Инженер-металлург об истории создания и сегодняшнем применении технологии электрошлакового переплава в Украине и в мире
Л.Медовар: «Конкуренция на рынке электрошлаковых сталей очень сильна, и у наших предприятий лишь один шанс – дать качество, и при относительно низкой зарплате металлургов устроить некое соревнование цен. Хотя мировой авторитет наших рабочих очень высок, и нам совсем не обязательно демпинговать».
Электрошлаковая технология: современное состояние и перспективы
В ожидании прорыва
В ОЖИДАНИИ ПРОРЫВА
Инженер-металлург об истории создания
и сегодняшнем применении технологии
электрошлакового переплава в Украине и в мире
Л.Медовар: "Конкуренция на рынке
электрошлаковых сталей очень сильна, и у наших
предприятий лишь один шанс – дать качество, и при
относительно низкой зарплате металлургов
устроить некое соревнование цен. Хотя мировой
авторитет наших рабочих очень высок, и нам совсем
не обязательно демпинговать".
Еще в 50-е годы прошлого столетия в
киевском Институте электросварки им. Е.О. Патона
была разработана технология электрошлакового
переплава (ЭШП), которая получила широкое
распространение не только в СССР, но и во всем
мире. И если советские ученые в условиях
"холодной войны" и "гонки вооружения"
вынужденно сосредоточились в основном лишь на
"военных" применениях электрошлакового
металла, то на Западе пошли по другому пути. И
сегодня в области ЭШП, в которой еще недавно были
впереди, мы отстаем.
О том, как сложилась судьба уникальной
технологии в Украине и за рубежом, рассказывает
сын одного из создателей ЭШП – академика Бориса
Медовара, лауреата Ленинской премии,
Государственных премий СССР и Украины – Лев
Медовар, доктор технических наук, заведующий
отделом электрошлаковых технологий Института
Патона, продолжающий дело своего отца.
Лев Борисович, когда и как была создана
технология электрошлакового переплава?
Л.М.: Родился электрошлаковый переплав
более пятидесяти лет назад благодаря другой
выдающейся разработке Института Патона –
электрошлаковой сварке. Не вдаваясь в
подробности физико-химии этой технологии, можно
привести такой пример: любой, не посвященный в
тонкости сварки человек, хоть раз в жизни видел
сварщика с электродом и дугу, горящую между
электродом и свариваемым металлом. Но возможны и
такие условия, когда дуги при сварке нет, а
электрод плавится под слоем шлака и металл
сваривается.
Сразу же после Великой Отечественной
войны специалисты Института Патона участвовали
не только в разработке технологий и
оборудования, но и непосредственно в ремонте
многих металлоконструкций при восстановлении
народного хозяйства Украины. В частности, при
ремонте доменных печей сварщики института
обнаружили, что дуга погасла, но процесс идет –
металл сваривается, а электрод плавится. Так и
родилась электрошлаковая сварка. Когда
металловеды посмотрели на качество шва, они
увидели, что получается удивительно чистый и
мелкозернистый металл. А это – два необходимых
условия получения высококачественного металла.
Естественно, был сделан следующий шаг, и
на этом принципе попытались организовать
выплавку слитков под слоем шлака без дуги. Шлак
защищает металл от атмосферы, очищает металл и
дает, кроме всего прочего, такие тепловые
условия, что происходит мелкозернистая
кристаллизация металла.
В 1952 году в лаборатории Института Патона
был выплавлен первый слиток ЭШП. А уже в 1958 году
работали две первые промышленные печи. Одна на
заводе "Днепроспецсталь", вторая – на
Новокраматорском машиностроительном заводе. Это
были первые подобные печи не только в СССР, но и
во всем мире.
Неужели в мире никто не заметил
данного явления и не проводил подобных
исследований?
Л.М.: В США выдающийся изобретатель
Р.Гопкинс еще в 30-е годы прошлого века создал
процесс, похожий на электрошлаковый переплав. Но
он не до конца понимал физику этого процесса, и в
его патенте нарисована дуга, горящая между
концом электрода и металлом. А сам процесс назван
"дуговым процессом получения металла". В 1967
году мой отец встречался с Гопкинсом на первом
Всемирном симпозиуме по ЭШП. И Гопкинс сказал
Медовару тогда: "Я сделал в своей жизни две
ошибки: не сразу понял, что это шлаковый переплав,
а не дуговой, и для переплава я применял
постоянный ток". Дело в том, что у нас сразу же
удешевили процесс ЭШП, так как начали применять
переменный ток.
Кто стал инициатором организации
этого симпозиума?
Л.М.: Американцы. Они поняли, что в
Советском Союзе происходит нечто.
Вообще история организации этого
симпозиума интересна сама по себе.
Госдепартамент США нашел металлурга, причем не
белокожего американца, а индуса, и поручил ему
связаться с Институтом Патона, пригласить Бориса
Медовара в США и провести встречу с
заинтересованными лицами, прежде всего, теми, кто
производит подшипники, инструментальную сталь и
металлы для вооружения.
Почему индус, а не белый? Расчет был
совершенно точен психологически. Когда в КГБ
увидят, что организацией симпозиума занимается
человек, не рожденный в США, то подумают, что он не
связан со спецслужбами…
То есть заинтересованность в ЭШП на
Западе была очень высокой?
Л.М.: Да. Однажды на обложке журнала
популярного металлургического журнала Iron Age даже
появилась надпись ESR from USSR , т.е. ЭШП из СССР.
Вообще, электрошлаковый переплав – одна из
немногих металлургических разработок, которые в
мире были признаны как технологии, рожденные
здесь. Так, в советские годы через внешнеторговую
организацию "Лицензторг" за рубеж было
продано только две "металлургические"
лицензии: на электрошлаковый переплав и на
испарительное охлаждение доменных печей.
В период с 1967 по 1980 год лицензии на
различные разработки Института Патона в области
ЭШП были проданы в Америку, Японию, Швецию,
Германию, Австрию, Францию и др. Не говоря уже о
соцстранах.
Сколько денег было выручено от продаж
лицензий?
Л.М.: Это тайна, покрытая мраком, потому
что в те годы, как вы понимаете, в Институт Патона
поступали лишь копейки тем, кто был авторами
патентов и изобретений. Ни о каких "роялти",
т.е. платежах авторам за использование их
изобретений, в те годы речь не шла, ибо патенты
принадлежали государству. Забегая вперед, скажу,
что теперь ситуация иная. Три года назад мы
продали лицензию Новокраматорскому машзаводу на
новую разработку в области ЭШП, и НКМЗ
"роялти" нам платит. Теперь "мозги"
оплачивают и в Украине.
Но, что очень важно, в те годы продавали
не только лицензии, но и оборудование.
Новосибирский завод
электротермического оборудования изготавливал
электрошлаковые печи под техническим
наблюдением Института Патона. Эти печи были
установлены в Швеции, Франции, Японии, США, многих
странах Восточной Европы.
Более того, некоторые инжиниринговые
фирмы на Западе быстро разбогатели на
производстве печей ЭШП. Есть и в Австрии, и в
Германии, и в Америке компании, которые стали как
бы последователями Института Патона в деле
развития ЭШП, строя электрошлаковые печи по
всему миру и разрабатывая новые технологии.
"Соревнования" же между нами и этими фирмами
в патентных судах – вообще отдельная история. Но
даже в годы "железного занавеса", благодаря
поддержке государства, нам удавалось выигрывать
такие суды, например, у англичан.
А часто были нарушения? Они вели себя
так только по отношению к советским ученым, или в
мире просто существовала подобная практика?
Л.М.: Нарушения возникали очень часто.
Такая уж практика существует в мире. Понимаете, в
технике очень сложно запатентовать что-либо
уникальное. Классический пример – патент
Зингера. Он запатентовал, что отверстие в иголке
для швейной машинки должно быть на ее конце. Это
обойти никак нельзя. И пока патент действовал, –
все платили Зингеру.
В нашем деле был классический случай с
фирмой "Консарк", которая сумела
запатентовать в США очень существенное
изобретение Института Патона. Эта американская
фирма воспользовался тем, что наши юристы тогда
не очень хорошо понимали особенности
патентования в Америке. Ведь система
европейского патентования (тогда – советского, а
ныне и украинского) несколько отличается от
американской. Американский патент может быть
составлен следующим образом. Сначала
описывается все, что вы хотите запатентовать, и
это может быть все то, что известно. Потом вы
добавляете один пункт того, что вы действительно
придумали, даже если это весьма незначительное
новшество. А дальше – все предыдущее становится
тоже вашей собственностью. В Европе же и в нашей
стране вы пишите все то, что известно, в т.н.
"доотличительной части", а то, что вы
изобрели, выделяете отдельно.
Эта особенность и позволила американцам
в данном случае запатентовать то, что было
создано в Киеве, и на двадцать лет отсечь нас от
американского рынка.
Получали ли наши ученые-изобретатели
какую-либо компенсацию в случае доказательства в
суде нарушения патентного права со стороны
западных фирм?
Л.М.: Компенсации приходили в страну, но
это уже не касается электрошлакового переплава
– это общая практика.
Патентное право, вообще-то говоря, не
совершенное сегодня. И тут есть две политики,
которые во всем мире имеют равное право на жизнь
и на сосуществование. Когда вы что-либо
патентуете, вы не можете написать только общие
слова. Вы должны описать конкретный пример
реализации. Тем самым вы в любом случае
раскрываете свою идею, и от момента публикации
заявки на изобретение до выдачи патента толковые
люди могут получить от вас толчок своей мысли и
придумать что-то еще.
Крупные фирмы, например, "Джеренал
Моторс", "Боинг" пытаются действовать
абсолютно легально. Если они начинают
разрабатывать что-то новое, то делают
подробнейший патентный поиск, если надо –
покупают патенты и пытаются запатентовать все,
чтобы никто никогда не мог подать на них в суд. А
люди очень любят судиться с крупными фирмами,
потому что этим фирмам легче заплатить, чем
вызвать подозрение, что использовано чужое.
Небольшим фирмам или, скажем, Академии
наук Украины, еще надо хорошо подумать, тратить
деньги (а только средняя стоимость оформления
европейского или американского патента сегодня
превышает $10 тыс.), либо лучше сделать что-то
первым, а остальные пусть потом догоняют. Это
сложный вопрос, и каждый решает его по-своему. Тем
не менее, патентные суды идут постоянно.
Возвратимся обратно. Для каких нужд
применялась продукция, произведенная в
электрошлаковых печах "Днепроспецстали" и
НКМЗ?
Л.М.: Тогда из этого металла производили,
прежде всего, подшипники и изделия всевозможного
военного назначения.
Какова дальнейшая судьба технологии
ЭШП?
Л.М.: В конце 70-х годов началась война в
Афганистане. А вместе с ней – и новый виток
"холодной войны".
И тут надо помнить, что политика Запада
еще со времен президента США Эйзенхауера
строилась по принципу: "С СССР не надо воевать,
надо заставить его вооружаться". И, как вся
страна, Институт Патона тоже был втянут эту
"гонку вооружения".
Это привело к тому, что мы пропустили
момент (в конце 70-х – начале 80-х годов), когда наши
коллеги на Западе начали заниматься применением
ЭШП для новых материалов. Прежде всего для
энергетики и двигателестроения.
Мы же были вынуждены заниматься военными
делами. Кстати, в том, что сегодня военно-морской
флот уже не Советского Союза, а России, самый
мощный в мире, есть заслуга и Института Патона.
Потому что благодаря разработкам института флот
получил такой электрошлаковый металл, которого и
сегодня еще американцы не имеют. Так, по стали для
подводных лодок США отстают примерно на 10-15 лет.
В СССР выпускали примерно 200 тыс.т
электрошлакового металла в год. Все эти цеха на
"Днепроспецстали", "Красном Октябре",
"Азовстали" и др. заводах назывались
электрометаллургическими. Туда не пускали
иностранцев, потому что их главная продукция –
металл для войны, для ВМФ, танков.
Когда упал "железный занавес" и
закончилась полная изоляция наших ученых от
источников информации, выяснилось, что за это
время произошел резкий скачок, который сегодня
называют постиндустриальным. И наши ученые в
начале 90-х годов, к своему удивлению, обнаружили,
что мы, считавшие себя впереди планеты всей, в
данном случае, по электрошлаковому переплаву,
отстали. Потому что были сосредоточены только на
военной тематике и пропустили то, что сделали
люди в мире.
Сколько стоит сама технология ЭШП?
Л.М.: В эту разработку были вложены
миллионы.
А они окупились?
Л.М.: Безусловно, окупились. Причем
многократно. Когда-то в Москве была издана книга
по экономике специальной электрометаллургии. В
этой книге была сделана попытка проследить
сквозной экономический эффект ЭШП не только на
металлургическом заводе, а в целом в
промышленности и народном хозяйстве за счет
повышения срока службы тех или иных изделий. И
если мне память не изменяет, в конце 70-х годов
экономический эффект в народном хозяйстве
составлял около 100-120 млн. руб. в год.
Какие мощности по производству
электрошлаковой стали существуют в Украине
сегодня?
Л.М.: На "Днепроспецстали" – цех
мощностью около 40 тыс.т в год, на "Азовстали"
– около 50 тыс.т. Но сегодня эти два наших детища
пребывают в "полусонном" состоянии.
И на сколько эти цеха загружены?
Л.М.: Ну точных цифр я не знаю, так как
теперь это уже не военная, а коммерческая тайна.
Но, по моим сведениям, на "Днепроспецстали"
цех загружен не более чем на 30% мощности, на
"Азовстали" – лишь на 15%.
В то же время, на Западе все цеха
электрошлакового переплава работают 24 часа в
сутки по 300-320 дней в году, т.е загружены на 100%.
Почему такая низкая загруженность
мощностей?
Л.М.: Я вам выскажу свою личную точку
зрения. Дело в том, что электрошлаковый переплав
– это та область металлургии, которая
ответственна за выпуск металла самого высокого
качества. Это и стали, и никелевые сплавы, и титан.
Сегодня же Украина находится под влиянием того,
что называется "глобализацией". Это значит,
что с Запада, имея в виду и Японию, и Китай, т.е. из
развитых стран на нашу территорию будет
переноситься и уже переносится центр тяжести
производства рядового металла, не требующего
высоких технологий и глубоких научных
разработок. Мы везде сейчас слышим и читаем, что
Украина торгует в основном не конечным
продуктом, а заготовкой – слябами, блюмами,
подкатом, чем угодно. Почему? Потому что,
во-первых, в целом культура металлургического
производства у нас осталась на уровне 80-х годов
за редким исключением. Во-вторых, наши научные
разработки отстают от западных разработок, и мы
не готовы ни технологически, ни с точки зрения
научного обеспечения к выпуску новой продукции.
А бесплатно никто не даст сюда ни новые
технологии, ни, тем более, разработки на будущее.
Я опасаюсь, что мы будем все больше и
больше отставать от металлургов Запада. Они
будут уходить вперед, все больше и больше будут
концентрироваться на выпуске того, что
называется сегодня красивым словом
"хай-тек".
Кроме того, существует такое понятие, как
"менеджмент". Вот в России есть Челябинский
меткомбинат. Там печи ЭШП все загружены, работают
24 часа в сутки, как на Западе. Более того, они еще и
вакуумные дуговые печи переоборудовали в печи
ЭШП. А у нас… Правда, кое-что меняется. Недавно мы
получили от "Днепроспецстали" запрос на
реконструкцию печей ЭШП. Так как на старых печах
расход электроэнергии примерно 1500 киловатт
часов на тонну, а на Западе давно 1100. В принципе
же, на основе наших разработок расход
электроэнергии может быть снижен даже до 800
кВт·ч/т.
О нашем отставании говорит и другой
пример: николаевские предприятия "Заря" и
"Машпроект" (ныне объединились) для
производства газовых турбин закупают металл в
Англии, потому что "Днепроспецсталь" не
может выплавить для них продукт нужного качества
из-за того, что у них старые печи и старые
технологии.
Сегодня мировое потребление
электрошлакового металла примерно 800 тыс.т в год
(раньше был миллион, потому что 200 тыс.т
производил СССР). По некоторым данным,
производство электрошлакового металла только за
10 лет в развитых странах выросло в 1,5 раза, т.е.,
грубо говоря, на 5% в год. И рост идет, прежде всего,
за счет никелевых и никелькобольтовых сплавов, а
также инструментальных сталей. Рынок очень
высококонкурентный, и у наших предприятий один
шанс – дать качество, и при относительно низкой
зарплате рабочих устроить некое соревнование
цен. Хотя мировой авторитет наших металлургов
очень высок, и нам не обязательно демпинговать.
Расскажите о сотрудничестве Института
Патона с Новокраматорским машзаводом.
Л.М.: В Краматорске был электрошлаковый
цех, созданный под нашим идейным руководством.
Работал, прежде всего, на войну и на изготовление
прокатных валков для черной металлургии.
Мы в последние годы создали у себя в
институте новые электрошлаковые технологии
именно для производства прокатных валков. НКМЗ
приобрел лицензию на эти разработки,
спроектировал и построил две новые уникальные
печи ЭШП.
Я этим очень горжусь, потому что это один
из редких ныне примеров реализации новых
разработок дома.
Сколько стоит одна электрошлаковая
печь?
Л. М.: Цена печи обычно рассчитываются
следующим образом. Например, если мощность
трансформатора 5 тыс. кВА, то это значит, что печь
стоит, грубо говоря, $5 млн. Если – 1000 кВА – $1 млн. и
т.д.
Оцените современное состояние
взаимодействия между отечественными
метпроизводителями и научными учреждениями.
Л.М.: Я глубоко убежден, что в металлургии,
да и в машиностроении, политика, а в конечном
счете, и экономика, прямо зависит от техники и
технологий. Поэтому металлурги должны всегда
думать о том, какой металл будет у потребителя
завтра, работать в этом направлении, готовить
себя к этому и подталкивать конструкторскую
мысль к тому, чтобы все время совершенствовалось
производство металла. Почему?
Недавно вышла книга "Фактор-4",
подготовленная рядом крупных ученых для т.н.
"римского клуба". В этой книге сделан вывод,
что удвоение богатства на Земле приводит к
увеличению расходования природных ресурсов в 4
раза. А металлургия – это очень затратная
область нашей с вами деятельности. В то же время
сталь – это основной конструкционный материал
сегодня. В мире производится (будем говорить по
готовому прокату) примерно 750-800 млн.т стали (и
столько же цемента). И если мы будем продолжать
тратить столько же ресурсов на производство, то
"проедим" будущее наших, если не детей, то
внуков.
Еще в советское время были две политики в
черной металлургии. Одна политика была такова –
поменьше брать у государства, выжимать все из
действующего оборудования и делать дешевую
сталь. А другие директора, в частности покойный
директор "Азовстали" Лепорский, всегда
работали с учеными, с потребителями с тем, чтобы
понять, какой металл нужен будет завтра. И
настраивали свой завод на производство металла
завтрашнего дня.
В 60-е годы "Азовсталь" производила
только сортовой прокат. Лепорский понял одним из
первых еще в конце 50-х – начале 60-х годов, что
необходимо производить во все больших объемах
лист. К нему уже привезли почти все те сортовые
станы, которые сегодня установлены в Кривом Роге.
Но он сумел, пользуясь своими личными контактами,
пробить решение строительства на заводе
толстолистового стана-3600. Потом построил
конвертерный цех. Поэтому, когда не стало опеки
Минчермета и Госплана, оказалось, что
"Азовсталь" – один из самых современных
заводов в Украине. Остальные заводы были в худшем
положении. Другое дело, что в последние годы
управление "Азовсталью" оказалось, видимо,
не столь эффективным, как, например, ММК им.
Ильича. Но это уже другая история.
Что же делают сегодня наши управленцы?
Один пример. Разумные люди в Донецком
политехническом институте еще в 1993 году
предлагали сделать на Енакиевском метзаводе цех
по производству жести на основе тонкослябовой
разливки. Это был бы шаг в будущее. Но, к
сожалению, понимания и финансовой поддержки они
так и не нашли.
Я не могу сказать, что нужно в приказном,
законодательном порядке заставить директора или
владельца завода отчислять процент на науку. Это
должно быть личное понимание каждого человека.
Ведь если не "кормить" сегодня ученых,
работающих в металлургии, рано или поздно
технологии все равно придется покупать на
Западе.
Тем не менее, не претендуя на роль
оракула, я хочу сказать, что качественный прорыв
в отечественной металлургии рано или поздно
произойдет. Ведь в нашей стране именно
металлургическая наука всегда была на высоком
уровне.
Электрошлаковая технология:
современное состояние и перспективы
Электрошлаковому переплаву подвергают
шарикоподшипниковые и инструментальные,
конструкционные и высокопрочные, нержавеющие и
жаростойкие стали; сплавы на железной, никелевой,
никелькобальтовой и железоникелькобальтовой
основе; медь и ее сплавы; электротехнические
стали и сплавы, в том числе железоалюминиевые, а
иногда также тугоплавкие и высокореакционные
металлы.
С момента появления электрошлакового
переплава – основы современной электрошлаковой
технологии – прошло уже более 45 лет.
В период становления специальной
электрометаллургии переплавляли только дорогие
стали и сплавы, а затем ЭШП стали использовать и в
производстве относительно дешевых средне- и
низколегированных сталей, а иногда и просто
углеродистых сталей.
Исторически сложилось так, что Украина,
где в Институте электросварки им. Е.О. Патона
собственно и был разработан способ
электрошлакового переплава, стала в бывшем СССР
ведущим регионом по использованию этого способа
в металлургической промышленности и
машиностроении. Именно в Украине были впервые
пущены в эксплуатацию самые крупные в мире цехи
электрошлакового переплава на заводах
"Днепроспецсталь" и "Азовсталь",
основная продукция которых потреблялась
оборонными отраслями промышленности Советского
Союза.
Разработки Института электросварки им.
Е.О. Патона НАН Украины в области электрошлаковых
технологий известны во всем мире. Это технологии
изготовления:
высокопрочных толстолистовых сталей ЭШП
для нужд ВМФ и танкостроения, артиллерийских
стволов и элементов различных корпусов;
объектов гражданского назначения
(сосудов высокого давления, корпусов запорной
арматуры АЭС, коленчатых валов, в том числе для
крупных судовых дизелей, бандажей цементных
печей, штампового инструмента,
металлургического инструмента, например калибры
к станам холодной прокатки труб; рабочих и
опорных валков горячей и холодной прокатки,
различных цапф и подцапфовых плит к крупным
сталеразливочным ковшам; литых заготовок станин
для тяжелых металлорежущих станков и прессов,
эксцентриковых валов, заготовок ведущих колес
промышленных тракторов и многое, многое другое).
К сожалению, после распада СССР
украинские мощности по ЭШП оказались
невостребованными. По нашим оценкам, только на
таких металлургических гигантах Украины, как МК
"Азовсталь" и МК "Днепроспецсталь",
существующие мощности печей ЭШП загружены не
более чем на 20-30%.
Однако это не означает, что в настоящее
время нет потребности в металле ЭШП, и эта
технология уже себя исчерпала. Ведь общий объем
производства электрошлакового металла в мире
составляет сегодня примерно 800000 т/год. Идет
постоянное совершенствование и технологий, и
оборудования. Определенный прогресс достигнут и
в нашей стране. В последнее время консорциумом
украинских ученых и индийских специалистов по
разработкам ИЭС им. Е.О. Патона создана новая печь
ЭШП со сменой расходуемых электродов. Эта печь
использует расходуемые электроды массой до 1,5 т и
предназначена для получения кузнечных слитков
массой до 10 т.
В Украине на Новокраматорском
машиностроительном заводе построены две
уникальные печи для наплавки валков прокатных
станов. Здесь используется последняя разработка
– электрошлаковая технология с раздельными
независимыми процессами плавления и
кристаллизации металла.
За рубежом появились новые агрегаты ЭШП,
которые полностью компьютеризированы, снабжены
совершенными системами управления.
Так, международная компания Haynes Int., Inc. –
объединенный производитель высококачественных
сплавов на основе никеля и кобальта – в рамках
программы фундаментальных исследований
микроскопических и макроскопических процессов,
происходящих при ЭШП, проводимых Специальным
консорциумом обработки материалов (SMPC),
разработала специальную программу управления
процессом ЭШП, которая может работать на
настольном компьютере.
В мире сегодня действуют камерные печи
ЭШП – процесс ведется в атмосфере, например,
азота под давлением до 40 атм. Так, фирма ALD Vacuum
Technology с отделениями в Германии и США предложила
конструкцию печи с защитной атмосферой под
давлением. Данная техника электрошлакового
переплава была успешно применена германской
фирмой для получения крупных (диаметром 1000 мм)
слитков из азотосодержащей стали (0,38%). Стойкость
подшипников из такой стали оказалась при
испытаниях в 80 раз больше расчетной; причем
подшипники не были доведены до разрушения.
В настоящее время в промышленности США
имеется более 30 печей ЭШП для выплавки
суперсплавов и высокофункциональных сплавов,
предназначенных для авиакосмической и других
отраслей промышленности. Для изготовления
компонентов двигателя самолета фирмой
"Дженерал Электрик" разработан и успешно
применяется так называемый процесс Оспрей (clean melt
spray forming – CMSF), основанный на распылении металла
ЭШП. Основные преимущества CMSF – повышение
качества изделия, сокращение его стоимости и
времени протекания процесса. Этот процесс
позволяет получать слитки различных размеров,
близкие по форме к готовому изделию, из
практически любых сплавов.
Одним из основных критериев для
технологического процесса переплава является
его производительность. В стандартном процессе
ЭШП производительность жестко связана с
электрическими параметрами плавки и размерами
требуемого слитка. На практике отношение
величины производительности процесса переплава
(кг/ч) к диаметру слитка близко к 1, а для
материалов, склонных к сегрегациям
(инструментальные стали, суперсплавы), это
значение составляет 0,65-0,80. Чем больше слиток, тем
меньше удельная производительность.
Необходимость в крупных слитках и желание
ускорить процесс переплава уже давно привели к
созданию целого ряда конструкций так называемых
Т-образных кристаллизаторов, в которых
переплавляемый электрод имеет гораздо большее
сечение, чем получаемый слиток. Но лишь недавно, с
применением токоведущего кристаллизатора, эта
идея была реализована в полной мере. Австрийская
фирма INTECO разработала установку и технологию,
которую назвала "быстрый ЭШП" – Electroslag Rapid
Remelting (ESRR). Используя эту технологию на своих
заводах, фирма Accaierie Valbruna S.p.a. (Италия) предложила
концепцию процесса непрерывного ЭШП. Процесс ESRR
обеспечивает значение соотношения
производительности и диаметра слитка в пределах
от 3 до 10. Эти значения были получены для слитков
диаметром от 100 до 160 мм, а также квадратных
слитков 140 и 200 мм. Разрабатывая свою концепцию
непрерывного ЭШП, авторы процесса ESRR полагают,
что выплавка может продолжаться 24 часа и более.
При таких условиях на одной установке можно
получить от 3000 до 7000 т, металла ЭШП в слитках
диаметром до 300 мм при умеренном снижении
стоимости.
Отметим, что токоведущие
кристаллизаторы были впервые разработаны в
Институте электросварки им. Е.О. Патона.
Кроме схемы наплавки жидким металлом,
существует и так называемая двухконтурная схема.
Украинскими учеными для американской фирмы
"Дженерал Электрик" был проведен комплекс
исследований по этой схеме, в результате которых
появилась возможность значительно ослабить
зависимость скорости плавления электрода от
подводимой мощности по сравнению с классической
схемой. При этом температурные условия процесса
могут регулироваться независимо от его
производительности. Это позволяет в более
широких пределах управлять объемом и формой
металлической ванны и тем самым влиять на
качество металла слитка, например, подавить так
называемую пятнистую ликвацию в крупных слитках
из суперсплавов на основе никеля.
В последнее время на Западном рынке
появилась нержавеющая арматура, которая
способна предотвращать бетон от скалывания и
растрескивания. Разрушение бетонных конструкций
происходит из-за разъедания ржавчиной
арматурного профиля. Окисленная арматура
увеличивает свой объем, что приводит к резкому
увеличению внутренних напряжений и затем к
разрушению. Нержавеющая арматура применяется
для морских, химических, нефтяных,
нефтехимических и других конструкций. Однако
изготовление арматурного профиля целиком из
нержавеющей стали очень дорогое удовольствие, и
поэтому такую арматуру делают биметаллической –
с сердечником из твердой углеродистой стали,
покрытой слоем нержавеющей, часто жаропрочной,
стали. Толщина такого покрытия составляет 0,8-1,0
мм.
В основном такую биметаллическую
арматуру получают с использованием различных
методов нанесения покрытий. Однако, по некоторым
оценкам, наиболее производительным является
метод электрошлаковой наплавки с последующей
прокаткой. Такая работа была выполнена в
Институте электросварки, и в настоящее время
проводится оценка применимости такой технологии
и качества полученной арматуры.
Многофункциональные способности
электрошлаковой технологии обеспечили
уникальные возможности для разработки на ее
основе различных методов утилизации скрапа
высоколегированных сталей и различных сплавов.
Так, например, электрошлаковая выплавка меди и ее
сплавов из стружки или другой легковесной шихты
оказывается выгодной из-за очень низких
безвозвратных потерь металла. Кроме того, в
некоторых случаях ЭШП обеспечивает повышение
механических и служебных свойств за счет
снижения содержания газов и вредных примесей,
структура отливки плотная до 8,92 г/см3 без
рыхлостей и пор. В результате повышения чистоты
снижается удельное электросопротивление меди.
Утилизации посредством электрошлакового
процесса могут быть подвергнуты также и печная
зола, асбест, катализаторы пищевой
промышленности, пыль электродуговых печей и пр.
Во Франции, согласно последним
инструкциям по работе с отходами, множество
отходов должно быть переработано, прежде чем они
могут быть захоронены. Стоимость таких
захоронений отходов устойчиво увеличивается в
Европе и изменяется от 300 до 600 $/т. Предложено
несколько процессов переработки отходов,
большинство из которых содержат существенные
количества SiO2, Al2O3, CaO и MgO. В настоящее время
ведутся работы по извлечению металлов из так
называемой стеклянной матрицы методами
электрошлакового восстановления. По мнению
специалистов французской фирмы SUNTECH,
электрошлаковый процесс, с экономической и
технической точки зрения, особенно хорошо
подходит для этого высокого температурного
процесса утилизации.
В заключение отметим, что металл ЭШП
по-прежнему незаменим в производстве деталей и
узлов для так называемых критических применений,
в особенности для энергетики. Наличие в Украине
значительных мощностей ЭШП и существенного
научно-технического потенциала позволит вывести
из кризиса эту важную подотрасль
металлургического производства.
Электрошлаковому переплаву подвергают
шарикоподшипниковые и инструментальные,
конструкционные и высокопрочные, нержавеющие и
жаростойкие стали; сплавы на железной, никелевой,
никелькобальтовой и железоникелькобальтовой
основе; медь и ее сплавы; электротехнические
стали и сплавы, в том числе железоалюминиевые, а
иногда также тугоплавкие и высокореакционные
металлы.
С момента появления электрошлакового
переплава – основы современной электрошлаковой
технологии – прошло уже более 45 лет.
В период становления специальной
электрометаллургии переплавляли только дорогие
стали и сплавы, а затем ЭШП стали использовать и в
производстве относительно дешевых средне- и
низколегированных сталей, а иногда и просто
углеродистых сталей.
Исторически сложилось так, что Украина,
где в Институте электросварки им. Е.О. Патона
собственно и был разработан способ
электрошлакового переплава, стала в бывшем СССР
ведущим регионом по использованию этого способа
в металлургической промышленности и
машиностроении. Именно в Украине были впервые
пущены в эксплуатацию самые крупные в мире цехи
электрошлакового переплава на заводах
"Днепроспецсталь" и "Азовсталь",
основная продукция которых потреблялась
оборонными отраслями промышленности Советского
Союза.
Разработки Института электросварки им.
Е.О. Патона НАН Украины в области электрошлаковых
технологий известны во всем мире. Это технологии
изготовления:
высокопрочных толстолистовых сталей ЭШП
для нужд ВМФ и танкостроения, артиллерийских
стволов и элементов различных корпусов;
объектов гражданского назначения
(сосудов высокого давления, корпусов запорной
арматуры АЭС, коленчатых валов, в том числе для
крупных судовых дизелей, бандажей цементных
печей, штампового инструмента,
металлургического инструмента, например калибры
к станам холодной прокатки труб; рабочих и
опорных валков горячей и холодной прокатки,
различных цапф и подцапфовых плит к крупным
сталеразливочным ковшам; литых заготовок станин
для тяжелых металлорежущих станков и прессов,
эксцентриковых валов, заготовок ведущих колес
промышленных тракторов и многое, многое другое).
К сожалению, после распада СССР
украинские мощности по ЭШП оказались
невостребованными. По нашим оценкам, только на
таких металлургических гигантах Украины, как МК
"Азовсталь" и МК "Днепроспецсталь",
существующие мощности печей ЭШП загружены не
более чем на 20-30%.
Однако это не означает, что в настоящее
время нет потребности в металле ЭШП, и эта
технология уже себя исчерпала. Ведь общий объем
производства электрошлакового металла в мире
составляет сегодня примерно 800000 т/год. Идет
постоянное совершенствование и технологий, и
оборудования. Определенный прогресс достигнут и
в нашей стране. В последнее время консорциумом
украинских ученых и индийских специалистов по
разработкам ИЭС им. Е.О. Патона создана новая печь
ЭШП со сменой расходуемых электродов. Эта печь
использует расходуемые электроды массой до 1,5 т и
предназначена для получения кузнечных слитков
массой до 10 т.
В Украине на Новокраматорском
машиностроительном заводе построены две
уникальные печи для наплавки валков прокатных
станов. Здесь используется последняя разработка
– электрошлаковая технология с раздельными
независимыми процессами плавления и
кристаллизации металла.
За рубежом появились новые агрегаты ЭШП,
которые полностью компьютеризированы, снабжены
совершенными системами управления.
Так, международная компания Haynes Int., Inc. –
объединенный производитель высококачественных
сплавов на основе никеля и кобальта – в рамках
программы фундаментальных исследований
микроскопических и макроскопических процессов,
происходящих при ЭШП, проводимых Специальным
консорциумом обработки материалов (SMPC),
разработала специальную программу управления
процессом ЭШП, которая может работать на
настольном компьютере.
В мире сегодня действуют камерные печи
ЭШП – процесс ведется в атмосфере, например,
азота под давлением до 40 атм. Так, фирма ALD Vacuum
Technology с отделениями в Германии и США предложила
конструкцию печи с защитной атмосферой под
давлением. Данная техника электрошлакового
переплава была успешно применена германской
фирмой для получения крупных (диаметром 1000 мм)
слитков из азотосодержащей стали (0,38%). Стойкость
подшипников из такой стали оказалась при
испытаниях в 80 раз больше расчетной; причем
подшипники не были доведены до разрушения.
В настоящее время в промышленности США
имеется более 30 печей ЭШП для выплавки
суперсплавов и высокофункциональных сплавов,
предназначенных для авиакосмической и других
отраслей промышленности. Для изготовления
компонентов двигателя самолета фирмой
"Дженерал Электрик" разработан и успешно
применяется так называемый процесс Оспрей (clean melt
spray forming – CMSF), основанный на распылении металла
ЭШП. Основные преимущества CMSF – повышение
качества изделия, сокращение его стоимости и
времени протекания процесса. Этот процесс
позволяет получать слитки различных размеров,
близкие по форме к готовому изделию, из
практически любых сплавов.
Одним из основных критериев для
технологического процесса переплава является
его производительность. В стандартном процессе
ЭШП производительность жестко связана с
электрическими параметрами плавки и размерами
требуемого слитка. На практике отношение
величины производительности процесса переплава
(кг/ч) к диаметру слитка близко к 1, а для
материалов, склонных к сегрегациям
(инструментальные стали, суперсплавы), это
значение составляет 0,65-0,80. Чем больше слиток, тем
меньше удельная производительность.
Необходимость в крупных слитках и желание
ускорить процесс переплава уже давно привели к
созданию целого ряда конструкций так называемых
Т-образных кристаллизаторов, в которых
переплавляемый электрод имеет гораздо большее
сечение, чем получаемый слиток. Но лишь недавно, с
применением токоведущего кристаллизатора, эта
идея была реализована в полной мере. Австрийская
фирма INTECO разработала установку и технологию,
которую назвала "быстрый ЭШП" – Electroslag Rapid
Remelting (ESRR). Используя эту технологию на своих
заводах, фирма Accaierie Valbruna S.p.a. (Италия) предложила
концепцию процесса непрерывного ЭШП. Процесс ESRR
обеспечивает значение соотношения
производительности и диаметра слитка в пределах
от 3 до 10. Эти значения были получены для слитков
диаметром от 100 до 160 мм, а также квадратных
слитков 140 и 200 мм. Разрабатывая свою концепцию
непрерывного ЭШП, авторы процесса ESRR полагают,
что выплавка может продолжаться 24 часа и более.
При таких условиях на одной установке можно
получить от 3000 до 7000 т, металла ЭШП в слитках
диаметром до 300 мм при умеренном снижении
стоимости.
Отметим, что токоведущие
кристаллизаторы были впервые разработаны в
Институте электросварки им. Е.О. Патона.
Кроме схемы наплавки жидким металлом,
существует и так называемая двухконтурная схема.
Украинскими учеными для американской фирмы
"Дженерал Электрик" был проведен комплекс
исследований по этой схеме, в результате которых
появилась возможность значительно ослабить
зависимость скорости плавления электрода от
подводимой мощности по сравнению с классической
схемой. При этом температурные условия процесса
могут регулироваться независимо от его
производительности. Это позволяет в более
широких пределах управлять объемом и формой
металлической ванны и тем самым влиять на
качество металла слитка, например, подавить так
называемую пятнистую ликвацию в крупных слитках
из суперсплавов на основе никеля.
В последнее время на Западном рынке
появилась нержавеющая арматура, которая
способна предотвращать бетон от скалывания и
растрескивания. Разрушение бетонных конструкций
происходит из-за разъедания ржавчиной
арматурного профиля. Окисленная арматура
увеличивает свой объем, что приводит к резкому
увеличению внутренних напряжений и затем к
разрушению. Нержавеющая арматура применяется
для морских, химических, нефтяных,
нефтехимических и других конструкций. Однако
изготовление арматурного профиля целиком из
нержавеющей стали очень дорогое удовольствие, и
поэтому такую арматуру делают биметаллической –
с сердечником из твердой углеродистой стали,
покрытой слоем нержавеющей, часто жаропрочной,
стали. Толщина такого покрытия составляет 0,8-1,0
мм.
В основном такую биметаллическую
арматуру получают с использованием различных
методов нанесения покрытий. Однако, по некоторым
оценкам, наиболее производительным является
метод электрошлаковой наплавки с последующей
прокаткой. Такая работа была выполнена в
Институте электросварки, и в настоящее время
проводится оценка применимости такой технологии
и качества полученной арматуры.
Многофункциональные способности
электрошлаковой технологии обеспечили
уникальные возможности для разработки на ее
основе различных методов утилизации скрапа
высоколегированных сталей и различных сплавов.
Так, например, электрошлаковая выплавка меди и ее
сплавов из стружки или другой легковесной шихты
оказывается выгодной из-за очень низких
безвозвратных потерь металла. Кроме того, в
некоторых случаях ЭШП обеспечивает повышение
механических и служебных свойств за счет
снижения содержания газов и вредных примесей,
структура отливки плотная до 8,92 г/см3 без
рыхлостей и пор. В результате повышения чистоты
снижается удельное электросопротивление меди.
Утилизации посредством электрошлакового
процесса могут быть подвергнуты также и печная
зола, асбест, катализаторы пищевой
промышленности, пыль электродуговых печей и пр.
Во Франции, согласно последним
инструкциям по работе с отходами, множество
отходов должно быть переработано, прежде чем они
могут быть захоронены. Стоимость таких
захоронений отходов устойчиво увеличивается в
Европе и изменяется от 300 до 600 $/т. Предложено
несколько процессов переработки отходов,
большинство из которых содержат существенные
количества SiO2, Al2O3, CaO и MgO. В настоящее время
ведутся работы по извлечению металлов из так
называемой стеклянной матрицы методами
электрошлакового восстановления. По мнению
специалистов французской фирмы SUNTECH,
электрошлаковый процесс, с экономической и
технической точки зрения, особенно хорошо
подходит для этого высокого температурного
процесса утилизации.
В заключение отметим, что металл ЭШП
по-прежнему незаменим в производстве деталей и
узлов для так называемых критических применений,
в особенности для энергетики. Наличие в Украине
значительных мощностей ЭШП и существенного
научно-технического потенциала позволит вывести
из кризиса эту важную подотрасль
металлургического производства.
Рис. 1 Центробежнолитые
электрошлаковые отливки запорной арматуры
Рис. 2 Коленчатый вал дизеля корабля,
изготовленный с использованием электрошлаковой
технологии
Рис. 3 Схема процесса ESRR (а), установка
(б) и полученный слиток ЭШП (в)
Рис. 4 Печь ЭШП со сменой расходуемых
электродов для выплавки 10-тонных кузнечных
слитков.
Рис. 5 Момент смены расходуемых
электродов в процессе ЭШП