Способ получения многослойных слитков электрошлаковым переплавом

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению многослойных слитков методом электрошлакового переплава. Способ включает ввод легирующих элементов в плавильное пространство во время отключения тока через периоды времени, равные Δτ=0,2 m/v, где m - масса жидкой металлической ванны в стационарный период плавки, кг, v - скорость наплавления отливки, кг/с. Способ обеспечивает четкое послойное распределение легирующих элементов в отливке при порционной подаче их в плавильное пространство. 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению многослойных слитков методом электрошлакового переплава (ЭШП).

Известен способ получения слоистого материала методом электрошлаковой плавки, при котором для получения непрерывного слитка с различным составом стали по его длине предлагается механическим путем или путем сварки изготавливать составной расходуемый электрод. Состав компонентов электрода регулируют, в зависимости от требуемого состава стали на данном участке слитка [1].

Недостатком данного способа является то, что для получения многослойного материала требуется частое соединение компонентов расходуемого электрода, а это приводит к увеличению затрат на подготовку расходуемого электрода, что влечет удорожание процесса получения слоистого материала.

Известен способ электрошлакового переплава металлов и сплавов, включающий наплавление слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе поочередным переплавом двух или более электродов, причем перед сменой электродов ток отключают, а шлаковую ванну перегревают на 20-200^oC [2].

Недостатком данного способа является необходимость наличия электродов различного состава стали и оборудования для их быстрой замены, что приводит к увеличению затрат, а следовательно, и стоимости получаемого слитка.

Известен способ получения слоистого материала методом электрошлаковой наплавки композиционным сплавом. При этом во время элеткрошлаковой наплавки происходит подача в шлаковую ванну электродных проволок, которые, плавясь, создают сплав-связку, образующий матрицу композиционного сплава. В процессе наплавки дозировано подают порошок литых карбидов. В шлаковой ванне карбиды поверхностно очищаются, нагреваются и, не оплавляясь, внедряются в металлическую ванну, после кристаллизации которой образуется износостойкий композиционный сплав. При определенных режимах электрошлаковой наплавки строение наплавленного металла трехслойное, частицы карбидов в матрице сосредоточены в среднем его слое [3].

Недостатком данного способа является то, что возможно получение только трехслойного материала и сложно получить четкие границы между слоями и определенное содержание в слое вносимых добавок, так как происходит одновременное внесение.

В качестве прототипа принят способ получения слоистого материала в процессе ЭШП, при котором во время переплава расходуемого электрода через определенный промежуток времени в ванну давали некоторое количество серного железа (FeS), без отключения тока (см. Электрошлаковый переплав. Под ред. ак. Медовара Б.И., Вып. 3, Киев. "Наукова думка", 1975, с. 111-118).

Недостатком данного способа является то, что в процессе образования слоистой структуры не происходит формирования четкой границы между слоями, т. к. без отключения тока в ванну расплавленного металла поступает не только FeS, но и капли металла расходуемого электрода, а в результате этого сложно получить строго определенное содержание добавок в образующемся слое и четкие границы между слоями.

Задачей изобретения является повышение качества многослойных слитков за счет обеспечения четкого послойного распределения легирующих элементов в отливке при периодической подаче их в плавильное пространство.

Поставленная задача решается путем получения многослойных слитков электрошлаковым переплавом расходуемых электродов с порционной подачей легирующих материалов в плавильное пространство через определенный промежуток времени, при этом легирующие материалы подают в момент отключения тока на электроде через периоды времени, равные: где m - масса жидкой металлической ванны в стационарный период плавки, кг; v - скорость наплавления отливки, кг/с.

При подаче легирующих материалов в момент отключения тока происходит быстрая кристаллизация жидкой металлической ванны, а в результате этого возможно получение строго определенного содержания добавок в образующемся слое и четкие границы между слоями.

В процессе переплава порции легирующих элементов подают через периоды времени, которые зависят от требуемого количества слоев в слитке и толщины каждого слоя.

После подачи порции легирующих материалов в плавильное пространство концентрация их в жидком металле изменяется по следующей зависимости: где C - концентрация легирующих элементов в жидком металле, образовавшаяся после подачи порции легирующих, %; C₀ - концентрация легирующих элементов в переплавляемом металле (электроде), %; τ - время с момента подачи порции легирующих, с.

При этом относительные колебания концентрации легирующих элементов в металле определяются следующим соотношением: где Δ C - разность между максимальным и минимальным содержанием легирующих элементов в металле;
C_тр - требуемое содержание элементов в металле.

Таки образом, для получения заданной неоднородности распределение легирующих элементов в отливке период времени между подачами порций легирующих определяется соотношением:

Только в случае возникающая химическая неоднородность приводит к формированию четкой слоистой структуры слитка при том, что каждый слой обладает своими свойствами.

Малые промежутки времени между подачами порций легирующих материалов приводят к необходимости ввода маленьких масс порций легирующих, что требует дробления легирующих материалов до мелкодисперсного состояния в результате чего легирующие элементы равномерно распределяются по высоте слитка (отливки). Ввод легирующих материалов в мелкодисперсном состоянии приводит к их интенсивному угару и выносу через систему газоотсоса, существующую на установках ЭШП.

Кроме того, получение многих материалов в мелкодисперсном состоянии представляет собой весьма сложную задачу (например, никеля, ферроцерия и т.д.). Поэтому нижней границей необходимо считать 0,2.

Таким образом, в случае подачи порций легирующих элементов с периодом более

возникают неоднородности в отливке и возможно получение многослойных слитков с требуемым четким числом слоев и их толщиной.

В случае подачи порций легирующих с периодом времени менее

происходит интенсивный угар вводимых элементов и не обеспечивается получение требуемого многослойного слитка необходимым химическим составом каждого слоя.

Скорость наплавления отливки ЭШП является одним из технологических факторов, определяющих качество металла и поэтому контролируемых при переплаве по скорости сплавления электродов или с помощью весоизмерительных устройств.

Масса жидкой металлической ванны определяется либо методом зондирования, либо расчетными методами и является известной величиной для заданных параметров плавки. В случае обычного постоянства поддерживаемых режимов она практически не меняется от плавки к плавке.

Сочетание таких действий, как подача легирующих материалов в плавильное пространство через периоды времени, равные
,
и отключение тока в момент подачи, позволяет обеспечить четкое послойное распределение легирующих элементов в отливке.

Пример конкретного выполнения.

Переплав стали 20Х13 проводили на установке 1 ЭШП А-550, которая представлена на фиг. 1. В качестве расходуемых электродов 2 использовали прокат этих же сталей диаметром 40 мм с химическим составом, приведенным в таблице 1. Переплав производили в кристаллизаторе 3 под флюсом АНФ-6 4. Напряжение и ток переплава составляли 50 B и 1,5 кА соответственно.

Легирующие добавки, пройдя слой флюса, попадают в жидкую металлическую ванну 5, в результате кристаллизации образуется слиток 6.

Легирование проводили с помощью чугунной стружки порционной подачей 150 грамм из дозатора 7 на шлаковую ванну с частотой, определенной по формуле III, данные приведены в таблице 2. На время ввода легирующих добавок производилось отключение подачи тока на электрод.

После выплавки слитки ЭШП вертикально осаживали на кузнечном молоте и вырезали из центра образец для анализа макроструктуры и химического состава. Макроструктура образца представлена на фиг. 2, а средний химический состав в таблице 2. Проведенные эксперименты доказывают промышленную применимость данного изобретения. Слитки, полученные экспериментальным путем, имели послойную структуру с четким распределением легирующих.

Список источников
1. Способ изготовления расходуемых электродов для выплавки стали. Умэда Иоити. (Сумитому киндзоку коге кабусики кайся). Японск. пат. кл. 10А31, N 1641, заявл. 5.09.64, опубл. 26.01.67.

2. Способ электрошлакового переплава металлов и сплавов. Петухов Г.К., Спектор Р.В., Тирюков П.И., Тетюев В.А., Григорьев Л.Ф., Попов К.Н. МКИ C 21 C 5/56, N 340303, заявлено 12.05.69.

3. Электрошлаковая наплавка малого конуса доменной печи композиционным сплавом. Шехтер С.Я., Резницкий А.М., Лазаренко Ю.Н., Разинский В.В. Автоматическая сварка, 1978, N 8 (305), с. 43-47.

Формула изобретения

Способ получения многослойных слитков электрошлаковым переплавом расходуемых электродов, включающий порционную подачу легирующих материалов в плавильное пространство через определенный промежуток времени, отличающийся тем, что легирующие материалы подают в момент отключения тока на электроде через периоды времени, равные
Δτ = 0,2 m/v,
где m - масса жидкой металлической ванны в стационарный период плавки, кг;
v - скорость наплавления отливки, кг/с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3