СПОСОБ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ ВЫПЛАВКИ ЗАГОТОВКИ КОРПУСА С ПАТРУБКОМ
METHOD ELECTROSLAG CASTING OF BILLET OF CASING WITH BRANCH PIPE

Изобретение относится к электрометаллургии и может быть использовано для выплавления фасонных заготовок, в частности корпусов фонтанной арматуры, с фланцами и патрубками.
Известен способ электрошлаковой выплавки заготовки корпуса с патрубком включающий переплав расходуемого электрода в шлаковой ванне с образованием металлической ванны, кристаллизующейся в заготовку, форма которой соответствует форме кристаллизатора, причем при заполнении шлаком 0,1-0,25 объема патрубка кристаллизатора его перегревают на 50-200°C, а при заполнении шлаком свыше 0,25 объема патрубка перегрев снижают на 40-60% и поддерживают температуру шлака неизменной до начала выхода шлака из патрубка, после чего температуру шлаковой ванны дополнительно понижают до температуры, соответствующей температуре при выплавке корпуса.
(SU 1462820, C22B 9/18, опубликовано 20.03.1997).
Наиболее близким по технической сущности является способ электрошлаковой выплавки заготовки корпус с патрубком, включающий переплав расходуемого электрода в шлаковой ванне с увеличением вводимой в нее мощности до 30% в процессе выплавки патрубка, причем в процессе выплавки патрубка в период уменьшения высоты шлаковой ванны до 0,8 ее высоты при выплавке корпуса мощность увеличивают на 1-5% за счет повышения напряжения, а в период уменьшения высоты шлаковой ванны от 0,7 до 0,5 упомянутой величины дальнейшее увеличение мощности производят за счет увеличения тока на 10-15% и дополнительного повышения напряженности на 3,5-5% по сравнению с величиной напряжения при выплавке корпуса.
(SU 1387461, C22B 9/18, опубликовано 27.01.1997).
Недостатком известных технических решений является низкое качество металла выплавляемого патрубка и зоны сопряжения патрубка с корпусом.
Задачей и техническим результатом изобретения является повышение качества металла выплавляемого патрубка и металла в зоне сопряжения патрубка с корпусом.
Технический результат достигается тем, что способ электрошлаковой выплавки заготовки корпуса с патрубком включает переплав расходуемого электрода в шлаковой ванне с увеличением вводимой в нее мощности во время выплавки патрубка, причем до начала времени выплавки патрубка кристаллизатор в зоне формирования патрубка дополнительно подогревают горячей водой, а с начала выплавки патрубка увеличивают вводимую электрическую мощность на 11-16%, которую с завершением выплавления патрубка плавно уменьшают на 28-35% до режима обогрева и поддерживают в течение 0,4-0,7 общего времени выплавления заготовки корпуса с патрубком, после чего плавно увеличивают до величины, обеспечивающей выплавление оставшейся части корпуса и поддерживают ее неизменной до начала вывода усадочной раковины перед завершением процесса выплавки.
Известно, что кристаллизация слитка при электрошлаковом переплаве характеризуется динамическим равновесием между теплом, вводимым в металлическую ванну, и теплом, отводимым в затвердевшую часть слитка и в стенки кристаллизатора.
Увеличение мощности, описываемое в известном способе, нарушает упомянутое динамическое равновесие и является причиной образования слоистой ликвации из-за периодического изменения скорости кристаллизации, влекущей за собой изменение состава слоев металла, закристаллизовавшихся с различными скоростями.
Кроме того, при резких изменениях температурных режимов плавки обычно наблюдается в зоне изменения скорости кристаллизации грубые кристаллизационные полосы, загрязненные цепочками сульфидов.
В зоне выплавления патрубка, ось которого расположена горизонтально, происходит уменьшение шлаковой и металлической ванн и одновременно появляется дополнительная зона охлаждения со стороны стенок кристаллизатора, формирующих патрубок, при этом подпитка зоны патрубка расплавляемым металлом расходуемого электрода осуществляется менее нагретым металлом из-за удаления его от подэлектродной зоны - места ввода тепла в расплав.
Все это приводит к различию в скорости кристаллизации металла в корпусе и патрубке, что вызывает внеосевую ликвацию - пятнистую ликвацию и ликвационные полосы в зоне сопряжения корпуса с патрубком.
Предложенное техническое решение значительно улучшает качество металла в выплавляемом патрубке и зоне сопряжения корпуса с патрубком.
Увеличение мощности в период выплавления осевой зоны патрубка сдвигает образование ликвационных зон в его осевую часть, где они удаляются при механической расточке полости в патрубке.
Уменьшение мощности до режима обогрева после выплавления патрубка позволяет вывести усадочную раковину из сопрягаемой зоны корпуса и патрубка, которая появляется вследствие разной глубины металлической ванны в корпусе и патрубке, кроме того, обогрев способствует выведению запутавшегося в жидком металле шлака из зоны патрубка и исключает образование мостов при усадке.
Обогрев зоны формирования патрубка горячей водой до начала его заполнения расплавом шлака и металла уменьшает отвод тепла из зоны выплавления патрубка и способствует уменьшению образованию гофр и шлаковых включений на поверхности выплавляемого патрубка.
Опытные плавки проводились на экспериментальной установке ЭШП в НПО ЦНИИТМАШ. Выплавляли корпус фонтанной арматуры массой 175 кг. В качестве расходуемого электрода для переплава в шлаковой ванне использовали непрерывно литую заготовку ϕ 100 мм из коррозионно-стойкой стали 04X13H4M. Заготовка корпуса фонтанной арматуры представлял собой цилиндр с двумя фланцами на концах, снабженный двумя патрубками под углом 90°, размещенными в середине корпуса на одной оси.
При осуществлении способа формировали вертикально размещенный корпус с фланцами и горизонтально размещенные патрубки. Процесс электрошлаковой выплавки начинали с выплавки нижнего фланца корпуса с рабочей величиной вводимой мощностью выплавки 133 кВт при токе 3,5 кА и напряжении 38,0 В от источника электрической энергии.
До начала времени выплавки горизонтально формируемых патрубков кристаллизатор в зоне формирования патрубков дополнительной подогревали горячей водой с температурой 90-95°C, циркулирующей в теплообменниках, размещенных на корпусе кристаллизатора.
С начала выплавки патрубка вводимую электрическую мощность увеличивали на 12,7% до 150 кВт при токе 4,0 кА и напряжении 37,5 В.
После завершения выплавления патрубков вводимую электрическую мощность плавно уменьшали на 32,8% до режима обогрева 100,8 кВт при токе 2,8 кА и напряжении 36,0 В и поддерживали этот режим в течении 22 минут, что составляет 0,48 времени выплавления заготовки, затем плавно увеличивали мощность на до рабочего значения 133 кВт при токе 3,5 кА и напряжении 38,0 В (увеличение на 30-35%), обеспечивающей выплавление оставшейся части корпуса, поддерживают ее неизменной до начала вывода усадочной раковины перед завершением процесса выплавки. Общее время выплавки заготовки корпуса с патрубками составило 45 минут.
Для исследования качества металла и химического состава из патрубка, а также корпуса в области его сопряжения с патрубком, вырезали осевые темплеты. Проведенный анализ показал однородность химического состава металла во всех исследованных областях заготовки корпуса с патрубком. Металл по всему сечению темплетов плотный, без рыхлот и пористости, а внеосевая, пятнистая и слоистая ликвации в зоне сопряжения корпуса с патрубком отсутствуют.