УСТРОЙСТВО С ПРИЖИМОМ ДЛЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ НАПЛАВКИ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Полезная модель относится к электрошлаковой наплавке, конкретно к устройствам для производства биметаллических изделий, а также для восстановления и упрочнения изношенных поверхностей деталей машин, оборудования и инструмента.
Известна конструкция кристаллизатора для электрошлаковой наплавки с относительным перемещением кристаллизатора (см. патент РФ №2184159 МПК С22В 9/193; В23К 25/00, опубл. 27.06.2002). Кристаллизатор предназначен для наплавки цилиндрических поверхностей и состоит из трех водоохлаждаемых секций, верхняя из которых является токоподводящей. Средняя секция электрически изолирована от верхней и нижней и снабжена керамическим элементом, закрепленным на ее внутренней поверхности. Такая конструкция после соответствующей доработки может быть использована для электрошлаковой наплавки плоских поверхностей.
Недостатком конструкции является ее высокая сложность, необходимость наведения относительно глубокой шлаковой ванны, что приводит к увеличению затрат тепловой мощности, вводимой в нее для поддержания стабильного электрошлакового процесса. Кроме того, удаленность зоны наибольшего тепловыделения в шлаке от поверхности ванны расплавленного металла снижает его жидкотекучесть при высокой тепловой нагрузке на стенки секций кристаллизатора.
Известна также конструкция устройства для электрошлаковой наплавки (см. патент РФ №2093329 МПК В23К 25/00; B22D 23/10; С22В 9/18, опубл. 20.10.97), содержащая водоохлаждаемый кокиль, индуктор и охладитель. Особенностью устройства является прямой нагрев расплавленного присадочного материала и наплавляемого изделия под действием вихревых токов, что позволяет повысить жидкотекучесть расплавленного металла и обеспечить хорошее формирование наплавляемого слоя металла.
Недостатком данной конструкции является ее сложность и высокая энергозатратность, обусловленная наличием энергоемкого индуктора, что предопределяет использование дорогостоящего и крупногабаритного источника тока высокой частоты. Это снижает технологическую универсальность устройства.
В качестве прототипа выбрано устройство для электрошлаковой наплавки (см. патент РФ №82615 МПК В23К 25/00, опубл. 10.05.2009), содержащее водоохлаждаемый кристаллизатор и охладитель. Данное устройство состоит из двух частей, расположенных по высоте, имеющих внутреннюю полость и изолированных друг от друга диэлектрической прокладкой. Причем верхняя часть имеет электропроводную защитную футеровку в виде сплошного графитового кольца, а в нижней части со стороны внутренней полости кристаллизатора выполнен кольцевой паз, в котором расположен элемент из диэлектрического огнеупорного материала. Конструкция такого устройства обеспечивает прогрев зоны формирования наплавляемого металла теплом, выделяющимся в шлаке при протекании через него тока от токоподводящего графитового кольца.
Недостатком данной конструкции, является ее сложность, обусловленная наличием двух разъемных частей, а также повышенные требования к охлаждению кристаллизатора вследствие выделения тепла в шлаке в области, примыкающей к стенкам кристаллизатора по всему периметру внутренней полости. Сборная конструкция, испытывающая как нормальные к наплавляемой поверхности, так и касательные напряжения, приводит к затруднениям при реализации прижимного механизма.
Технический результат заключается в создании конструкции, обеспечивающей улучшение тепловых условий работы устройства, равномерный прижим к наплавляемому изделию, а также снижение трудоемкости изготовления устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве с прижимом для электрошлаковой наплавки плоских поверхностей, содержащим водоохлаждаемый кристаллизатор и охладитель, причем кристаллизатор имеет внутреннюю полость и электропроводную футеровку, элементы из диэлектрического огнеупорного материала и токоподводящий элемент, при этом на торцах кристаллизатора и охладителя, примыкающих к наплавляемому изделию, выполнены полости для выхода наплавленного металла, со стороны внутренней полости кристаллизатора выполнена проточка, в которой размещена электропроводная футеровка, выполненная в виде сектора графитового кольца, на боковой поверхности которого расположена диэлектрическая прокладка для изоляции от стенки кристаллизатора, а по торцам сектора расположены элементы из диэлектрического огнеупорного материала, при этом токоподводящий элемент присоединен к электропроводной футеровке посредством медного крепежа, причем водоохлаждаемый кристаллизатор оборудован прижимом, представляющим собой крепежную раму с жестко закрепленными на ней штифтами, которые расположены в отверстиях бобышек на концах установочных планок, закрепленных на кристаллизаторе, при этом сопряжение крепежной рамы и установочных планок осуществляется через пружины надетые на штифты.
Выполнение электропроводной футеровки в виде сектора графитового кольца позволяет при подводе к нему электрического тока обеспечить прогрев периферийного участка шлаковой ванны вблизи зоны формирования и сплавления наплавляемого металла с металлом основы, что приводит к увеличению жидкотекучести металлического расплава и повышению качества наплавленных изделий. При этом участки шлаковой ванны, удаленные от зоны перегрева, нагреваются существенно меньше, снижается тепловая нагрузка на стенки кристаллизатора, что способствует повышению его ресурса работы. Изоляция торцов токоподводящего элемента от кристаллизатора элементами из диэлектрического огнеупорного материала с толщиной порядка 15-20% от ширины наплавляемого слоя позволяет снизить ток шунтирования на кристаллизатор и исключить перегрев шлака на кромках токоподводящего элемента.
Цельный кристаллизатор, изготовленный методом литья с последующей механической обработкой, существенно упрощает конструкцию устройства при сохранении требуемых функциональных характеристик. Электропроводная футеровка выполнена сменной и легко фиксируется в проточке кристаллизатора элементами из диэлектрического огнеупорного материала. В нижней части внутренней полости кристаллизатора может располагаться огнеупорная клинообразная вставка, служащая для уменьшения объема ванны расплавленного металла.
Наличие прижимного механизма в конструкции устройства обусловлено необходимостью предотвратить протекание шлака и жидкого металла в зазор между кристаллизатором и наплавляемым изделием при их взаимном перемещении. Это особенно актуально при наплавке длинномерных изделий, когда затруднительно соблюсти параллельность нижнего торца кристаллизатора и наплавляемой поверхности, а также обеспечить их плотный контакт на всей протяженности наплавляемого участка.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых схематично изображено устройство с прижимом для электрошлаковой наплавки плоских поверхностей, где на фиг.1 показан вид устройства слева, на фиг.2 - вид сверху (прижим условно не показан), на фиг.3 - фотография макрошлифа наплавленного с использованием предлагаемого устройства слоя металла.
Устройство состоит из водоохлаждаемого кристаллизатора 1, охладителя 2 и прижима кристаллизатора к наплавляемому изделию.
Во внутренней полости кристаллизатора 1 имеется проточка, в которой расположена электропроводная футеровка 3 в виде сектора графитового кольца, фиксируемая элементами 4, изготовленными из диэлектрического огнеупорного материала, для крепления и изоляции электропроводной футеровки 3 от стенок кристаллизатора 1. Между боковой поверхностью электропроводной футеровкой 3 и стенкой кристаллизатора 1 размещена диэлектрическая прокладка 5. Кристаллизатор запитан электрическим током через токоподводящий элемент 6, который присоединен к электропроводной футеровке 3 посредством медного крепежного болта. Внутренняя полость кристаллизатора 1 у поверхности наплавляемого изделия переходит в полость 7, служащую для выхода наплавляемого металла и выполненную в нижней части кристаллизатора 1 и охладителя 2. В стенках кристаллизатора 1 выполнены охлаждающие каналы 8, расположенные со стороны полости 7 и стороны противоположной ей.
Прижим состоит из крепежной рамы 9, которая через изоляторы присоединена к наплавочному автомату, и двух установочных планок 10, на концах которых выполнены бобышки с цилиндрическими отверстиями под штифты 11, жестко закрепленные на крепежной раме 9. Между крепежной рамой 9 и установочными планками 10 на штифтах 11 расположены пружины 12.
Электрошлаковая наплавка с использованием предлагаемого устройства осуществляется следующим образом: в проточку в корпусе кристаллизатора 1 устанавливается диэлектрическая прокладка 5 и элементы 4 из диэлектрического огнеупорного материала, запрессовывается электропроводная футеровка 3. На верхнем торце кристаллизатора 1 жестко закрепляются установочные планки 10, штифты 11 крепежной рамы 9 с надетыми на них пружинами 12 вводятся в отверстия бобышек установочных планок 10 и фиксируются гайками, ограничивающими вертикальные перемещения кристаллизатора 1. Крепежная рама 9 закрепляется на наплавочном автомате. К электропроводной футеровке 3 медным болтом прикручивается токоподводящий элемент 6 к которому присоединяется клемма токоподводящего кабеля.
Вертикальным перемещением автомата устройство прижимают к поверхности изделия, предварительно поместив в полость 7 стартовую пластину. Кристаллизатор в результате скользящего контакта штифтов 11 в отверстиях установочных планок 10, преодолевая противодействие пружин 12, плотно прижимается к поверхности наплавляемого изделия, компенсируя погрешности его установки, что предотвращает протекание шлака в зазор между изделием и кристаллизатором во время его движения.
Наплавляемое изделие и кристаллизатор подключают к источнику тока и включают подвод охлаждающей жидкости, затем во внутреннюю полость кристаллизатора 1 заливают шлак до уровня его поверхности, составляющего 50-70% высоты электропроводной футеровки 3. Проходящий через шлак ток, обеспечивает выделение в нем тепловой энергии, затрачиваемой на плавление присадочного материала и на поддержание расплавленного металла в жидком состоянии. При этом наибольшее выделение тепла в шлаке происходит в непосредственной близости к зоне формирования слоя наплавляемого металла. Затем начинают подачу присадочного материала, при этом он может быть как электронейтральным, так и токоведущим. Выполнение охлаждающих каналов в стенках кристаллизатора 1, расположенных со стороны полости 7 для выхода наплавляемого металла и стороны противоположной ей, позволяет несколько уменьшить неравномерность температурного поля в шлаковой ванне внутри внутренней полости кристаллизатора 1 в наплавлении перпендикулярном направлению наплавки.
После формирования металлической ванны достаточной глубины начинают перемещение кристаллизатора, при котором жидкий металл поступает в полость для выхода наплавляемого металла и кристаллизуется под охладителем.
Пример.
Пример применения предлагаемого устройства реализован при электрошлаковой наплавке плоских изделий в горизонтальном положении. Осуществляли электрошлаковую наплавку слоя толщиной 4 мм на поверхность пластин размером 400×100 мм из стали Ст3 двумя электродными проволоками ПП-Нп-200Х12 ВФ диаметром 3,2 мм.
кр
кр
пp
кр
Наплавку с флюсом АН-22 вели на постоянном токе прямой полярности, используя жидкий старт процесса, путем заливки в полость кристаллизатора заранее приготовленного шлака. Глубина шлаковой ванны составляла 35 мм. Величина тока и напряжения на кристаллизаторе: I=250 А, U=40 В; на проволоках: I=200 А, U=30 В. Расход охлаждающей воды составлял 2-2,5 л/мин. Объем жидкого металла контролировали с помощью датчиков уровня металлической ванны, встроенных в нижнюю часть кристаллизатора. Температуру шлаковой ванны контролировали вольфрам-рениевыми термопарами с записью результатов на многоканальном потенциометре КСП-4. Контроль за температурой кристаллизатора осуществлялся путем замеров температуры охлаждающей жидкости на выходе из охлаждающих каналов.
Достаточный для поддержания металлической ванны в жидком состоянии уровень тепловыделения в шлаковой ванне, обусловленный действием токоподводящего элемента кристаллизатора, а также равномерное распределение температурного поля в осевом сечении шлаковой ванны перпендикулярном направлению наплавки, обеспечили равномерное проплавление наплавляемых пластин и качественное их сплавление с наплавляемым металлом. Это иллюстрируется фотографией макрошлифа наплавленного слоя металла, изображенной на фиг.3. При этом температура кристаллизатора не поднималась выше 80°С.
Таким образом, предлагаемое техническое решение, обеспечивая хорошее формирование наплавленного слоя и получение наплавленного металла без дефектов, позволяет снизить трудоемкость изготовления кристаллизатора, улучшить тепловые условия его работы, а также реализовать равномерный прижим кристаллизатора к наплавляемому изделию.