Специальная металлургия – шанс, использовав который, Украина может выйти на передовые позиции в технологическом соперничестве с ведущими странами мира.
технологиЧеский шанс
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ШАНС
Специальная металлургия – шанс,
использовав который, Украина может выйти на
передовые позиции в технологическом
соперничестве с ведущими странами мира.
Проблемы производства продукции черной
металлургии неразрывно связаны с проблемами ее
качества. Именно качество является залогом
высоких эксплуатационных свойств, надежности и
долговечности деталей машин, механизмов и
конструкций. И, конечно же, высокие показатели
качества металла должны сочетаться с разумными
экономическими показателями.
Сталеплавильное производство принято
называть в металлургии вторым переделом, который
подразделяется на две части.
Первая часть – получение (выплавка)
жидкого металла заданного химического состава.
Вторая часть (не менее, а иногда и более
сложная и ответственная) – разливка и
кристаллизация этого металла.
В настоящее время существует целый
арсенал технологий и оборудования, получивших
название "внепечная обработка жидкого
металла", обеспечивающих не только высокую
общую чистоту стали, но и требуемый допустимый
уровень содержания в ней вредных примесей.
Потребителю нужны поковки, отливки, лист,
прокат и другая металлопродукция с высокими
изотропными служебными свойствами. Поэтому
важно создать такие условия разливки и
кристаллизации жидкой стали, чтобы получить
качественный слиток, из которого в дальнейшем
должна быть изготовлена соответствующая
металлопродукция. Напомним о некоторых
особенностях кристаллизации и строения
стального слитка, его дефектах, способах и
тенденциях улучшения качества
кристаллизующегося металла. Кристаллизация
стали в чугунных изложницах происходит при
совокупном действии сложных гидродинамических,
теплофизических и физико-химических процессов,
происходящих во времени. Поэтому в
затвердевающем слитке формируются значительные
дефекты в виде структурной, физической и
химической неоднородности.
Структурная неоднородность
характеризуется наличием в слитке нескольких
зон: у поверхности слитка – зона мелких
разориентированных кристаллов, далее
наблюдается развитая зона столбчатых
кристаллов, в центральной части слитка находятся
крупные равноосные кристаллы и, наконец, зона
сравнительно небольших равноосных кристаллов в
донной части слитка.
Физическая неоднородность – это
усадочные раковины, трещины, рыхлость и другие
несплошности.
Химическая неоднородность
характеризуется развитой макро- и
микроликвацией серы, фосфора, углерода, водорода,
азота, кислорода и других элементов, входящих в
состав стали. Особенно опасно образование
ликватов, получившие название "усов",
которые при прокатке образуют протяженные
сульфидные строчки. Указанные дефекты
проявляются тем заметнее, чем больше сечение
слитка. В большей или меньшей мере указанные
дефекты обязательно присутствуют в любом слитке
и даже в том случае, когда в изложницу залита
сталь, подвергнутая самой тщательной внепечной
обработке. Упомянутые дефекты обуславливают
значительное снижение выхода годного металла.
Подавить развитие в стальном слитке
структурной, физической и химической
неоднородности невозможно, можно лишь уменьшить
степень их развития. С этой целью снижают
перегрев стали, вводят в сталь модификаторы,
микро- и макрохолодильники, обеспечивают
ультразвуковую и механическую вибрацию
кристаллизующегося металла, перемешивание его
различными способами, используют утепляющие
надставки и различные методы принудительного
обогрева головной части слитка и т.п. Конечно, в
ряде случаев использование как отдельных
приемов, так и их совокупности оказывается
достаточным для достижения определенного
качества металла. Однако обеспечить
кардинальное подавление всех видов
неоднородности стального слитка и значительно
увеличить выход годного металла все же не
удается.
Известно, что подлинной революцией в
сталеплавильном производстве стала непрерывная
разливка стали. Непрерывная разливка – основной
способ получения заготовок квадратного,
прямоугольного и круглого сечения для прокатки в
дальнейшем листа, рельсов, прутка, различных
профилей, труб и другой металлопродукции.
Для реализации тех или иных
технологических задач и обеспечения разливки
широкой номенклатуры заготовок созданы
различные установки, получившие название
"машины непрерывного литья заготовок"
(МНЛЗ). Сейчас в мире действуют сотни МНЛЗ
вертикального, криволинейного, радиального и
горизонтального типа, количество которых
непрерывно растет. Тенденции развития черной
металлургии на ближайшие годы свидетельствуют о
том, что получение стальных полуфабрикатов с
МНЛЗ на мини-заводах по объему и номенклатуре
будет увеличиваться.
Подводя итог краткого рассмотрения
технологий сталеплавильного производства можно
однозначно сказать, что металлурги добились
больших успехов в технологии получения
сравнительно чистой жидкой стали, что уже само по
себе позволило значительно поднять качество
сталей массового производства. Однако
специфические условия кристаллизации такой
стали в изложницах даже с применением различных
способов воздействия на жидкий металл и
непрерывная разливка еще не обеспечивают того
уровня структурной физической и химической
однородности слитка или заготовки, чтобы
получить из них металлопродукцию наивысшего
качества.
Специальная электрометаллургия –
достижение космического
качества металла
Названные задачи успешно решают
переплавные процессы, объединенные в одну
подотрасль, названную специальной
электрометаллургией (СЭМ).
СЭМ – это следующие переплавные
процессы:
вакуумно-дуговой и
вакуумно-индукционный переплавы (ВДП и ВИП);
электрошлаковая технология (ЭШТ),
включая электрошлаковый переплав,
электрошлаковую наплавку, электрошлаковое
литье, электрошлаковую тигельную плавку,
порционную электрошлаковую отливку,
электрошлаковый обогрев и электрошлаковую
подпитку слитков и другие разновидности этой
технологии;
плазменная плавка и рафинирование
металлов и сплавов с использованием
низкотемпературной плазмы (ПДП);
электронно-лучевая плавка для получения
слитков и литых заготовок (ЭЛП);
электронно-лучевое испарение
специальных сплавов в вакууме для получения
напыленных конденсированных защитных и
жаропрочных покрытий (ЭЛН).
Все процессы СЭМ предусматривают
переплав металла, полученного обычными
способами плавки. Источником тепловой энергии,
необходимой для плавления металла, при
вакуумно-дуговом переплаве является
электрическая дуга постоянного тока; при
электрошлаковом переплаве – жидкая ванна
электропроводного шлака, которая разогревается
при пропускании через шлак электрического тока;
при плазменно-дуговом переплаве –
низкотемпературная плазма; при
электронно-лучевом переплаве – электронный луч,
формируемый в глубоком вакууме.
Рафинирующей металл средой при
электрошлаковом переплаве является перегретый
жидкий шлак. Это дает возможность получать
металл с низким содержанием вредных примесей,
особенно серы и неметаллических включений. При
вакуумно-дуговом и электронно-лучевом переплаве
рафинирующей средой является вакуум, при
плазменно-дуговом – вакуум или активная газовая
атмосфера.
Плазменно-дуговой, вакуумно-дуговой и
электронно-лучевой переплавы позволяют
выплавлять металл с низким содержанием газов и
неметаллических включений, снизить в металле
содержание примесей цветных металлов.
Общим для всех переплавных процессов
является капельный характер плавления и
переноса электродного металла в охлаждаемый
кристаллизатор, где происходит и его медленная,
порционная, направленная кристаллизация. При
этом подвод тепла к кристаллизующемуся слитку
осуществляется только сверху, а отвод – в стенки
и вниз слитка. Именно это совмещение во времени
процессов плавления, рафинирования и
направленной кристаллизации металла
обеспечивает его высочайшее качество и именно
это отличает переплавные процессы от процессов
внепечной обработки жидкого металла с
последующей его разливкой и кристаллизацией в
изложницах или на МНЛЗ.
Промышленное применение вакуума в
металлургии как переплавных процессов, так и
внепечного рафинирования относится к 50-м годам
прошлого столетия. Основной задачей при
вакуумировании металла является уменьшение в
нем газов и особенно водорода, являющегося одним
из основных источников образования
флокенов-дефектов целого ряда марок
конструкционных сталей в полуфабрикатах больших
сечений (толстый лист, поковки и т.п.). Ранее
единственным средством борьбы с флокенами был
длительный, в течение десятков часов, отжиг
металла.
Вакуумирование позволяет исключить эту
технологическую операцию. Существует несколько
способов внепечного рафинирования: в ковше;
струйное рафинирование (при переливе из ковша в
ковш и из ковша в изложницу); порционное;
циркуляционное; вакуум-углеродное раскисление
(удаляется из стали одновременно с водородом и
углерод); совмещение с вакуумированием стали в
ковшах, продувка ее инертными газами и
порошковыми смесями и др.
Эффективность вакуумирования стали в
ковшах независимо от массы металла значительно
возрастает при перемешивании ее
электромагнитным полем или вдуваемым аргоном.
Для повышения качества вакуумирования металл
необходимо предварительно перегревать в
сталеплавильной печи или в ковше в процессе
вакуумирования, что снижает стойкость футеровки,
вызывает повышенный расход электроэнергии.
Технология электрошлакового
переплава родом из Украины
Одним из основных направлений СЭМ
является электрошлаковый переплав (ЭШП),
разработанный в пятидесятых годах прошлого
столетия в Институте им. Е.О. Патона НАН Украины.
Этот способ получил широкое мировое признание и
стал наиболее массовым переплавным процессом
получения слитков с высокой физической,
химической и структурной однородностью из
различных металлов и сплавов.
В послевоенные годы в Украине
применялась автоматическая электродуговая
сварка под флюсом для восстановления
разрушенных, различных по назначению, габаритам
и формам промышленных объектов в металлургии
(доменных печей, резервуаров и т.п.). Основой этих
технологий была идея Е.Патона, под руководством
которого в годы Великой Отечественной войны был
внесен огромный вклад в механизацию и
автоматизацию сварочных работ при серийном
производстве различного тяжелого вооружения.
Началом ЭШП послужили экспериментальные работы
по сварке в вертикальном положении кожухов
доменной печи, которые выполнялись
Г.Волошкевичем и Б.Патоном, а возглавлялись
Е.Патоном.
Идея применения сварочных источников
нагрева в металлургии принадлежит Б.Патону,
который совместно с Б.Медоваром в 1952г. в ИЭС им.
Е.О. Патона НАН Украины выплавили первый в мире
уникальный шестикилограммовый слиток из
аустенитной стали путем электрошлакового
переплава проволоки в качестве расходуемых
электродов в водоохлаждаемый кристаллизатор. С
этого времени начали проводиться всесторонние
исследования электрошлаковых процессов в
научных и учебных заведениях СССР. Таким образом,
родилась новая подотрасль в металлургии,
получившая в стенах ИЭС им. Е.О. Патона название
"специальная электрометаллургия" (СЭМ).
Первая промышленная печь
электрошлакового переплава была пущена в
Украине на электрометаллургическом заводе
"Днепроспецсталь" в 1958г. Именно украинские
специалисты всегда задавали основной тон в
разработке нового оборудования, изучении
процессов плавления, рафинирования и
кристаллизации металла, разработке новых
технологий на базе электрошлакового переплава.
Уже в середине 60-х годов на заводе
"Днепроспецсталь" был введен в эксплуатацию
крупнейший в мире специализированный цех ЭШП,
который постоянно модернизировался и
расширялся. В отдельные годы количество слитков
ЭШП, выплавляемых в этом цехе, значительно
превышало 100 тыс.т. Уникальный, не имеющий
аналогов в мире, цех ЭШП, оснащенный 20-тонными
листовыми печами ЭШП, был пущен в начале 80-х годов
на металлургическом комбинате "Азовсталь".
Этот перечень не будет полным, если не сказать
еще об одном крупном специализированном под
нужды машиностроительного завода цехе ЭШП,
пущенном на НКМЗ (Краматорск) и оснащенном
печами, позволяющими выплавлять слитки массой
10-13 т. В 1984г. в ИЭС им. Е.О. Патона на Опытном заводе
специальной электрометаллургии был пущен в
эксплуатацию цех, оснащенный электрошлаковыми
печами переплава расходуемых электродов в
круглый слиток, в т.ч. полый, и электрошлаковыми
печами кокильного и центробежного литья. В 80-е
годы объем стальных отливок методом
электрошлаковой технологии в этом цехе достигал
800,0 т в год. Возникло значительное количество
небольших участков с оборудованием для
процессов ЭШП на больших и малых
машиностроительных предприятиях Украины,
обеспечивающих нужды этих предприятий в слитках
и отливках, полученных разными методами, в т.ч.
путем переплава забракованных и отработавших
свой ресурс деталей и узлов.
Главное преимущество ЭШП по сравнению с
ВДП, ПДП, ЭЛП является простота и надежность
оборудования для реализации литья большой
номенклатуры слитков и изделий, высокая
универсальность и эффективность технологии.
Это способствовало его широкому и
быстрому распространению. По примеру Украины
были построены цехи ЭШП практически во всех
республиках СССР, в общей сложности
представляющие собой значительную мощность и
уникальность. В качестве примера можно сослаться
на цех ЭШПС с 35 печами Волгоградского завода
"Красный Октябрь".
В процессе ЭШП в результате
рафинирования активным шлаковым расплавом,
достигающим температуры до 2000оС, капли
переплавляемого металл-электрода очищаются от
вредных примесей, газов, неметаллических
включений, а последовательная снизу вверх
кристаллизация металла обуславливает
формирование плотной литой заготовки с высокой
химической и структурной однородностью.
Исследования показывают, что
электрошлаковый переплав позволяет снизить
содержание серы в металле в 1,5-2 раза по сравнению
с металлом, выплавленным традиционными
способами. Плотность металла после ЭШП
увеличивается. Причем электрошлаковый металл
намного плотнее обычного при значительно
меньшей степени деформации.
Электрошлаковому переплаву подвергают
инструментальные, конструкционные, низко- и
среднелегированные, высокопрочные стали,
высоколегированные, нержавеющие и жаропрочные
стали, сплавы на железной, никелевой,
никелькобальтовой основе, медь и ее сплавы,
высокореакционные металлы и сплавы на основе
интерметаллидов.
В тяжелом машиностроении ЭШП
применяется при изготовлении заготовок штампов,
цапф и подцапфовых плит к крупным
сталеразливочным ковшам, валков горячей и
холодной прокатки, бандажей цементных печей,
роликов, рольгангов и т. п.
Электрошлаковое литье позволяет
расширить сортамент заготовок, не требующих
значительной
механической обработки.
Одним из важных направлений в этой
технологии является электрошлаковое литье (ЭШЛ),
позволяющее в ряде случаев полностью отказаться
от ковки металла и объединить в литой заготовке
оптимальную форму, присущую отливке и высокое
качество кованого металла. При этом необходимое
качество отливки, отсутствие присущих обычному
литью дефектов, высокий уровень
физико-механических свойств, высокая чистота
металла по вредным примесям, газам и
неметаллическим включениям сочетаются с
чрезвычайно большим выходом годного,
достигающим 85-95%, и отсутствием брака в
заготовительном производстве. Поэтому
электрошлаковое литье следует рассматривать как
один из высокоэффективных и металлосберегающих
методов заготовительного производства,
позволяющих расширить сортамент заготовок и
другой продукции, не требующих значительной
механической обработки.
На основе электрошлакового переплава
возникли новые направления электрошлаковой
технологии, открывающие большие возможности в
совершенствовании металлургического и
литейного производства. К ним следует отнести
порционную электрошлаковую отливку (ПЭШО),
электрошлаковый обогрев и электрошлаковую
подпитку слитков и крупных отливок,
электрошлаковое кокильное (ЭКЛ) и центробежное
литье (ЦЭШЛ).
В Беларуси на ПО "БелАЗ" создано
промышленное производство крупномодульных
цементированных зубчатых колес из литых
заготовок, получаемых методом ЦЭШЛ. На этом же
объединении для производства планетарных
редукторов мотор-колес карьерных самосвалов
большой грузоподъемности (до 180 т) применяется
электрошлаковая технология.
Переход на металл ЦЭШЛ позволил
увеличить предел усталости зубьев по изгибу на 30%
и долговечность в 2 раза, а коэффициент
использования металла увеличился в три раза.
При электрошлаковом кокильном и
центробежном литье процессы плавки и
кристаллизации металла осуществляются
раздельно. Плавку ведут в тигле, футерованном
огнеупорными материалами с использованием
расходуемых или нерасходуемых графитированных
либо металлических водоохлаждаемых электродов.
Затем выплавленный в тигле электрошлаковым
способом металл вместе со шлаком заливают в
литейную форму. Это позволяет в качестве
расходуемого электрода использовать
отработавшие свой срок детали машин, режущий
инструмент, штампы, вставки пресс-форм машин
литья под давлением, стружку черных и цветных
металлов и практически перейти к безотходному
производству. Кроме того, плавка в тигле дает
возможность значительно снизить энергетические
затраты, так как исключаются потери тепла на
охлаждение плавильной емкости водой. Особенно
это эффективно, когда тигельная печь работает в
непрерывном режиме.
Два шага назад, один – вперед
Очень жаль, но на сегодняшний день не
используются производственные мощности и
достижения в технологии ЭШП в том объеме, какими
они были в 80-е годы прошлого столетия. Все же
вселяет надежду то обстоятельство, что в
настоящее время в связи с оживлением
промышленного производства в странах СНГ и в
Украине отмечается повышенный интерес и
увеличение заказов на металл, полученный
методами электрошлаковой технологии.
Так, на ОАО "Днепроспецсталь"
освоено производство сталей 1ХГН, 19ХГН ЭШП для СП
"ИВЕКО-Мотор Сич", а также экспортная
поставка этих сплавов в Италию. На новом
технологическом уровне решены задачи повышения
эксплуатационных свойств металла долотных
сталей. Снижена себестоимость и получен большой
экономический эффект при выплавке листовых
слитков массой до 13,0 т за счет использования
кассетных расходуемых электродов собственного
производства. В настоящее время на заводе
методом ЭШП производится около 60 марок
легированных сталей самого широкого назначения,
при этом около 25% из них реализуется на экспорт.
На заводе ведется значительная работа по
увеличению выхода годного металла и снижению
энергетических затрат на выплавку стали. Большой
экономический резерв ожидается в увеличении
доли повторного использования флюса с 10-15% до 40%, а
также в уменьшении количества флюса на плавку.
В последнее время наблюдается также
некоторое увеличение количества заказов на
специализированных участках ЭШП заводов
"Большевик" (Киев), ОЗ
Спецэлектрометаллургии ИЭС им. Е.О. Патона, НПО
"Заря" (Николаев), Черниговского завода
"Автодеталь" и др. Все более востребованными
становятся мобильные участки для
электрошлаковой тигельной плавки на заводе
"Стройдормаш" (Киев). Большая часть этих
заказов обусловлена необходимостью получения
высококачественного металла методом ЭШП и
необходимостью переплава отходов цветных
металлов, а также высоколегированных сталей и
сплавов.
На примере отечественных достижений в
области электрошлаковых технологий практически
все промышленно развитые страны мира признали
важность этих технологий для нужд ответственных
отраслей промышленности. В настоящее время это
подтверждается опытом ведущих металлургических
стран Европы и Америки. Известно, что в США,
Англии, Германии, Франции ЭШП как обязательный
технологический процесс предусматривается при
производстве жаропрочных сплавов для
авиационной и космической техники.
В ряде случаев электрошлаковому
переплаву подвергаются расходуемые электроды,
выплавленные в вакуумно-индукционных печах,
работающих на чистой шихте. Слитки ЭШП уже в
качестве электродов при необходимости могут
быть переплавлены в вакуумно-дуговых печах.
Значительные достижения в области ЭШП
имеются в Германии. Электрошлаковая технология
находит широкое применение в Китае. Современный
цех ЭШП построен в Тяньцзине для производства
уникальных коленчатых валов длиной до 3 м,
изготавливаемых по схеме ЭШП с приплавлением. На
пятом металлургическом заводе в Шанхае по
технологии ЭШП получают слитки массой до 300-350 т.
В последнее время в ИЭС им. Е.О. Патона
создан принципиально новый технологический
процесс ЭШП, где вместо традиционного
расходуемого электрода используется жидкий
металл в сочетании с токоведущим
кристаллизатором. Эта технология внедрена в
промышленное производство на НКМЗ для
производства композитных заготовок прокатных
валков массой до 20 т.
Существует много вариантов применения
материалов ЭШП, и очевидно, что не все
преимущества этого метода экономически выгодны,
так как не могут сами по себе обеспечить более
высокую рыночную цену конечного продукта. Однако
проведенные исследования учеными из Германии
показывают, что может быть достигнуто равенство
и даже некоторое снижение стоимости слитков ЭШП
по сравнению со слитками обычной стали.
Можно сказать, что возможности
электрошлаковых технологий практически не
ограничены. Специалисты находят все новые и
новые эффективные способы и методы применения
этого уникального процесса. Уместно привести
слова одного из основоположников ЭШП Б.Медовара
"Будущее за разновидностями электрошлаковых
технологий, использующих жидкий присадочный
металл".
В металлургии и машиностроении для
плавки и поверхностной обработки металлов
применяются плазменные источники тепла,
характеризующиеся такими особенностями: высокой
температурой и теплосодержанием газовых
потоков; чистотой плазменного факела и высокой
скоростью нагрева материалов; возможностью
создания в печи любой атмосферы (окислительной,
восстановительной, нейтральной), состоящей из
одного газа или смеси газов; возможностью работы
как при нормальном и повышенном давлении, так и в
вакууме, возможностью управления плазменными
струями с помощью магнитных полей. В плавильных
печах плазма является источником тепловой
энергии для расплавления металлов и перегрева
металлических и шлаковых расплавов. В качестве
плазмообразующего газа используют азот или
аргон. Выбор плазмообразующего газа зависит от
поставленной цели рафинирования металлического
расплава.
Плазменно-дуговая технология (ПДП),
осуществляемая по разработкам Института
электросварки им. Е.О. Патона, позволяет получать
в одной и той же печи слитки круглого,
квадратного или прямоугольного сечения, а при
оборудовании печи специальным устройством –
трубную заготовку, что важно для решения
проблемы производства тонкостенных титановых
труб. При ПДП отсутствует жесткая связь между
электрической мощностью, скоростью плавления
металла и скоростью его кристаллизации, что
позволяет регулировать скорость затвердевания в
достаточно широких пределах – от режимов зонной
плавки до скоростей, характерных для непрерывной
разливки металла. Плазменно-дуговая технология
позволяет получать плотную заготовку титана
непосредственно из титановой губки, без ее
прессования.
При ПДП плавление и кристаллизация
металла могут осуществляться при избыточном
давлении газа. Известно, что азот является
сильным аустенизатором железа, измельчает зерно,
увеличивает прочность стали и применяется как
заменитель никеля в нержавеющих сталях. При
традиционных методах плавки получить
качественные слитки из сталей с содержанием
азота выше равновесного практически невозможно.
ПДП обеспечивает получение плотных однородных
слитков с содержанием азота в стали значительно
превышающем предел его растворимости. Это дает
возможность снизить содержание никеля в
нержавеющих сталях и получить при этом
гомогенную аустенитную сталь.
Крупным достижением в развитии
плазменной металлургии, да и в технологии
металлов вообще, явилось создание в ИЭС им. Е.О.
Патона оборудования и технологии для
плазменно-индукционного получения крупных
ориентированных монокристаллов тугоплавких
металлов. Сочетание плазменного и индукционного
нагрева в секционном кристаллизаторе позволяет
удерживать ванну жидкого металла в
электромагнитном поле без контакта со стенками
кристаллизатора. Уже сейчас на существующем
лабораторном оборудовании получены
монокристаллы вольфрама и молибдена размерами
20х140х170 мм3, а в перспективе будут получены
монокристаллы вольфрама размером 20х 250х300 мм3.
Уникальность этого метода заключается в том, что
для него практически не существует каких-либо
ограничений как по размерам, так и по профилю
поперечного сечения (круг, квадрат, пластина,
труба и т.п.).
В мире много специализированных
научно-исследовательских институтов и
лабораторий, занимающихся выращиванием
монокристаллов, но никому не удалось даже
приблизиться к приведенным выше параметрам
монокристаллов тугоплавких металлов, выращенных
в Институте электросварки. Поэтому вполне
закономерно, что на поддержку этих работ
Научно-технологическим центром в Украине
выделен один из самых больших грантов.
Увеличение размеров монокристаллов
тугоплавких металлов имеет решающее влияние на
расширение масштабов их применения в технике.
Ориентированные монокристаллы из вольфрама и
молибдена, и особенно профилированные, могут
быть идеальной заготовкой для широкоформатного
проката из тугоплавких металлов, что
исключительно важно для развития новой техники.
В Украине электронно-лучевая плавка и
литье успешно применяются на трех промышленных
предприятиях (Приднепровский химический завод,
г. Днепродзержинск; фирма "Фико", г. Киев; НПО
"Машпроект", г. Николаев) и в двух институтах
НАН Украины (ИЭС Е.О. Патона и ФТИМС). Приближается
время окончания пуско-наладочных приготовлений
на двух электронно-лучевых печах,
предназначенных для выплавки титановых слитков
массой до 10 т в компании Antares (г. Киев).
В ближайшем будущем использование ЭЛП в
Украине наиболее перспективным представляется
при производстве циркония и титана.
В ИЭС им. Е.О. Патона разработана и
эксплуатируется на НПЦ "Титан" гамма
электронно-лучевых печей, которые могут работать
как с плавкой и подачей металла непосредственно
в кристаллизатор, так и с промежуточной емкостью.
Технология и оборудование ЭЛП обеспечивает
получение круглых и плоских слитков весом от 50 кг
до 5,0 т из титана и сплавов на его основе,
жаропрочных сплавов, тугоплавких и
высокореакционных металлов. Слитки широко
используются для производства полуфабрикатов в
США, Китае, России, Германии. Разработаны и
внедрены в производство технологии
электронно-лучевого оплавления поверхности
плоских и круглых слитков.
Металл, полученный электронно-лучевым
переплавом, характеризуется высоким уровнем
пластичности, механической прочности,
мелкокристаллической структурой, а также
физической, химической и структурной
однородностью.
В исследованиях и разработке
электронно-лучевой литейной технологии
украинские ученые заметно опередили
исследователей других развитых стран и имеют
уникальный опыт по плавке и литью в
электронно-лучевых установках не только
тугоплавких металлов (Mo, Nb, Zr, Ti) и сплавов на их
основе, но и жаропрочных никелевых и кобальтовых
сплавов, а также меди. При этом им удалось решить
задачу выплавки многокомпонентных сплавов с
получением достаточно больших объемов расплава
в гарнисажном тигле. Представляется, что эти
разработки могут быть базой для создания в
Украине уникальных технологий производства
литых изделий ответственного назначения и
организации их промышленного производства.
Электронно-лучевые технологии плавки и
испарения металла и керамики в вакууме
разработаны в ИЭС им. Е.О. Патона под научным
руководством Б.А. Мовчана с целью получения
защитных покрытий на лопатках турбин двигателей,
газотурбинных установок и компрессоров с
использованием кобальто-никелевых сплавов и
циркониевой керамики. Испаряя в вакууме эти
сплавы и конденсируя их на предварительно
нагретую поверхность лопаток турбин, получают
защитные и жаропрочные покрытия, работающие в
различной среде и в широком диапазоне
температур. Однослойные, многослойные
металлические и металлокерамические покрытия в
4-6 раз повышают эксплуатационную стойкость
лопаток. Электронно-лучевая технология
нанесения защитных покрытий внедрена в
промышленность и созданные мощности
обеспечивают выполнение заказов промышленных
предприятий Украины и стран СНГ.
Кадры для СЭМ
Еще в 1980г. на инженерно-физическом
факультете Национального технического
университета Украины "Киевский
политехнический институт" (ИФФ НТУУ "КПИ")
на кафедре "Физико-химические основы
технологии металлов" была начата подготовка
инженеров по специальной электрометаллургии.
Причем в СССР КПИ был единственным научным
центром по подготовке таких специалистов. Не
было аналогов этому и в мировой практике.
В учебном плане кафедрой, помимо
фундаментальных общеобразовательных дисциплин,
предусмотрены дисциплины по вопросам теории и
технологии процессов СЭМ, металловедению, литью,
автоматизации, электромагнитной обработке
металлов в жидком состоянии и при
кристаллизации, оборудованию, организации
производства, вопросам экономики СЭМ и др. В
учебном процессе на правах совместителей
активное участие принимают ведущие ученые ряда
академических институтов. Организовывается
практика студентов на передовых
металлургических комбинатах и заводах Украины, в
лабораториях академических институтов: ИЭС,
ФТИМС, ИФМ, ИПМ.
По ходатайству НТУУ "КПИ" и при
поддержке Министерства промышленной политики
Украины Министерство образования и науки
Украины открыло в 1996г. совершенно новую
специальность по подготовке бакалавров,
специалистов и магистров – "СПЕЦИАЛЬНАЯ
МЕТАЛЛУРГИЯ", которая объединяет технологии
внепечной обработки и специальной
электрометаллургии. Новая специальность была
утверждена Кабинетом Министров Украины, в связи
с чем и была разработана новая, трехуровневая
система подготовки студентов. Все студенты после
окончания обучения распределяются на работу по
запросам предприятий и научных учреждений.
Со времени первого выпуска в 1985г. и по
2002г. кафедрой подготовлено 449 инженеров
(специалистов) и 26 магистров, из них 77 получили
дипломы с отличием. Из общего числа выпускников
209 студентов после окончания 4-го курса получили
дипломы бакалавров. В настоящее время на кафедре
ведется подготовка по двум специализациям.
Десять выпускников защитили кандидатские
диссертации, один – докторскую. Ежегодно каждый
пятый-шестой выпускник кафедры поступает в
аспирантуру. Семь студентов являются лауреатами
конкурса НТУУ "КПИ" за дипломные и
магистерские работы. Обучение студентов ведется
в тесной связи с проведением фундаментальных,
поисковых, прикладных научных исследований и
опытно-конструкторских работ совместно с
учеными НАН Украины, со специалистами
металлургических и машиностроительных
предприятий Украины. В научной работе, несмотря
на экономические затруднения, активное участие
принимают студенты. Сотрудники кафедры
организовывают научные конференции и семинары.
Сейчас идет напряженная работа по подготовке к
проведению Международной научно-технической
конференции "Специальная металлургия: вчера,
сегодня, завтра".
Дмитрий Чернега, Михаил Жадкевич,
Алексей Богаченко, Николай
Волкотруб
Обессеривание металла в результате
ЭШП
| Марка стали | Содержание серы,% |
|
| До ЭШП | После ЭШП | |
|
Подшипниковая |
0,090 | 0,060 |
|
Конструкционная |
0,015 | 0,007 |
|
Инструментальная |
0,024 | 0,013 |
|
Теплостойкая |
0,017 | 0,010 |
|
Котельная |
0,021 | 0,009 |
Сравнительная плотность обычного и
электрошлакового металла в деформированном
состоянии
| Марка стали | Характеристика металла |
Плотность г/см3 | Степень деформации |
| Подшипниковая сталь ШХ15 |
Обычный | 7,824 | 19 |
| Электрошлаковый | 7,850 | 5 | |
| Теплостойкая сталь 2Х13 |
Обычный | 7,736 | 19 |
| Электрошлаковый | 7,809 | 6 | |
| Конструкционная сталь 1Х18Н9Т |
Обычный | 7,825 | 19 |
| Электрошлаковый | 7,921 | 6 |
Факторы, влияющие на стоимость
производства стали
| Факторы | Сталь, полученная обычным способом |
Сталь ЭШП |
| Стоимость ковки (Ко) на 1 т конечной продукции |
100% стоимости обычной нерафинированной стали на 1 т шихты |
80% обычной нерафинированной стали на 1 т шихты |
| Стоимость механо- и термообработки на 1 т конечной продукции |
200% стоимости обычной нерафинированной стали на 1 т шихты |
200% стоимости обычной нерафинированной стали на 1 т шихты |
| Вероятность брака (%) от общей стоимости производства |
Вдвое больше, чем в случае ЭШП |
—- |
Рис. 1 Схемы переплавных процессов
специальной электрометаллургии:
а — вакуумно-дуговой (ВДП);
б — электрошлаковый (ЭШП);
в — электронно-лучевой (ЭЛП);
г — плазменно-дуговой (ПДП);
1 — расходуемый электрод;
2 — шлаковая ванна;
3 — металлическая ванна;
4 — слиток;
5 — водоохлаждаемый кристаллизатор;
6 — водоохлаждаемый поддон;
7 — вакуумная камера;
8 — электронные пушки;
9 — механизм вытягивания слитка;
10 — плазмотроны.