Переплав високоякісних інструментальних сталей методом ешп

Ефект спостерігається як при значних, так і при невеликих  ступенях укову. Збереження  пластичності та ізотропних властивостей в менш реформованому металі являється резервом зниження трудоємкості виготовлення інструментів на машинобудівних підприємствах, так це дозволяє в більшості випадках відмовитись від складної операції перековки заготовок.

Таким чином, застосування електрошлакового переплаву для штампових сталей холодного та гарячого деформування забезпечую підвищення пластичності та в’язкості (конструктивної міцності), опір втомної пошкоджуваності та ізотропності механічних властивостей і як наслідок, збільшення надійності та терміну служби штампів.

Мета даної роботи - пристосування  електрошлакової технології, для  отримання виливок зі сталі ЗХ2В8Ф електрошлаковим методом. Для досягнення поставленого завдання необхідно вирішити основні задачі:

а) вивчити процеси, які проходять при переплаві сталі ЗХ2В8Ф;

б) вибір оптимального складу шлака;

в) вибір оптимальних технологічних операцій для даного процесу;

2 МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ

2.1 Схема установки ЕШП

Піч Р-951 (1959р.) стала базовою конструкцією для створення у нашій країні ряду електрошлакових печей.

Рисунок 2.1 - Схема печі Р-951 ; а- базова модель; б - модель для електрошлакової виливки зливків з заливкою метала через проміжний жолоб;  в - модель для електрошлакової виливки з полим графітовим електродом; 1-колона; 2- верхній візок; 3- привід верхнього візка; 4- нижній візок;5- привід нижнього візка; 6- візок піддона; 7- піддон; 8-кристалізатор; 9- кронштейн захвата кристалізатора; 10- електродотримач; 11- витратний електрод; 12-проміжний жолоб; 13- ковш з рідким металом; 14- полий електрод.

Передбачає реалізацію електрошлакового переплаву із зустрічним рухом кристалізатора та електроду: кристалізатор в процесі  плавки не рухомий, електрод по мірі оплавлення опускається до низу.

Особливістю установки є те, що механізм подачі електроду і підйому  кристалізатора монтується на спільній пустотілій колоні, а зливок знімається за допомогою візка піддона, що викочується  з під печі по рейкам. Таке конструктивне рішення дозволяє максимально знизити висоту установки, уніфікувати вузли візків, електродотримача і кристалізатора, їх приводи. Можливість відмовитись від заглиблення нижче рівня підлоги цеху, що значно покращує монтаж та обслуговування печі.

Для електрошлакової відливків  зливків установка Р-951 зазнає реконструкції  .

Розрізняють два варіанти, за якими  проводять відливку:

1. Піч обладнують новим кристалізатором  та проміжним жолобом для заливки  на поверхню шлакової ванни розплавленого металу (рисунок 2.1, б).В електродотримачі закріплюють виготовлений з цієї ж сталі, що розливається, витратний електрод. В процесі плавки електрод також підігріває шлакову ванну. Кристалізатор встановлюють ексцентрично електроду.

2. Попередньо розплавлений метал  заливають через отвір порожнистого  невитратного підігріваю чого електроду (рисунок 2.1, в). Такий електрод представляє собою металічну футеровану трубу з нагвинченим на її нижній кінець порожнистого графітового накопичення.

В обох випадках можливий як сухий, так  рідкий старт із заливкою попередньо розплавленого шлаку через ту ж приймальну воронку, через яку  заливається метал.

Піч Р-951 УШ

Установка Р-951 УШ (1973р.) є в наш  час одною з досконалих однофазних одноелектродних печей.

Піч призначена для отримання зразків діаметром 200, 230, 260, 300, 420 мм, а також еквівалентного прямокутного перерізу масою до 2000 кг.

Основою печі є колона 3, встановлена  на фундаменті 20.

Рисунок 2.2 - Схема печі Р-951 УШ

На колоні змонтовано два зразка: нижній 6 – для підйому та опускання  кристалізатора, верхній 12 – для  переміщення витрачає мого електроду. Маса верхнього візка і електроду  частково врівноважена контр вантажем, який розташований всередині колони. Піддон 18 нерухомо закріплено на власному візку 19, який може пересуватись по рейковому  шляху 21. Верхній і нижній візок  мають дві швидкості руху –  змінну та постійну (маршову) та обладнані  приводами 5, 11 від електродвигунів  постійного струму. Напруга на останні  поступає через клему коробки 4.

Джерело струму – пічний трансформатор 7 розташовано поблизу печі в окремому приміщенні і з’єднується з електродом і піддоном через шинопакети 8 та гнучкі струмопроводи 9, що виконані з порожнистого 19

кабелю, який охолоджується проточною водою. В системі використовується світлова та світлозвукова сигналізації нормальної та аварійної роботи установки.

Поблизу печі розташований напірний 1 та зливний 2 колектори системи  охолодження. Прилади електросистеми 10, що забезпечує роботу електродотримача, розташовується частково поза піччю, частково біля пульту управління. Газ який виділяється у процесі переплаву , відкачується у витяжну вентиляційну мережу через розтруб газовідводу 16. Переплав може проводитись у ручному чи автоматичному режимах.

Рідкий розплавлений флюс заливається  у кристалізатор 17 через воронку  піддона з тигель-ковша за допомогою  кантова теля. Припадочні матеріали  подаються у кристалізатор дозатором 15.

Для нормальної роботи кліщового захвату 13 і забезпечення електричного контакту 14 тиск повітря у мережі повинен  бути у межах 490...590 кН/м².

Піч може комплектуватися нерухомими кристалізаторами – виливницями. В  цьому випадку кристалізатори прижимаються до піддона з’ємними струбцинами , які прості у виготовленні і більш  надійні в роботі, ніж відкидні. Застосовуються піддони прямоточного, щільового типу та збірні.

Конструкція установки дозволяє вести  переплав у середовищі захисного  типу. Пристрій подачі газу встановлюється на верхній торець кристалізатора. Інертний газ подається з балона через газовий редуктор.

Для охолодження установки застосовується чиста технічна вода. Температура  води на виході не повинна перевищувати 30 С, а на виході – 55 С. Тиск води у  напірному колекторі повинен  дорівнювати 245...300 кН/м2. Витрата води на піч близько 80 м3/год.

Піч Р-951 УШ повинна розташовуватись  у закритому виробничому приміщенні у зоні, що обслуговується краном вантажопідйомністю не менше 49 кН.

 

2.2 Схема Т-подібного кристалізатора, що використовувався при швидкісному ЕШП

Головним в швидкісному  електрошлаковому переплаві є використання Т-подібного мідного кристалізатора квадратної форми. Він є головним відповідальним  за  якість переплавляємої заготовки, особливо у зв'язку з конкретними умовами кристалізації і теплопередачі.  При швидкісному переплаві кристалізатор , у зв'язку із зменшенням внутрішньої поверхні порівняно з традиційним ESR, вимагає додатковий насос підкачки для збільшення охолодження потоком води.

Процес ESRR використовує більший  розмір електрода для отримання заготовок невеликого розміру. Для цього використовують спеціальний кристалізатор Т-подібної форми. І нижня і верхня частина його частина виготовленна із міді з водоохолодженням для виконання постійної і рівномірної теплопередачі.

 

Рисунок 2.3 Т-подібний кристалізатор:

1-шлакова ванна, 2- ванна  рідкого металу, 3- застиглий злиток

При переплавці електроду, що опускається в перегріту шлакову ванну, новий злиток формується в охолоджуваній водою мідній формі. Тепло, необхідне для плавлення електрода, виділяється за допомогою електричного струм, який передається через рідкий перегрітий шлак, який  діє в якості омічного резистора. Краплі рідкого металу проходять черех шар шлаку та збираються у вузькій, нижній частині форми, де він затвердіває і безперервно формує новій злиток.

Перевагами використання Т-подібного кристалізатора:

• Можливість переплавляти електроди близького або навіть більшого розміру до переплавляємого злитка
• Не потрібні операції нагрівання, кування та шліфування 
• Покращується якість переплавленого металу

 

2.3 Вибір шлаку для ЕШП середньо вуглецевих легованих сталей

Шлаки при ЕШТ виконують  три основні функції: рафінуючу, тепловиділяючу (енергоутворюючу) і  теплопередаючу. Основні вимоги до шлаків визначаються цими функціями [4]. Як рафінуюче середовище шлак повинен мати достатню активність до видаляємих з металу домішок, таким чином розчиняти її чи зв'язувати яким-небудь іншим способом. Крім того, шлак повинен поглинати неметалічні включення, захищати метал від взаємодії з атмосферою печі, зокрема з киснем, не взаємодіяти з основним металом та легуючими елементами. В той же час компоненти не повинні забруднювати метал.

Для того щоб вибрати оптимальний  склад шлаку потрібно щоб він  відповідав деяким вимогам:

1.Оскільки CaF2 - шкідливий для здоров'я, то виберемо шлак в якому вміст CaF2 мінімальний або його зовсім немає.

2.Для утворення шлакових  композицій потрібно використовувати оксиди з дуже низькою упругістю парів, наприклад СаО, А12Оз  та MgO. Це слідує, що тиск парів оксидів пропорційний парціальному тиску кисню и шлаковик розплавах та їх підвищення  призводить до відповідного росту вмісту кисню в металі[5].

3.Зниження вмісту СаF2 призводить до зменшення випромінювальної можливості, що ще раз підтверджує доцільність використання шлаків з мінімальним вмістом фтористого кальцію.

4.Коефіцієнт лінійного  термічного розширення твердих  шлаків значно знижується при  зменшення вмісту СаF2.

Склад та температура деяких шлаків для ЕШП надані в таблиці 2.1 [2].

Таблиця 2.1 - Склад та температура плавлення шлаків для ЕШП

Марка шлака	Хімічний склад,%						Температура плавлення, С
	CaF2	Al2O3	CaO	SiO2	MgO	TiO2
АНФ-21	45-55	20-30	-	-	-	21-28	1220-1240
АНФ-28	40-55	-	25-35	20-25	-	-	1180-1200
АНФ-29	30-40	12-18	35-42	12-18	-	-	1230-1250
АНФ-30	45-55	25-35	10-15	<2	5-10	-	1320-1340
АНФ-32	37-45	20-25	24-30	5-9	2-6	-	1300-1320
АН-292	-	58-61	33-37	<2	4,7	-	1430-1450
АН-295	11-17	49-56	26-31	<2,5	<6	-	1400-1420

 

Для проведення плавок був  вибраний шлак АН-295, в хімічному  складі якого мала кількість фтористого кальцію та для його виплавки використовуються дешеві компоненти (глинозем, вапно  або вапняк).

 

2.4 Механічні властивості  сталі

Механічні випробування зразків корозійностійкої сталі проводились в спеціальній  лабораторії Фізико-технологічного інституту НАН України на установках Мікрат-4; УЕ-20; ЄНТ-5ПМ; ПМТ-3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

Вихідні дані :

• густина твердого металу – γ_тв=7,8 т/м³
• коефіцієнт лінійної усадки – k_л=1,02
• кратність рідкого шлаку К_шл.ж=0.02 (2 – 5% від маси зливка)
• густина рідкого шлаку – γ_шл.ж=2,8 т/м³
• кристалізатор Т-подібної форми 
• кількість електродів – n=1
• масова швидкість наплавлення злитка -
• квадратний злиток зі стороною a=160 мм

     - матеріал-3Х2В8Ф;

     - флюс-АНФ-295;

Таблиця 3.1 Хімічний склад сталі:

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	W	V	Cu
0.3 - 0.4	0.15 - 0.4	0.15 - 0.4	до   0.35	до   0.03	до   0.03	2.2 - 2.7	до   0.5	7.5 - 8.5	0.2 - 0.5	до   0.03

 

Таблиця 3.2 Хімічний склад та властивості шлаку:

Марка шлаку	Хімічний склад, %					Властивості
	Al2O3	CaO	Fe2O3	MgO	CaF2	γшл.ж, кг/м3
АН-295	50	30	0.4	5.0	15	2800	25