Технологические основы формообразования отливок электрошлаковым литьем

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В представленной работе рассмотрены технологические основы формообразования отливок электрошлаковым литьем. Приведены основные термины и определения, коротко описана сущность процесса. Бегло изучены особенности используемых форм и формообразования и качественные характеристики получаемых отливок.
Процесс ЭШП имеет более широкие возможности, чем вакуумные переплавы. Он может удовлетворить самые разнообразные потребности промышленности. Этому способствуют высокая гибкость и универсальность процесса. Универсальность процесса находит свое выражение в многообразии электрических схем и конструкций печей, а также в возможности использования оборудования для различных специальных целей.
Возможность управления процессом в относительно широком диапазоне параметров определяет его гибкость ...

Содержание
Введение 3
1 Основы электрошлакового литья 4
1.1 Сущность и область применения метода электрошлакового литья 4
1.2 Технологические основы формообразования отливок электрошлаковым литьем 6
Заключение 9
Список литературы 10

ВВЕДЕНИЕ
Традиционными методами выплавки и разливки стали не удается достичь очень глубокой очистки металла от примесей. В процессе плавки металл контактирует с огнеупорной футеровкой и атмосферой, что приводит к его загрязнению неметаллическими включениями и газами. Затвердевание слитков в изложницах приводит к получению ряда дефектов кристаллизационного и ликвационного характера.
Задача коренного улучшения качества легированных сталей и сплавов и придания им комплекса уникальных свойств была решена на основе создания принципиально новых способов их получения путм переплава с использованием электрической энергии и рафинирования (т.е. очистки от вредных примесей) в особых условиях.
Эти новые процессы получили общее название специальные процессы плавки или специальная металлургия. К ним отн осится и электрошлаковый переплав.
В нашей стране ежегодно производятся многие сотни тысяч тонн электрошлакового металла. Сортамент металла ЭШП охватывает сегодня практически все виды и классы сталей и сплавов, все виды проката, выпускаемые металлургической промышленностью. Здесь сортовой прокат и проволока, толстый и тонкий лист, трубы и кольца, бандажи и пр. Весьма широк ассортимент электрошлаковых поковок и штамповок. Все больше становится разновидностей отливок, в том числе и фасонных, получаемых из электрошлакового металла.
Электрошлаковому переплаву (ЭШП) подвергают шарикоподшипниковые и инструментальные, конструкционные и высокопрочные, нержавеющие и жаростойкие стали, сплавы на железной, никелевой, никелекобальтовой и железоникелекобальтовой основе, медь и ее сплавы, электротехнические стали и сплавы, в том числе железоалюминиевые. В последние годы переплавляют высокореакционные и даже тугоплавкие металлы.
Наряду с переплавным процессом, т. е. собственно ЭШП расходуемого электрода, развиваются и другие направления электрошлаковой технологии, т. е. технологии, использующей в качестве источника нагрева джоулево тепло, выделяемое в синтетическом шлаке при прохождении через него электрического тока.
Важным новым технологическим процессом является электрошлаковое литье (ЭШЛ) и прежде всего такие его виды, как фасонное и центробежное, основанные на заливке электрошлакового металла в стационарную или вращающуюся форму.
Развиваются электрошлаковые процессы, в которых расходуемые электроды используются лишь частично либо вовсе не применяются (электрошлаковая отливка, в том числе и порционная, электрошлаковая обработка, электро-шлаковый обогрев, электрошлаковое рафинирование, электрошлаковая подпитка и др.).
Одним из новых применений электрошлакового процесса является его использование при электропечной выплавке стали из металлизованных железных окатышей, электрошлаковой выплавке синтетического чугуна из продуктов прямого восстановления железа (окатышей, губчатого железа).
Так или иначе, как бы ни назывался тот или иной вариант электрошлаковой технологии, его конечным продуктом является металл, то ли в виде слитка или отливки, то ли в виде поковкиили штамповки. Во всех случаях этот продукт носит общее наименование – электрошлаковый металл.
 

Металлический неохлаждаемый токоподвод, торец которого погружен в шлак и расплавляется в нем, называется расходуемым электродом. Вторым токоподводом является поддон, на котором производится выплавка заготовки. По мере оплавления торца расходуемого электрода его подают в шлаковую ванну. Капли жидкого металла, образовавшиеся на торце, проходят через шлак, накапливаются под ним и создают жидкую металлическую ванну.Интенсивный теплоотвод от металлической ванны к охлаждаемым стенкам обеспечивает направленную кристаллизацию переплавленного метала, а непрерывное накопление металлических капель приводит к перемещению ванны жидкого металла вверх.Схема изготовления отливок электрошлаковым литьем представлена на REF _Ref400810968 \h Рис. 1. В кристаллизатор 6 заливают расплавленный шлак 4 (фторид кальция или смесь на его основе), обладающий высоким электросопротивлением. При пропускании тока через электрод 7 и затравку 1 выделяется значительное количество теплоты, и шлаковые ванна нагревается до 1700 оC, происходит оплавление электрода.Капли расплавленного металла проходят через расплавленный шлак и образуют под ним металлическую ванну 3. Она в водоохлаждаемой форме затвердевает последовательно, образуя плотную без усадочных дефектов отливку 2. Внутренняя полость образуется металлической вставкой 5. Расплавленный шлак способствует удалению кислорода, снижению содержания серы и неметаллических включений, поэтому получают отливки с высокими механическими и эксплуатационными свойствами.Направленная кристаллизация слитка обеспечивает получение плотной структуры литого металла. Способ ЭШП был изобретен и разработан в институте электросварки им. Е.О. Патона АН УССР в начале 50-х годов. Первые лабораторные слитки ЭШП были выплавлены в 1953 г., а в 1958 г. было налажено промышленное производство слитков ЭШП на заводе «Днепроспецсталь». Высокая технологическая гибкость процесса ЭШП и хорошее качество переплавляемого металла способствовали быстрому внедрению процесса ЭШП в практику отечественной металлургии и машиностроения. Быстро увеличивалась и масса наплавляемого слитка.Изготавливаются отливки ответственного назначения массой до 300 тонн: корпуса клапанов и задвижек атомных и тепловых электростанций, коленчатые валы судовых двигателей, корпуса сосудов сверхвысокого давления, ротора турбогенераторов.Таким образом, в ходе электрошлакового процесса в кристаллизаторе последовательно формируется заготовка заданной формы с направленной структурой. Именно такая структура обеспечивает уникальные свойства литого электрошлакового металла, сочетающего в себе прочность кованого (деформированного) металла и очень высокой пластичности и вязкости.Многочисленные исследования подтвердили этот факт [1]. В частности, используемые для изготовления корпусов энергетической арматуры малоуглеродистые легированные стали 20Х2М и 15Х2МФ в эдектрошлаковых отливках отличаются высокими показателями механических свойств в осевом, радиальном и тангенциальном напраалениях, в напраалении вдоль и поперек кристаллов, а также на границе их встречи [2].Промышленность методом ЭШЛ серийно изготавливала заготовки корпусов клапанов и задвижек массой до 2 т с патрубками под сварку с условным проходом диаметром от 80 до 400 мм из теплоустойчивой стали 15Х1М1Ф и нержавеющей стали 0Х18Н10Т [2].В связи с увеличением глубины добычи углеводородов резко возрос спрос на фланцевые задвижки, работающие при давлении до 70 МПа. Такие задвижки с условным проходом от 50 до 100 мм входят в комплект фонтанной арматуры, устанавливаемой на устье каждой скважины, а также используются для обустройства нефтяных и газоконденсатных промыслов.Испытания литой электрошлаковой стали 15Х2МФ на термическую и малоцикловую усталость установили, что она и по этим показателям не уступает деформированной стали обычной выплавки, а по такой важной характеристике, как стойкость против хрупких разрушений, заметно превосходит ее [3].Испытания среднеуглеродистой стали 40Х, которая может использоваться для изготовления корпусов задвижек фонтанной арматуры высокого давления, также показали, что в литом электрошлаковом виде она имеет более высокую стойкость против хрупкого разрушения, чем исходный прокат обычной выплавки [1].1.2 Технологические основы формообразования отливок электрошлаковым литьемТаким образом, суть процесса электрошлакового литья заключается в том, что приготовление расплава (плавка) совмещено по месту и времени с заполнением литейной формы: отливка последовательно наплавляется в форме [5].Первый этап состоит в получении стали в обычном сталеплавильном агрегате (дуговая электропечь, мартеновская печь, кислородный конвертер). Уже на этом этапе стараются получить сталь с возможно низким содержанием вредных примесей, газов и неметаллических включений.Второй этап состоит в изготовлении из выплавленной стали длинномерных заготовок – электродов для последующего переплава в установках ЭШП. Эти электроды (круглого, квадратного или прямоугольного сечения) отливают в специальные изложницы или используют заготовки, получаемые непрерывной разливкой стали на МНЛЗ. В некоторых случаях электроды получают путем прокатки обычных слитков квадратного или прямоугольного сечения.Литейная форма при ЭШЛ выполняет две функции: служит устройством и для приготовления расплава, и для формирования отливки. Это позволяет использовать преимущества процесса ЭШЛ для повышения качества металла отливок.При ЭШЛ качество отливок обусловлено особенностями формирования отливки. Перенос капель расплава с конца электрода через шлаковую ванну, интенсивное взаимодействие расплава со шлаком, последовательная и направленная кристаллизация расплава при высокой интенсивности охлаждения способствуют удалению из расплава неметаллических включений и растворенных газов, получению плотного однородного металла отливки.На кристаллическое строение отливки существенное влияние оказывает направление тепловых потоков: основное количество теплоты отводится в осевом направлении. Переносу теплоты в радиальном направлении препятствует тонкая корочка низкотеплопроводного шлака между отливкой и кристаллизатором.Основное количество теплоты подводится в верхнюю часть отливки расплавленным электродом, а высокий перегрев шлаковой ванны создает градиент температур в осевом направлении. В результате расплав кристаллизуется в осевом или радиально-осевом направлениях [4].Это способствует формированию в отливке столбчатых кристаллов и благодаря осевой или радиально-осевой их направленности – непрерывному питанию растущих кристаллов; в отливке исключаются усадочные дефекты, трещины, ликвационная неоднородность.Химический состав металла в отливке по основным элементам практически не изменяется по сравнению с металлом электрода, но содержание кислорода и азота снижается в 1,5-2 раза, понижается концентрация серы и уменьшается в 2–3 раза загрязненность металла неметаллическими включениями [4].