УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ НАПЛАВКИ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Полезная модель относится к электрошлаковой наплавке, конкретно к устройствам для производства биметаллических изделий и восстановления изношенных поверхностей деталей и оборудования.
Известна конструкция кристаллизатора для электрошлаковой наплавки с относительным перемещением кристаллизатора {см. патент №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 может быть использована для электрошлаковой наплавки плоских поверхностей. Но использование средней секции в этом случае усложняет конструкцию и приводит к необходимости наведения относительно глубокой шлаковой ванны и, соответственно, увеличению затрат тепловой мощности, вводимой в нее для поддержания стабильного электрошлакового процесса, что не экономично.
Известна конструкция кристаллизатора, описанная в способе электрошлаковой наплавки малогабаритных торцов (см. патент №2232669 МПК В23К 25/00; С22В 9/18, опубл. 20.07.2004), включающая водоохлаждаемые токоподводящую и формовочную секции, изолированные между собой прокладкой. Данная конструкция также может быть использована для электрошлаковой наплавки плоских поверхностей.
Недостатком конструкции при наплавки плоских поверхностей является удаленность зоны наибольшего тепловыделения в шлаке от поверхности ванны расплавленного металла и наличие шунтирования тока через шлак на поверхность формовочной секции, что снижает жидкотекучесть расплавленного металла. Этого можно избежать, уменьшив высоту
формовочной секции, но это приведет к необходимости поддержания уровня ванны расплавленного металла в узком диапазоне значений, что ухудшит тепловые условия работы формовочной секции.
Известна также конструкция устройства для горизонтальной электрошлаковой наплавки (см. Степанов, Б.В. Высокопроизводительные методы наплавки /Б.В.Степанов. - М.: Машиностроение, 1977. - 77 с.), содержащая водоохлаждаемый кокиль-кристаллизатор, в замкнутом объеме которого производится плавление флюса и электродных материалов. К стенке кокиля-кристаллизатора со стороны полости для выхода наплавленного металла примыкает водоохлаждаемый валок-кристаллизатор, который улучшает условия кристаллизации и обеспечивает получение слоя наплавленного металла определенной толщины.
Недостаток описанной конструкции заключается в интенсивном охлаждении валком-кристаллизатором зоны формирования наплавленного металла, что затрудняет наплавку тонких слоев (порядка 2-4 мм) и может приводить к несплавлению основного и наплавленного металла.
В качестве прототипа выбрано устройство для электрошлаковой наплавки (см. патент №2093329 МПК В23К 25/00; B22D 23/10; С22В 9/18, опубл. 20.10.97), содержащее водоохлаждаемый кокиль, индуктор и охладитель. В данном устройстве осуществляется 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. Суммарная электрическая мощность, потребляемая устройством, с учетом мощности дополнительно расходуемой на плавление присадочного материала, может достигать значительных величин. Наличие индуктора
приводит к необходимости питания устройства от источника тока высокой частоты, что снижает технологическую универсальность устройства.
Технический результат заключается в создании конструкции, обеспечивающей снижение трудоемкости ее изготовления, а также повышение эффективности использования потребляемой устройством мощности.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для электрошлаковой наплавки плоских поверхностей, содержащем водоохлаждаемый кристаллизатор и охладитель, водоохлаждаемый кристаллизатор, состоит из двух частей, расположенных по высоте, имеющих внутреннюю полость и изолированных друг от друга диэлектрической прокладкой, причем верхняя часть снабжена токоподводящим элементом в виде пластины и имеет электропроводную защитную футеровку в виде сплошного графитового кольца, в нижней части со стороны внутренней полости кристаллизатора выполнен кольцевой паз, в котором расположен элемент из диэлектрического огнеупорного материала, при этом на торцах нижней части кристаллизатора и охладителя, примыкающих к наплавляемому изделию, выполнены полости для выхода наплавленного металла.
При этом высота нижней части кристаллизатора определяется по формуле Н=kb, где Н - высота нижней части кристаллизатора, мм; k -коэффициент, определяющий расстояние от поверхности наплавляемого изделия до диэлектрической прокладки; b - толщина слоя наплавленного металла равная высоте полости для выхода наплавленного металла, мм.
При этом глубина кольцевого паза с установленным в нем диэлектрическим огнеупорным элементом определяется по формуле h=Н - b-f, где h - глубина кольцевого паза и толщина диэлектрического огнеупорного элемента, мм; Н - высота нижней части кристаллизатора, мм; b - толщина слоя наплавленного металла равная высоте полости для выхода наплавленного металла, мм; f - конструктивная величина, определяющая
минимальную и достаточную толщину перемычки в нижней части кристаллизатора между кольцевой проточкой и полостью для выхода наплавленного металла, мм.
Выполнение кристаллизатора из двух электрически изолированных частей, позволяет подвести электрический ток к кристаллизатору (который в прототипе назван кокилем) и получить в шлаке эффективный источник тепла, позволяющий осуществлять как плавление присадочного материала, так и поддержание расплавленного металла в жидком состоянии. Предлагаемая конструкция в сравнении с прототипом позволяет исключить индуктор и заменить генерируемую им энергию вихревых токов тепловой мощностью, выделяемой в шлаке при протекании в нем тока от верхней части кристаллизатора к изделию. Электропроводная защитная футеровка, выполненная в качестве сменного графитового кольца, позволяет защитить верхнюю часть кристаллизатора от электроэрозии.
Высота нижней части кристаллизатора определяется по формуле Н=kb. Коэффициент k определен экспериментально, исходя из условия создания зоны повышенного тепловыделения в шлаковой ванне в непосредственной близости к зоне формирования наплавляемого металла. В диапазоне толщин наплавляемого слоя b от 2 до 12 мм коэффициент k находится в пределах 3÷7, причем с уменьшением толщины наплавляемого слоя необходимо выбирать большее значение k и наоборот, с увеличением b выбирают меньшее значение k. Соблюдение указанного диапазона позволяет обеспечить повышение жидкотекучести расплавленного металла, качественное формирование наплавляемого слоя и гарантированную величину проплавления наплавляемого изделия.
Несоблюдение данного диапазона значений k и рекомендаций по его выбору может привести к следующим нежелательным последствиям. Во-первых, значительное удаление зоны повышенного тепловыделения в шлаке от зоны формирования наплавляемого металла может привести к неудовлетворительному формированию наплавленного металла и к
частичному несплавлению его с изделием, во-вторых, недопустимо близкое расположение верхней токоподводящей части кристаллизатора к поверхности наплавляемого изделия затруднит поддержание необходимого для формирования металла уровня металлической ванны и повысит вероятность аварийного режима работы кристаллизатора, сопровождающегося коротким замыканием жидкого металла на верхнюю часть кристаллизатора.
Наличие в конструкции диэлектрического элемента с толщиной, определяемой по формуле h=Н-b-f, обусловливает прохождение большей доли тока через шлак к поверхности жидкой металлической ванны с ограниченным шунтированием тока на нижнюю часть кристаллизатора. Доля тока шунтирования, проходящего через нижнюю часть кристаллизатора, зависит от уровня металлической ванны и в рабочем режиме функционирования кристаллизатора равна нулю. Данное техническое решение позволяет увеличить тепловыделение непосредственно у поверхности металлической ванны и в зоне формирования наплавляемого металла.
Конструктивная величина f принимается равной 6÷10 мм и подбирается исходя из максимально возможной близости нижней кромки диэлектрического огнеупорного элемента к наплавляемому изделию, при условии обеспечения достаточной величины теплоотвода от перемычки, располагающейся в нижней части кристаллизатора между кольцевой проточкой и полостью для выхода наплавленного металла, без ее перегрева и оплавления. Соблюдение величины f в указанном диапазоне значений и расчет на ее основе величины h приводит к тому, что после достижения необходимого уровня ванны расплавленного металла плотность тока в шлаке у ее поверхности повышается, что способствует увеличению тепловыделения в данной области шлаковой ванны.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематически изображено устройство для электрошлаковой наплавки
плоских поверхностей, где на фиг.1 показан вид сверху устройства, на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1.
Устройство состоит из водоохлаждаемого кристаллизатора, выполненного из верхней 1 и нижней 2 частей, разделенных диэлектрической прокладкой 3, и охладителя 4. Верхняя часть кристаллизатора по всей высоте внутренней полости защищена электропроводной футеровкой 5 в виде сплошного графитового кольца и снабжена токоподводящим элементом 6 в виде пластины, приваренной к свободной торцевой поверхности кристаллизатора со стороны охладителя 4. Нижняя часть кристаллизатора высотой, определяемой по формуле Н=kb, где b - толщина слоя наплавленного металла равная высоте полости для выхода наплавленного металла, мм; k - коэффициент, выбираемый из диапазона значений 3÷7, имеет внутреннюю полость, по форме и размерам поперечного сечения повторяющую полость, ограниченную футеровкой 5 верхней части 1 кристаллизатора, образуя общую внутреннюю полость 7 кристаллизатора. Со стороны внутренней полости в нижней части 2 кристаллизатора выполнен кольцевой паз, в котором расположен элемент 8 из диэлектрического огнеупорного материала высотой, определяемой по формуле h=Н-b-f, где Н - высота нижней части кристаллизатора, мм; b - толщина слоя наплавленного металла равная высоте полости для выхода наплавленного металла, мм; f - конструктивная величина, выбираемая из диапазона 6÷10 мм. Внутренняя полость 7 кристаллизатора у поверхности наплавляемого изделия переходит в полость 9 для выхода наплавляемого металла, выполненную в нижней части 2 кристаллизатора и охладителя 4. Система охлаждения 10 кристаллизатора реализована при помощи трубок и карманов, приваренных к боковым поверхностям верхней части кристаллизатора со стороны полости для выхода наплавляемого металла и стороны противоположной ей. Возможно выполнение охлаждающих каналов непосредственно в корпусе кристаллизатора.
Электрошлаковая наплавка с использованием предлагаемого устройства осуществляется следующим образом: рассчитывают необходимую высоту нижней части 2 кристаллизатора и глубину кольцевого паза, устанавливают в паз диэлектрический огнеупорный элемент 8 и производят сборку частей кристаллизатора, устанавливают устройство на поверхность изделия, поместив на него в полость для выхода наплавляемого металла пластину для осуществления старта наплавки, подключают кристаллизатор к источнику тока, затем во внутреннюю полость 7 кристаллизатора заливают шлак или наводят шлаковую ванну неплавящимся электродом непосредственно в ней, таким образом, чтобы верхний уровень шлаковой ванны перекрывал диэлектрическую прокладку 3 между частями кристаллизатора. Проходящий через шлак ток, обеспечивает выделение в нем тепловой энергии, затрачиваемой на плавление присадочного материала и на поддержание его в жидком состоянии. При этом конструктивные особенности кристаллизатора позволяют достичь преимущественного выделения тепла в шлаке в области формирования наплавляемого металла. Причем тепловая энергия выделяется на периферии шлаковой ванны, отличающейся интенсивным теплоотводом к стенкам кристаллизатора, что способствует выравниванию температурного поля в сечении шлаковой ванны перпендикулярном направлению наплавки, обеспечивая равномерное проплавления наплавляемого изделия. Включают подвод охлаждающей жидкости и начинают подачу присадочного материала. После формирования металлической ванны достаточной глубины начинают перемещение кристаллизатора, при котором жидкий металл поступает в полость для выхода наплавляемого металла и кристаллизуется под охладителем 4.
Пример.
Практический пример применения устройства реализован при электрошлаковой наплавке плоских изделий в горизонтальном положении. Осуществляли электрошлаковую наплавку слоя толщиной 3 мм на
поверхность пластин размером 300×150 мм из стали Ст3 двумя присадочными проволоками ПП-Нп-220Х26М6Н2 диаметром 3 мм.
Высота нижней части кристаллизатора Н составляла 18 мм, при этом коэффициент k принимался равным 6. Рассчитанные с учетом величины f равной 6 мм, глубина кольцевой проточки h и толщина элемента из огнеупорной керамики составляли 9 мм. Наплавку на флюсе АН-22 вели на постоянном токе прямой полярности, при этом применялся жидкий старт процесса, путем заливки в полость кристаллизатора заранее приготовленного шлака. Величина тока, протекающего через шлак, составляла I=250 А. При этом потребляемая устройством мощность не превышала 8 кВт. Объем жидкого металла контролировали с помощью датчиков уровня металлической ванны, встроенных в нижнюю часть кристаллизатора. Температуру шлаковой ванны контролировали вольфрам-рениевыми и вольфрам-молибденовыми термопарами с записью результатов на многоканальном потенциометре КСП-4.
Выделяющегося в шлаке тепла было достаточно для эффективного плавления присадочной проволоки и поддержания металлической ванны в жидком состоянии. При этом равномерное распределение температурного поля в осевом сечении шлаковой ванны перпендикулярном направлению наплавки обеспечило равномерное проплавление наплавляемых пластин и качественное их сплавление с наплавляемым металлом.
Таким образом, предлагаемое техническое решение при сравнительной простоте конструкции позволяет повысить эффективность использования потребляемой устройством мощности и снизить энергозатраты по сравнению с известным устройством.