RU2328538C1 - Method of production of multylayer ingots by electroslag remelting - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention refers to a special metallurgy, particularly to electroslag remelting of a consumable electrode combined in height out of at least three heterogeneous parts; at that the electrode rotates around its axis at a linear velocity providing maximum efficiency of the process.

EFFECT: allows producing three layer ingots with minimum extent of a transition zone between layers.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области электрометаллургии, в частности к специальным процессам электроплавки.The invention relates to the field of electrometallurgy, in particular to special processes of electric melting.

Известна технология получения композитных (многослойных) слитков путем электрошлакового переплава в кристаллизаторе составного (комбинированного) по высоте электрода из разнородных материалов (Патон Б.Е. и др. Некоторые новые области применения электрошлаковой технологии. Проблемы СЭМ. 2002, №2. С.9-11) (1).A known technology for producing composite (multilayer) ingots by electroslag remelting in the mold of a composite (combined) height electrode of dissimilar materials (Paton B.E. et al. Some new areas of application of electroslag technology. Problems of EMS. 2002, No. 2. P. 9 -11) (1).

Многослойные слитки, полученные таким способом, характеризуются наличием между смежными слоями протяженной зоны, состав которой представляет сплав металлов, образующих эти слои и отличной по своим свойствам от сплавляемых металлов. Химический состав этой зоны изменяется по экспоненциальной зависимости (Демченко В.Ф., Медовар Б.И., Цыкуленко А.К. и др. Оценка величины переходного слоя в многослойных слитках ЭШП. Специальная электрометаллургия. 1975. Вып.27) (2), протяженность ее прямо пропорциональна объему металлической ванны и приблизительно равна диаметру электрода круглого сечения. Экспоненциальный характер изменения состава металла часто приводит к образованию в этой зоне неблагоприятных структур, резко отличающихся по своим свойствам как от одного, так и от другого переплавляемого металла. Так, при сплавлении нержавеющей аустенитной стали с углеродистой или низколегированной получение протяжной переходной зоны приведет к образованию в ней хрупкой мартенситной прослойки, являющейся причиной возникновения трещин в отливке.Multilayer ingots obtained in this way are characterized by the presence between the adjacent layers of an extended zone, the composition of which is an alloy of metals that form these layers and is different in its properties from alloyed metals. The chemical composition of this zone varies exponentially (Demchenko V.F., Medovar B.I., Tsykulenko A.K. et al. Estimation of the size of the transition layer in multi-layer ESR ingots. Special electrometallurgy. 1975. Issue 27) (2) , its length is directly proportional to the volume of the metal bath and approximately equal to the diameter of the circular electrode. The exponential nature of the change in the composition of the metal often leads to the formation of unfavorable structures in this zone, which sharply differ in their properties from both one and the other remelted metal. So, when alloying stainless austenitic steel with carbon or low alloy, obtaining a long transition zone will lead to the formation of a brittle martensitic layer in it, which causes cracks in the casting.

Известен способ получения переходных элементов для сварки разнородных материалов, в котором, с целью повышения качества переходных элементов, между частями составного электрода расположена вставка из материала, химический состав которого исключает образование хрупких прослоек в зоне сплавления разнородных материалов (SU 251731 В23К 25/00, 07.11.1980).A known method of producing transition elements for welding dissimilar materials, in which, in order to improve the quality of transition elements, an insert of material is located between the parts of the composite electrode, the chemical composition of which eliminates the formation of brittle interlayers in the fusion zone of dissimilar materials (SU 251731 V23K 25/00, 07.11 .1980).

Недостатками этого способа являются необходимость дополнительного изготовления вставок из материала определенного химического состава, что ведет к удорожанию процесса, а также то, что наличие подобной вставки между частями электрода никаким образом не уменьшает протяженности переходной зоны между слоями.The disadvantages of this method are the need for additional manufacture of inserts from a material of a certain chemical composition, which leads to a rise in price of the process, and also the fact that the presence of such an insert between the parts of the electrode does not in any way reduce the length of the transition zone between the layers.

В качестве ближайшего аналога выбран способ получения многослойного слитка электрошлаковым переплавом, включающий переплав составного расходуемого электрода в водоохлаждаемый кристаллизатор (Патон Б.Е. и др. Электрошлаковые технологии в производстве биметаллических заготовок. Современная электрометаллургия. 2003, №3). Применение данного способа позволяет резко сократить протяженность переходной зоны и тем самым снизить вероятность образования нежелательных структур.As the closest analogue, the method for producing a multilayer ingot by electroslag remelting was selected, which includes remelting the composite consumable electrode into a water-cooled mold (Paton B.E. et al. Electroslag technologies in the production of bimetallic billets. Modern electrometallurgy. 2003, No. 3). The use of this method can drastically reduce the length of the transition zone and thereby reduce the likelihood of the formation of undesirable structures.

Недостатком этого способа является необходимость наличия двух источников питания, что значительно усложняет конструкцию установки и требует значительных капитальных вложений в необходимое для реализации данного способа в промышленном масштабе изменение конструкции действующих печей электрошлакового переплава.The disadvantage of this method is the need for two power sources, which greatly complicates the design of the installation and requires significant capital investment in necessary for the implementation of this method on an industrial scale, a change in the design of existing furnaces of electroslag remelting.

Задачей изобретения является получение качественной многослойной (например, трехслойной) заготовки для коррозионностойкого многослойного листа с минимальной протяженностью переходной зоны между слоями.The objective of the invention is to obtain high-quality multilayer (for example, three-layer) workpieces for a corrosion-resistant multilayer sheet with a minimum length of the transition zone between the layers.

Указанная задача решается тем, что в способе получения многослойных слитков электрошлаковым переплавом, включающем переплав составного расходуемого электрода в водоохлаждаемый кристаллизатор, согласно изобретению осуществляют переплав расходуемого электрода, составленного по высоте по крайней мере из трех разнородных частей и вращающегося в процессе переплава вокруг своей оси с линейной скоростью, определяемой из выражения:This problem is solved in that in the method for producing multilayer ingots by electroslag remelting, comprising remelting a composite consumable electrode into a water-cooled mold, according to the invention, the consumable electrode is remelted, composed of at least three different parts in height and rotating in the process of remelting around its axis with a linear speed determined from the expression:

где g - ускорение силы тяжести, м/с²;where g is the acceleration of gravity, m / s ² ;

σ_Ме-ш - межфазное натяжение на границе раздела металл-шлак, Дж/м² σ _Ме-ш - interfacial tension at the metal-slag interface, J / m ²

Δρ - разность плотностей металла и шлака, кг/м³;Δρ is the density difference between metal and slag, kg / m ³ ;

r - радиус электрода, м.r is the radius of the electrode, m

При вращении расходуемого электрода на пленку жидкого металла на его торце помимо гравитационных сил будет действовать центробежная сила, которая обуславливает формирование капель жидкого металла ближе к боковой поверхности электрода и более эффективный (принудительный) съем жидкого металла. Вращение электрода вокруг своей оси с указанной линейной скоростью обеспечивает максимальную производительность процесса при заданных электрическом и шлаковом режимах. При вращении расходуемого электрода оплавляемый торец его приобретает плоскую форму. Возникающие при вращении электрода центробежные силы обеспечивают радиальное течение жидкого металла на оплавляемой поверхности расходуемого электрода. При отрыве от электрода капли металла движутся по радиальной траектории, что обуславливает формирование плоской и более мелкой металлической ванны. Эксперименты по фиксации ванны жидкого металла сернистым железом показали, что при переплаве вращающегося электрода глубина металлической ванны на 40...50% меньше, чем для электрода, имеющего только вертикальное перемещение.When the consumable electrode rotates on the liquid metal film, at its end, in addition to gravitational forces, a centrifugal force will also act, which causes the formation of liquid metal droplets closer to the side surface of the electrode and more effective (forced) removal of the liquid metal. The rotation of the electrode around its axis with the specified linear speed ensures maximum process performance for given electrical and slag modes. When the consumable electrode rotates, the melted end face acquires a flat shape. The centrifugal forces arising during the rotation of the electrode provide a radial flow of liquid metal on the melted surface of the consumable electrode. When separated from the electrode, metal droplets move along a radial path, which leads to the formation of a flat and smaller metal bath. Experiments on fixing a bath of molten metal with sulphurous iron have shown that when a rotating electrode is remelted, the depth of the metal bath is 40 ... 50% less than for an electrode having only vertical movement.

Рассмотрим картину плавления участка стыка двух разнородных частей вращаемого электрода (механизм плавления электрода по классической схеме подробно рассмотрен в работе (2). Обозначим состав металла этих частей как А (нижняя часть) и Б (верхняя часть).Consider the melting pattern of the junction of two dissimilar parts of a rotated electrode (the mechanism of electrode melting according to the classical scheme was considered in detail in (2). We denote the metal composition of these parts as A (lower part) and B (upper part).

Поскольку оплавляемый торец расходуемого электрода имеет плоскую форму, поступление металла Б в сформировавшуюся ванну жидкого металла А начинается резко (а не одновременно с металлом А), как только полностью сплавляется часть А и начинается переплав части электрода Б. При этом непрерывно идет процесс кристаллизации нижних уровней металлической ванны, в которых концентрация металла А еще равна 100%. По мере сплавления части электрода Б концентрация металла Б в жидкометаллической ванне будет увеличиваться, пока не достигнет 100%, т.е. переходная зона в данном случае все равно будет иметь место, но ее протяженность не будет превышать глубины металлической ванны, т.к. в ванну будет поступать только металл состава Б.Since the melted end face of the consumable electrode has a flat shape, the influx of metal B into the formed bath of liquid metal A begins abruptly (and not simultaneously with metal A) as soon as part A is completely melted and part of electrode B begins to melt. The process of crystallization of the lower levels continuously a metal bath in which the concentration of metal A is still 100%. As part of the electrode B fuses, the concentration of metal B in the liquid metal bath will increase until it reaches 100%, i.e. the transition zone in this case will still take place, but its length will not exceed the depth of the metal bath, because only metal of composition B. will enter the bath.

Пример конкретного осуществления. Изучение возможности выплавки трехслойных слитков по предлагаемому способу проводилось на электрошлаковой установке А-550, оснащенной механизмом вращения электрода. По предложенной технологии провели ряд плавок, в которых расходуемый электрод диаметром 40 мм и длиной 500 мм составлялся из следующих частей:An example of a specific implementation. The study of the possibility of smelting three-layer ingots according to the proposed method was carried out on electroslag unit A-550, equipped with an electrode rotation mechanism. According to the proposed technology, a series of swimming trunks was carried out in which a consumable electrode with a diameter of 40 mm and a length of 500 mm was composed of the following parts:

нижняя часть - сталь 30Х13; длина нижней части - 180 мм;lower part - steel 30X13; bottom length - 180 mm;

средняя часть - сталь 40Х; длина средней части - 140 мм;the middle part - steel 40X; the length of the middle part is 140 mm;

верхняя часть - сталь 30Х13, длина верхней части - 180 мм.the upper part is steel 30X13, the length of the upper part is 180 mm.

Переплав вели в водоохлаждаемый кристаллизатор диаметром 90 мм, использовали флюс АНФ-6 в количестве 1,6 кг. Электрические параметры плавки: I=1,1 кА, U=45 В.The remelting was carried out into a water-cooled mold with a diameter of 90 mm; flux ANF-6 was used in an amount of 1.6 kg. Electrical parameters of the heat: I = 1.1 kA, U = 45 V.

По ранее приведенной формуле определили необходимую скорость вращения электрода, которая составила 110 об/мин, с данной скоростью электрод вращали на протяжении всей плавки. Плавку проводили твердым стартом, без вывода усадочной раковины.According to the previously given formula, the necessary electrode rotation speed was determined, which was 110 rpm, with this speed the electrode was rotated throughout the entire heat. Melting was carried out by a solid start, without the conclusion of a shrink shell.

После выплавки из центральной части слитков были вырезаны образцы для анализа макроструктуры и изменения твердости в пределах переходной зоны, один слиток был осажен на кузнечном молоте.After smelting, samples were cut from the central part of the ingots for analysis of the macrostructure and changes in hardness within the transition zone; one ingot was deposited on a blacksmith's hammer.

Протяженность переходной зоны в полученных слитках составила 10...12 мм (в случае переплава аналогичного электрода по классической схеме электрошлакового переплава величина переходной зоны в полученном слитке составила бы как минимум 40 мм). Твердость в пределах переходной зоны изменялась плавно, при этом участков, твердость которых превышала бы твердость сплавляемых материалов, обнаружено не было.The length of the transition zone in the obtained ingots was 10 ... 12 mm (in the case of remelting a similar electrode according to the classical electroslag remelting scheme, the size of the transition zone in the obtained ingot would be at least 40 mm). The hardness within the transition zone changed smoothly, while there were no sections whose hardness would exceed the hardness of the alloyed materials.

Из осаженного слитка также был вырезан образец для анализа макроструктуры, представленный на чертеже.A sample for macrostructure analysis, shown in the drawing, was also cut from a precipitated ingot.

На фотографии видно, что полученная заготовка имеет ярко выраженную послойную структуру. Имеющая место некоторая неровность (волнистость) внутреннего слоя объясняется неравномерной деформацией по длине слитка во время его осаживания на молоте. Непосредственная прокатка полученного слитка позволит избежать подобного явления. В данном случае прокатка была невозможна из-за недостаточных размеров полученного слитка.The photo shows that the resulting workpiece has a pronounced layered structure. The occurrence of some roughness (waviness) of the inner layer is explained by uneven deformation along the length of the ingot during its deposition on the hammer. Direct rolling of the obtained ingot will allow avoiding this phenomenon. In this case, rolling was impossible due to the insufficient size of the obtained ingot.

Результаты опробования способа подтверждают, что предложенная технология позволяет получить многослойный слиток с минимальной протяженностью переходной зоны, последующая деформация которого по вертикальной оси позволит получить трехслойный коррозионностойкий лист, не отличающийся по своим характеристикам от сплошного листа, при этом расход дорогостоящих коррозионностойких материалов уменьшается на 30%, что ведет к уменьшению себестоимости получаемого металла.The results of testing the method confirm that the proposed technology allows to obtain a multilayer ingot with a minimum length of the transition zone, the subsequent deformation of which along the vertical axis will allow to obtain a three-layer corrosion-resistant sheet, which does not differ in its characteristics from a solid sheet, while the consumption of expensive corrosion-resistant materials is reduced by 30%, which leads to a decrease in the cost of the resulting metal.

Промышленная применимость. Проведенные эксперименты доказывают промышленную применимость предлагаемого способа, который может быть использован для получения качественных трехслойных заготовок для изготовления коррозионностойкого листа.Industrial applicability. The experiments prove the industrial applicability of the proposed method, which can be used to obtain high-quality three-layer blanks for the manufacture of a corrosion-resistant sheet.

Claims (1)

Способ получения многослойных слитков электрошлаковым переплавом, включающий переплав составного расходуемого электрода в водоохлаждаемый кристаллизатор, отличающийся тем, что осуществляют переплав расходуемого электрода, составленного по высоте по крайней мере из трех разнородных частей и вращающегося в процессе переплава вокруг своей оси с линейной скоростью, определяемой из выраженияA method of producing multilayer ingots by electroslag remelting, comprising remelting a composite consumable electrode into a water-cooled mold, characterized in that the consumable electrode is remelted, composed of at least three different parts in height and rotating in the process of remelting around its axis with a linear speed determined from the expression

где g - ускорение силы тяжести, м/с²;where g is the acceleration of gravity, m / s ² ; σ_Ме-ш - межфазное натяжение на границе раздела металл-шлак, Дж/м²;σ _Ме-ш - interfacial tension at the metal-slag interface, J / m ² ; Δρ - разность плотностей металла и шлака, кг/м³;Δρ is the density difference between metal and slag, kg / m ³ ; r - радиус электрода, м.r is the radius of the electrode, m