрошлаковый переплав (ЭШП). В 1952 году такие опыты были проведены, и они полностью подтвердили это предположение.

Прошло несколько лет, и в мае 1958 года в том же городе Запорожье, где родилась электрошлаковая сварка, Ha электрометаллургическом заводе «Днепроспецсталь» имени А. Н. Кузьмина построили и ввели в промышленную эксплуатацию первую в мире печь ЭШП.

Как же осуществляется процесс электрошлакОвого переплава? Расходуемый металлический электрод, подключенный к источнику тока, своим торцом погружают в расплавленный электропроводный шлак, обладающий сильной рафинирующей способностью. Под действием тепла, выделяющегося при прохождении через него тока, электрод плавится. Капли металла проходят сквозь толщу шлаковой ванны, очищаются от примесей и опускаются на ее дно, образуя металлическую ванну. Все это происходит в водоохлаждаемой форме — кристаллизаторе, где металл постепенно, направленно— снизу вверх — кристаллизуется. По мере оплавления электрод подается в шлаковую ванну, .поэтому объем металлической ванны непрерывно восполняется. В результате образуется слиток металла сверхвысокого качества.

Достоинства новой металлургической технологии были столь убедительны и неоспоримы, что дальнейшее наращивание мощностей ЭШП >носило лавинообразный характер. Не прошло и 4—5 лет, как практически все отечественные заводы качественной металлургии, ряд предприятий цветной металлургии и многие заводы машиностроения оснастились электрошлаковыми печами.

За короткий срок в нашей стране была создана принципиально новая отрасль производства — специальная электрометаллургия. Показателен и тот факт, что советское изобретение запатентовано во многих странах, причем только ИЭС — обладатель более 600 зарубежных патентов в этой области. Технология ЭШП и оборудование для ее осуществления, разработанные в ИЭС, нашли применение сперва во Франции, а затем в Японии, Швеции, США, Польше, Румынии, Болгарии и многих других странах.

Б. Патон. Здесь справедливо говорилось, что всякие технологии и нужны и важны. Но при этом все-таки технология технологии рознь. Я имею в виду место, которое они занимают в общей системе техники. Возьмем, к примеру, технологию изготовления пакетов для молока. Нужна она? Бесспорно. Важна? Несомненно. Но даже если таковой и не существовало бы или была бы она не столь удачной, как сейчас, очень серьезного влияния на нашу жизнь это не оказывало бы. Другое дело, например, технология полимеризации, которая лежит в основе получения практически всех современных синтетических материалов. Уровень ее совершенства во многом определяет научно-технический прогресс практически всех отраслей народного хозяйства. Подобные технологии благодаря тому, что в них заложена идея, отличающаяся и глубиной и широтой, рождают новые технологии, оказывающие, в свою очередь, важное влияние на целые отрасли производства.

Именно к глобальным технологиям относится и электрошлаковая технология, ставшая суммой технологий, внедрение которых знаменует подлинную научно-техническую революцию в таких важнейших производствах, как металлургия, машиностроение, открывает перед ними новые, далеко еще не исчерпанные возможности.

Б. Медовар. Достижения электрошлакового переплава создали предпосылки для рождения и других технологических процессов, в частности электрошлакового литья. Это явилось логическим развитием идей, заложенных в технологии-родоначальнице.

Действительно, ведь сам ЭШП, по существу, литейная технология. Но продукция ее — заготовки простой конфигурации: слитки прямоугольного и круглого сечения. Значит, надо было внести такие технологические и конструктивные изменения в процесс электрошлакового переплава, которые бы сделали его универсальным с точки зрения литейного производства, то есть дали возможность получать отливки практически любом формы.

Работы в этом направлении, проводившиеся в ИЭС, и привели в 1967—1968 годах к созданию ЭШЛ. Новая технология сделала реальной мечту машиностроения: объединить в заготовке оптимальную форму отливки и высокие качества поковки.

Благодаря каким же особенностям электрошлаковой технологии удается получать металл сверхвысокого качества, добиваться того, что не достижимо ни одним из традиционных способов литья?

В современном литейном производстве заранее приготавливают жидкий металл, а затем его заливают в полость литейной формы. Средств для приготовления расплавленного металла самого высокого качества металлургам известно достаточно. Но что с того, если, скажем, в ковше будет получена относительно чистая сталь, когда при транспортировке к литейной форме и в процессе разливки она загрязнится от взаимодействия с газами окружающей атмосферы, огнеупорными материалами ковша, с самой формой? Даже если и удастся в какой-то мере предохранить металл от такого загрязнения (а это очень осложняет и удорожает технологию), то полностью устранить все дефекты, связанные с условиями кристаллизации больших масс металла, практически невозможно.

Итак, для традиционной литейной технологии характерно, что операция расплавления металла и операция его затвердевания разобщены операцией заливки. Это принципиальный недостаток. Он-то и служит в конечном счете источником бед, которые, как правило, приводят к ухудшению свойств металла литого изделия.

При ЭШЛ получение с помощью электрошлаковой переплавки жидкого металла самого высокого качества, заполнение им формы и затвердевание отливки происходят непрерывно, одновременно и в одном месте: в едином с литейной формой агрегате. Литейная форма при этом выполняет две функции — служит местом для приготовления жидкого металла и используется, собственно, по прямому назначению — формирует отливки. Для характеристики ЭШЛ вполне подходит одно из правил классической драмы — единство места.Именно в единстве места основных операций литейного процесса и заключается суть ЭШЛ, которая определяет все другие особенности этой технологии.

Пять ролей шлака

Г. Бойко. Принципиальная схема процесса электрошлакового литья ничем не отличается от ЭШП. Как там, так и здесь главное действующее «лицо» — шлак. Играет он сразу пять ролей: служит нагревательным элементом — источником тепла, под действием которого плавится металл расходуемого электрода, «чистилищем» для расплавленного металла, надежной защитой его от контактов с окружающей атмосферой, тепловой надставкой над кристаллизующимся металлом, что способствует получению отливки, свободной от усадочной раковины, и, наконец, образует на боковой поверхности отливки гарнисаж, тонкую шлаковую корочку, которая препятствует взаимодействию металла с материалом формы и, уменьшая отвод тепла в горизонтальном направлении, также способствует формированию отливки без осевой рыхлости и усадочной раковины. Кроме того, благодаря гарнисажу отливка получается с такой чистой поверхностью, что последующая механическая обработка практически не требуется.

Свою рафинирующую функцию шлак выполняет на всех стадиях контакта с металлом: соприкасаясь с оплавляющимся электродом, во время прохождения капель металла через шлаковую ванну и на границе ее раздела с металлической ванной. Благодаря такой активной обработке металла из него удаляются неметаллические включения, вредные примеси и газы. Например, в конструкционных сталях общее количество включений снижается более чем в 2 — 3 раза. Главный эффект в улучшении свойств металла приносит очистка от серы — наиболее опасной и крайне нежелательной примеси для большинства сталей и сплавов, ведь она делает их красноломкими, резко снижает пластичность, свариваемость.

Очень важно, что рафинирующим действием шлака можно управлять. Меняя его состав, удается избирательно рафинировать от тех или иных примесей.

Б. Медовар. Одно лишь рафинирование не могло бы обеспечить тех исключительно высоких свойств, которыми отличаются заготовки, получаемые методом ЭШЛ. Не менее важную роль играют благоприятные условия кристаллизации металла.