Способ получения биметаллического слитка

 

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, конкретнее к производству биметалла с использованием электрошлаковой технологии. Технический результат изобретения заключается в обеспечении равномерности толщины и химического состава наплавленного слоя, повышении качества поверхности биметаллического слитка при сохранении высокого качества соединения слоев. Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения биметаллического слитка, включающем размещение в кристаллизаторе с зазором с одной из его стенок металлической заготовки, являющейся одним из слоев биметаллического слитка, установку расходуемого электрода в этом зазоре, наведение на поддоне в зазоре между стенкой кристаллизатора и металлической заготовкой шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием направленного слоя биметаллического слитка, согласно изобретению формирование наплавленного слоя ведут со скоростью, назначенной в соответствии с соотношением: V_ф. - 3,6(1-0,3Н1/Н2) 0,3 (1), где V_ф. - скорость формирования наплавленного слоя, кг/мин, Н1 - величина зазора между стенкой кристаллизатора и наплавляемой поверхностью заготовки, мм, Н2 - толщина заготовки, мм, а сопротивление шлаковой ванны (R) назначают в соответствии с соотношением: R = 2,5B2/B1 0,2 (2), где R - сопротивление шлаковой ванны, мом, B1 - ширина электрода, мм, B2 - ширина заготовки, мм.

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, конкретнее к производству биметалла с использованием электрошлаковой технологии. Основные требования, предъявляемые к биметаллу высокая прочность и гарантированная сплошность соединения слоев, равномерность глубины проплавления основного слоя по высоте и ширине слитка и связанная с этим равномерность толщины и стабильный химический состав наплавленного слоя, а также высокое качество поверхности наплавленного слоя.

Известен способ изготовления многослойной металлической заготовки с использованием электрошлаковой технологии. Способ включает размещение металлической заготовки в охлаждаемый кристаллизатор и переплав в пространство между заготовкой и охлаждаемыми стенками кристаллизатора расходуемых электродов. Оплавление заготовки регулируют путем изменения расхода воды, подаваемой в кристаллизатор [1] Способ обеспечивает высокое качество соединения слоев. Недостатком его является нестабильность электрошлакового процесса в различных точках наплавляемого слоя и связанные с этим неравномерность толщины наплавленного слоя по высоте слитка, а также высокая вероятность появления дефектов на поверхности наплавленного слоя, что снижает качество биметалла. Кроме того, изменение расхода воды на охлаждение стенок кристаллизатора при значительной толщине основы биметаллической заготовки практически не влияет на глубину проплавления основного слоя, но значительно увеличивает тепловые потери с водой и расход электроэнергии на электрошлаковый переплав.

Известен способ получения биметаллического слитка, состоящего из основного и плакирующего слоев, включающий размещение в кристаллизаторе с зазором с одной из его стенок металлической заготовки, являющейся одним из слоев биметаллического слитка, наведение на поддоне в зазоре между стенкой кристаллизатора и заготовкой шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием второго слоя биметаллического слитка [2] При этом технологические режимы электрошлакового процесса назначают без учета соотношения размеров слоев биметаллического слитка. Недостатком данного способа, принятого нами за прототип, является неравномерная глубина проплавления основного слоя как по высоте, так и по ширине слитка, что приводит к неравномерной толщине наплавленного слоя, а также при большом проплавлении к сильному разбавлению наплавляемой стали сталью основного слоя. Кроме того, из-за неравномерного охлаждающего воздействия заготовки основного слоя на ход электрошлакового процесса в некоторых участках на поверхности наплавленного слоя возможно образование гофр и других дефектов.

Технический результат изобретения обеспечение равномерности толщины и химического состава наплавленного слоя, повышение качества поверхности биметаллического слитка при сохранении высокого качества соединения слоев.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения биметаллического слитка, включающем размещение в кристаллизаторе с зазором с одной из его стенок металлической заготовки, являющейся одним из слоев биметаллического слитка, установку расходуемого электродов в этом зазоре, наведение на поддоне в зазоре между стенкой кристаллизатора и металлической заготовкой шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием наплавленного слоя биметаллического слитка, согласно изобретению формирование наплавленного слоя ведут со скоростью, назначенной в соответствии с соотношением: V_ф. 3,6(1-0,3Н1/Н2) 0,3 (1), где V_ф.- скорость формирования наплавленного слоя, кг/мин, Н1 величина зазора между стенкой кристаллизатора и наплавляемой поверхностью заготовки, мм, Н2 толщина заготовки, мм, а сопротивление шлаковой ванны (R) назначают в соответствии с соотношением: R 2,5B2/B1 0,2 (2), где R сопротивление шлаковой ванны, мОм, B1 ширина электрода, мм, B2 ширина заготовки, мм.

Суть предложения заключается в следующем. Для обеспечения равномерной толщины и химического состава наплавленного слоя при сохранении высокого качества соединения слоев необходимо поддерживать глубину проплавления основного слоя в интервале не менее 5 и не более 25 мм. Предлагается глубину проплавления заготовки, установленной в кристаллизаторе, регулировать путем назначения технологических режимов электрошлакового переплава в зависимости от соотношения размеров слоев биметаллического слитка. Основными параметрами электрошлакового переплава, определяющими глубину проплавления заготовки основного слоя, является массовая скорость формирования наплавленного слоя и сопротивление шлаковой ванны. При значениях сопротивления шлаковой ванны в интервале от 2,5хВ2/В1-0,2 до 2,5хВ2/В1+0,2 мОм влияние скорости формирования наплавленного слоя на глубину проплавления основного слоя определяется охлаждающим воздействием заготовки основного слоя, которое, в свою очередь, зависит от отношения величины зазора между стенкой кристаллизатора и наплавляемой поверхностью к толщине заготовки основного слоя (Н1/Н2). Для обеспечения глубины проплавления основного слоя на уровне 5-25 мм массовую скорость формирования наплавленного слоя следует назначать по уравнению (1). Обычно на практике отношение Н1/Н2 составляет 0,05-1. При максимальном значении Н1/Н2= 1 охлаждающее воздействие заготовки основного слоя минимально и для ограничения ее разогрева, а следовательно, для уменьшения глубины проплавления в этом случае требуется пониженные скорости формирования наплавленного слоя около 2,5 кг/мин. При уменьшении отношения Н1/Н2 охлаждающее действие заготовки основного слоя возрастает, что при неизменном режиме электрошлакового переплава привело бы к уменьшению глубины проплавления основы. Для обеспечения значений глубины проплавления в заданном диапазоне - 5-25 мм при малом зазоре требуются более высокие скорости формирования наплавленного слоя в соответствии с соотношением (1).

Сопротивление шлаковой ванны влияет на среднее значение глубины проплавления, на ее распределение по ширине заготовки основного слоя и на качество поверхности наплавленного слоя. При этом, чем ниже значение сопротивления, тем выше качество поверхности наплавленного слоя. Однако при уменьшении ширины электрода (В1) по отношению к ширине заготовки (В2) уменьшение сопротивления приводит к увеличению проплавления в центральных участках заготовки по сравнению с ее кромками. Поэтому при увеличении отношения В2/В1 для обеспечения равномерной глубины проплавления по ширине заготовки основного слоя сопротивление следует повышать в соответствии с уравнением (2).

При значениях массовой скорости формирования наплавленного слоя ниже вычисленных по формуле (1) глубина проплавления основного слоя будет недостаточна для образования качественного соединения слоев. При значениях скорости формирования наплавленного слоя выше вычисленных по формуле (1) из-за большой глубины проплавления произойдет сильное разбавление наплавленного слоя сталью основного слоя. При этом химический состав наплавненного слоя не будет соответствовать предъявляемым к нему техническим требованиям.

При значениях сопротивления шлакововой ванны ниже вычисленных по формуле (2) возможно несплавление слоев, особенно по кромкам биметаллического слитка. Кроме того, при низких значениях сопротивления возрастает неравномерность толщины наплавленного слоя. При значениях сопротивления выше вычисленных по формуле (2) из-за увеличения глубины проплавления возможно получение наплавленного слоя, не соответствующего по химическому составу техническим требованиям. Кроме того, при повышении значений сопротивления особенно выше 3,5 мОм заметно снижается качество поверхности наплавленного слоя.

Пример. Наплавку вели на печи ЭШГ-10Г в кристаллизаторе сечением 650х650 мм. В кристаллизаторе устанавливали заготовку из стали 10 сечением 650х470 мм (Н2=470 мм, В2=650 мм) с зазором от стенки кристаллизатора 140 мм (Н1). В зазор вводили расходуемый электрод из стали типа 08Х18Н10Т в виде пластины сечением 50х550 мм (В1=550 мм). В заплавляемый зазор засыпали флюс. После расплавления флюса начинали сплавление электрода с формированием наплавленного слоя с различными скоростями при различных значениях сопротивления шлаковой ванны:
вариант 1 (прототип) формирование наплавленного слоя со скоростью 4,2 кг/мин, что соответствует средней скорости формирования монометаллического слитка при обычном электрошлаковом переплаве и превышает максимальное значение, рассчитанное по соотношению (1) для данных значений Н1 и Н2 3,6 кг/мин, при этом сопротивление шлаковой ванны составляло 3,7 мОм, что также выше максимального значения сопротивления, рассчитанного по соотношению (2) для данных значений В1 и В2 3,2 мОм,
вариант 2 формирование наплавленного слоя со скоростью 3,3 кг/мин, что соответствует значению скорости, рассчитанному по соотношению (1) для указанных выше значений Н1 и Н2, сопротивление шлаковой ванны 2,9 мОм, что соответствует значению, рассчитанному по соотношению (2) для указанных значений ширины электрода и заготовки,
вариант 3 формирование наплавленного слоя со скоростью 2,9 кг\мин, что ниже минимального значения, рассчитанного по соотношению (1) 3,0 кг/мин, сопротивление шлаковой ванны при этом составляло 2,5 мОм, то есть ниже минимального значения, рассчитанного по соотношению (2) 2,7 мОм.

По каждому варианту было наплавлено не менее 10 слитков. При наплавке по варианту 1 получена глубина проплавления основного слоя на уровне 60 мм, что привело к сильному разбавлению коррозионностойкой стали: содержание хрома при наплавке снизилось в средней с 18 до 13% содержание никеля с 10 до 7 При этом на поверхности наплавленного слоя образовались гофры, потребовавшие значительной зачистки слитка.

При наплавке по варианту 2 глубина проплавления основного слоя составила около 10 мм. При этом была обеспечена равномерная толщина наплавленного слоя
около 150 мм, а содержание основных легирующих элементов в коррозионностойкой стали сохранилось в пределах требований ГОСТ 5632-72. На поверхности наплавленного слоя отсутствовали гофры и другие наплавочные дефекты. Зачистка слитка не потребовалась.

Для обоих вариантов наплавки получено высокое качество соединения слоев. Ультразвуковой контроль показал отсутствие несплошностей. При этом прочность сцепления слоев (сопротивление срезу) получилась на уровне 400-450 Н/мм кв.

При наплавке по варианту 3 из-за недостаточной глубины проплавления основного слоя имели место несплошности, выявляемые ультразвуковым контролем, особенно в крайних по ширине заготовки участках. Сопротивление срезу при этом составляло 130-230 Н/мм кв. что существенно ниже, чем для вариантов 1 и 2.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что положительный эффект, заключающийся в обеспечении равномерности толщины и химического состава наплавленного слоя, повышении качества поверхности при сохранении высокого качества соединения слоев, достигается при соответствии параметров наплавки формуле изобретения, что подтверждает ее правильность.

Формула изобретения

Способ получения биметаллического слитка, включающий размещение в кристаллизаторе с зазором от одной из его стенок металлической заготовки, являющейся одним из слоев биметаллического слитка, установку расходуемого электрода в этом зазоре, наведение на поддоне в зазоре между стенкой кристаллизатора и металлической заготовкой шлаковой ванны и переплав в ней расходуемого электрода с формированием направленного слоя биметаллического слитка, отличающийся тем, что формирование направленного слоя ведут со скоростью, устанавливаемой из математического выражения
V_ф 3,6 (1 0,3 Н₁/Н₂) 0,3,
где V_ф скорость формирования наплавленного слоя, кг/мин;
Н₁ величина зазора между стенкой кристаллизатора и направляемой поверхностью заготовки, мм;
Н₂ толщина заготовки, мм,
а сопротивление шлаковой ванны определяют из математического выражения
R 2,5 B₂ B₁ 0,2,
где R сопротивление шлаковой ванны, МОм;
В₁ ширина электрода, мм;
В₂ ширина заготовки, мм.