RU2410195C1 - Method of electroslag casting of tubular billets - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to electroslag casting of tubular billets from iron-carbon alloys for strength members to be used in machine building, oil and gas and petrochemical industries and power production. In compliance with proposed method, consumable electrodes are remelted in thermal module wherein liquid metal is accumulated and thermostated for it to be poured via outlet by locking gear into crystalliser with piercing point bar arranged above thermal module.

EFFECT: increase in smelt rate, reduced power consumption, expanded performances of thin-wall tubular billets.

5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области специальных видов литья, а именно к способам электрошлакового литья (ЭШЛ) трубных заготовок из железоуглеродистых сплавов для изделий ответственного назначения.The invention relates to the field of special types of casting, and in particular to methods of electroslag casting (ESH) of pipe billets of iron-carbon alloys for critical products.

Из уровня техники известно, что ЭШЛ является разновидностью электрошлаковой технологии (ЭШТ) и представляет собой способ получения литых заготовок высокого качества (см. например, Гини Э.Ч. и др. Технология литейного производства: Специальные виды литья. Под ред. В.А.Рыбкина. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2007 г., с.331-332), что обусловлено следующим: во-первых, не достижимой обычными средствами металлургии степенью очистки металла от неметаллических включений (сульфидов, оксидов), примесей (серы) и газов (кислорода, водорода) посредством рафинирующего переплава в жидкоподвижной среде (в шлаковой ванне) химически высокоактивного синтетического флюса на многокомпонентной основе, в частности CaF₂-Al₂O₃-CaO-SiO₂-MqO; во-вторых, эффективной защитой металла от окисления и насыщения водородом не только при плавке, но и при заполнении литейной формы, вследствие отсутствия разливки металла: плавление и кристаллизация металла протекают одновременно в металлической водоохлаждаемой литейной форме - кристаллизаторе с дорном; в-третьих, направленной кристаллизацией в условиях принудительного теплооотвода с постоянной подпиткой твердожидкой фазы, что способствует получению плотной структуры, без дефектов ликвационно-усадочного происхождения, без зон «слабины», в том числе в местах встречной кристаллизации. В совокупности же, это обеспечивает в литом металле свойства на уровне проката и даже выше, прежде всего по ударной вязкости и изотропности, причем как в продольном и поперечном, так и радиальном направлениях.It is known from the prior art that ESHL is a type of electroslag technology (ESHT) and is a method for producing high-quality cast billets (see, for example, Gini E.Ch. et al. Foundry technology: Special types of casting. Edited by V.A. . Rybkina. - 2nd ed., Erased. - M.: Publishing Center "Academy", 2007, p.331-332), which is due to the following: firstly, the degree of metal purification from metal that is not achievable by conventional metallurgical means non-metallic inclusions (sulfides, oxides), impurities (sulfur) and gases (oxygen, hydrogen) redstvom refining remelting zhidkopodvizhnoy medium (in the slag bath) chemically highly active synthetic flux on the basis of a multi-component, in particular CaF ₂ -Al ₂ O ₃ -CaO-SiO ₂ -MqO; secondly, the effective protection of the metal from oxidation and hydrogen saturation, not only during melting, but also when filling the mold, due to the absence of metal casting: melting and crystallization of the metal occur simultaneously in a metal water-cooled mold — a mold with a mandrel; thirdly, by directed crystallization under conditions of forced heat removal with constant replenishment of the solid-liquid phase, which contributes to a dense structure, without defects of liquidation-shrinkage origin, without zones of "weakness", including in places of oncoming crystallization. In the aggregate, this provides properties in cast metal at the level of rolled products and even higher, primarily in impact strength and isotropy, both in the longitudinal and transverse and radial directions.

Вместе с тем из уровня техники известно, что ЭШЛ является низкопроизводительным способом (Караник Ю.А. Снижение метало- и энергопотребления при производстве отливок деталей машин и механизмов. Заготовительное производство в машиностроении, 2008 г., №2, с.12, строки 10-12). Вследствие одновременности протекания плавления и кристаллизации металла (в единицу времени плавится и кристаллизуется одинаковое количество металла) равные скорости этих процессов (иначе скорость литья) крайне малы. В частности, для широко получаемых в промышленности трубных заготовок с толщиной стенки более 70 мм скорость литья варьируются в пределах 10…15 мм/мин (0,6…0,9 м/ч), что в несколько раз ниже скорости непрерывного литья. Повысить скорость литья в ЭШЛ не представляется возможным в силу его специфики, состоящей в совмещении по месту и времени двух противоположных процессов, идущих с выделением (плавление) и поглощением (кристаллизация) тепла. То есть, ЭШЛ протекает при достижении теплового равновесия (баланса) между подводимой и отводимой теплотой, нарушение которого ведет к дефектам внутреннего строения заготовки и даже аварии.At the same time, it is known from the prior art that ESHL is a low-performance method (Yu.A. Karanik. Reduction of metal and energy consumption in the production of castings of machine parts and mechanisms. Procurement in mechanical engineering, 2008, No. 2, p. 12, line 10 -12). Due to the simultaneous occurrence of melting and crystallization of the metal (the same amount of metal melts and crystallizes per unit time), the equal speeds of these processes (otherwise the casting speed) are extremely small. In particular, for tube blanks widely obtained in industry with wall thicknesses exceeding 70 mm, the casting speed varies within 10 ... 15 mm / min (0.6 ... 0.9 m / h), which is several times lower than the speed of continuous casting. It is not possible to increase the casting speed in ESL due to its specificity, consisting in combining in the place and time of two opposite processes that are accompanied by the release (melting) and absorption (crystallization) of heat. That is, ESL occurs when thermal equilibrium (balance) is reached between the supplied and removed heat, the violation of which leads to defects in the internal structure of the workpiece and even an accident.

Известно также, что в силу специфики ЭШЛ является энергозатратным способом с низким тепловым КПД (Медовар Б.И. и др. Электрошлаковые печи. Под ред. Б.Е.Патона. - Киев: Наук. думка, 1976, с.17). В частности, вместо теоретически расчетных 400 кВт·ч/т стали расходуется до 2000 кВт·ч/т стали. При этом до 50% теплоты отводится водой на охлаждение высокотемпературной (до 2000°C) зоны плавления (локализованной шлаковой ванной) для обеспечения термостойкости (исключения разрушения) металлической литейной формы (тепловой поток на стенку формы составляет 0,5…1,5 МВт/м²). До 20% теплоты теряется излучением с поверхности шлаковой ванны. И лишь до 30% подводимой активной мощности расходуется на плавление металла.It is also known that, due to its specifics, ESH is an energy-consuming method with low thermal efficiency (Medovar B.I. et al. Electroslag furnaces. Edited by B.E. Paton. - Kiev: Nauk. Dumka, 1976, p.17). In particular, instead of theoretically calculated 400 kWh / t of steel, up to 2000 kWh / t of steel is consumed. In this case, up to 50% of the heat is removed by water to cool the high-temperature (up to 2000 ° C) melting zone (localized slag bath) to ensure heat resistance (elimination of destruction) of the metal casting mold (the heat flux to the mold wall is 0.5 ... 1.5 MW / m ² ). Up to 20% of the heat is lost by radiation from the surface of the slag bath. And only up to 30% of the supplied active power is spent on melting the metal.

Известно также, что в силу специфики ЭШЛ крайне затруднительно получение трубных заготовок с тонкой стенкой, что обусловлено сложностью обеспечения равномерного и достаточного для исключения «намерзания» металла температурного поля в узком кольцевом формообразующем пространстве между кристаллизатором и дорном.It is also known that, due to the specificity of EShL, it is extremely difficult to obtain tube blanks with a thin wall, which is due to the difficulty of ensuring that the temperature field is uniform and sufficient to avoid freezing of the metal in a narrow annular forming space between the mold and the mandrel.

В тоже время, из уровня ЭШТ известно, что получение тонкостенных трубных заготовок, а также снижение энергозатрат и повышение производительности возможно в способах электрошлаковой тигельной плавки (ЭШТП), основанных на разделении по месту и времени процессов плавления и заполнения литейной формы (Медовар Б.И. и др. Электрошлаковая тигельная плавка и разливка металла. Под ред. Б.Е.Патона. - Киев: Наук. думка, 1988 г., с.17). ЭШТП предусматривает электрошлаковую плавку в огнеупорной емкости (тигле) с последующим переливом расплава в стационарную (электрошлаковое кокильное литье, ЭКЛ) или вращающуюся (центробежное электрошлаковое литье, ЦЭШЛ) металлическую литейную форму (там же с.24). Для получения трубных заготовок предпочтительнее ЦЭШЛ (там же с.28). Наличие внешнего воздействия в виде поля центробежных сил создает благоприятные условия для кристаллизации металла, в частности, по его уплотнению. Под воздействием центростремительных сил происходит разделение заливаемой шлакометаллической смеси, в результате чего достигается рафинирующая обработка («промывка») металла вытесняемым шлаком. Накапливаемый на внутренней поверхности заготовки шлаковый гарнисаж снижает зарождение и встречное движение фронта кристаллизации, чем повышается транскристаллизация. Однако ЦЭШЛ предусматривает дополнительную операцию разливки металла переливом, что повышает трудоемкость, а также не исключает его окисления. Разливка двух не смешивающихся, но эмульгирующих расплавов способна приводить к замешиванию шлака металлом, что приводит к его загрязнению. Действие центробежных сил способно вызвать ликвацию элементов сплава по весу (разделение по плотности), что приводит к полосчастости структуры. Таким образом, структура металла ЦЭШЛ, в сравнении с ЭШЛ, менее совершенна. Кроме того, образование шлакового гарнисажа вызывает затруднения по его удалению, а перелив металла создает циклический характер работы футеровки тигля, сопровождаемый термоударами, что приводит к ее растрескиванию (засорению металла) и разрушению (сокращению срока службы).At the same time, it is known from the level of ECT that obtaining thin-walled tube billets, as well as reducing energy consumption and increasing productivity, is possible in methods of electroslag crucible melting (ECT), based on the division by location and time of the melting and filling of the mold (Medovar B.I. . and other Electroslag crucible melting and casting of metal. Edited by B.E. Paton. - Kiev: Science Dumka, 1988, p.17). ESHTP provides electroslag melting in a refractory container (crucible) with subsequent overflow of the melt into a stationary (electroslag chill casting, ECL) or rotating (centrifugal electroslag casting, CESL) metal casting mold (ibid. P.24). To obtain tube blanks, it is preferable to CESHL (ibid. P. 28). The presence of external influences in the form of a centrifugal force field creates favorable conditions for crystallization of the metal, in particular, in its compaction. Under the influence of centripetal forces, the poured slag-metal mixture is separated, as a result of which a refining treatment (“washing”) of the metal by displaced slag is achieved. The slag skull accumulated on the inner surface of the workpiece reduces the nucleation and oncoming motion of the crystallization front, which increases the transcrystallization. However, CESL provides an additional operation for casting metal overflow, which increases the complexity and does not exclude its oxidation. The casting of two non-miscible, but emulsifying melts can lead to the mixing of slag with metal, which leads to its contamination. The action of centrifugal forces can cause the segregation of alloy elements by weight (separation by density), which leads to band structure. Thus, the structure of the ZEShL metal, in comparison with ESL, is less perfect. In addition, the formation of a slag skull causes difficulties in its removal, and the metal overflow creates a cyclical nature of the crucible lining, accompanied by thermal shock, which leads to its cracking (clogging of the metal) and destruction (shortening the service life).

В основу предполагаемого изобретения положена схема ЭШЛ трубных заготовок в неподвижный кристаллизатор с дорном скользящего типа (Патон Б.Е., Медовар Б.И. и Бойко Г.А. Электрошлаковое литье. - Киев: Наук. думка, 1980 г., с.81-82), в котором, в отличие от кристаллизаторов-изложниц, две его зоны - верхняя (зона плавления) и нижняя (зона кристаллизации) стационарны в течение плавки, что позволяет использовать короткий по высоте кристаллизатор с дорном, а заготовку получать вытяжкой. Однако не только. Факт постоянства положения двух зон использован авторами для выделения верхней зоны плавления в самостоятельную зону в виде теплового модуля (с теплоизолирующей функцией по аналогии с тиглем в ЭШТП), совмещенную с нижней зоной кристаллизации. Именно это позволяет реализовать в предлагаемом способе предмет изобретения - схему ЭШЛ трубных заготовок, основанную на совмещении по месту, но разделении во времени процессов плавки металла (в тепловом модуле) и заполнении литейной формы (кристаллизатора с дорном).The proposed invention is based on the ESL scheme of tube blanks in a fixed mold with a sliding mandrel (Paton B.E., Medovar B.I. and Boyko G.A. Electroslag casting. - Kiev: Nauk. Dumka, 1980, p. 81-82), in which, in contrast to the mold molds, its two zones - the upper (melting zone) and lower (crystallization zone) are stationary during melting, which allows the use of a short mold with a mandrel, and the billet to be obtained by hood. However, not only that. The fact of the constancy of the position of the two zones was used by the authors to distinguish the upper melting zone into an independent zone in the form of a thermal module (with a heat-insulating function similar to the crucible in ECT), combined with the lower crystallization zone. That is what makes it possible to implement the subject of the invention in the proposed method — an ESL diagram of pipe billets based on matching in place but time-division of metal melting processes (in the thermal module) and filling of the mold (mold with a mandrel).

Реализация предлагаемого способа позволяет сочетать преимущества ЭШТП и ЭШЛ и исключить их недостатки, в частности, сочетаются такие преимущества, как энергосбережение, повышение скорости плавки (от ЭШТП) и совершенство структуры заготовки (от ЭШЛ), а исключаются такие недостатки, как перелив и загрязненность металла, цикличность плавок (в ЭШТП) и энергоемкость, низкая производительность (в ЭШЛ). Вместе с тем приобретаются принципиально новые преимущества, до сих пор не известные в ЭШТ, а именно: разливка без перелива, причем не шлакометаллической смеси, а металла, что исключает такие негативные явления, как трудоемкость операций перелива и отделения шлака от заготовки, а также окисление разливаемого металла, замешивание в него шлака. Кроме того, упрощается получение трубных заготовок, особенно с тонкой стенкой, а также появляется возможность непрерывности процесса плавки, что повышает стойкость футеровки за счет исключения ее термоударов, свойственных циклическому характеру работы в ЭШТП.The implementation of the proposed method allows you to combine the advantages of ESHTP and ESHL and eliminate their disadvantages, in particular, such advantages as energy saving, increased melting speed (from ESHTP) and the perfect structure of the workpiece (from ESHL) are combined, and such disadvantages as overflow and metal contamination are eliminated , cycling of heats (in EShTP) and energy consumption, low productivity (in EShL). At the same time, fundamentally new advantages are acquired that are still not known in ECT, namely: casting without overflow, and not a slag-metal mixture, but a metal, which eliminates such negative phenomena as the laboriousness of overflow and separation of slag from the workpiece, as well as oxidation poured metal, kneading slag into it. In addition, it is simplified to obtain tube blanks, especially with a thin wall, and also there is the possibility of a continuous melting process, which increases the durability of the lining due to the exclusion of its thermal shock characteristic of the cyclic nature of work in ECT.

Предлагаемый способ предусматривает, по аналогии с ЭШТП, накопление и термостатирование жидкого металла, что в известной степени является противопоказанным процессом для электрошлаковой плавки, так как сопряжено с «намерзанием» (образованием гарнисажа) металла на стенках тигля. Причем данные явления в предлагаемом способе многократно усиливаются, так как имеет место совмещение теплового модуля с литейной формой - источником принудительного охлаждения высокой интенсивности. И если в ЭШТП допустимо «намерзание» металла, так как используется перелив металла (гарантия разливки), то в предлагаемом способе, исключающем перелив, «намерзание» металла не допустимо, особенно в донной части теплового модуля, в которой осуществляется разливка. Причем выполнение этого требования осложняется тем обстоятельством, что разливку осуществляют через выпускное отверстие, диаметр которого лимитируется толщиной стенки трубной заготовки и не может ее превышать.The proposed method provides, by analogy with ESHTP, the accumulation and temperature control of liquid metal, which to some extent is a contraindicated process for electroslag melting, as it is associated with "freezing" (formation of a skull) of the metal on the walls of the crucible. Moreover, these phenomena in the proposed method are amplified many times, since there is a combination of the thermal module with the mold - a source of forced cooling of high intensity. And if metal freezing is permissible in the EHTP, since metal overflow is used (casting guarantee), in the proposed method, which excludes overflow, metal freezing is not permissible, especially in the bottom part of the thermal module in which the casting is performed. Moreover, the implementation of this requirement is complicated by the fact that the casting is carried out through the outlet, the diameter of which is limited by the wall thickness of the pipe billet and cannot exceed it.

Исключение в предлагаемом способе негативного явления «намерзания» металла, гарантия разливки и сплошности трубной заготовки потребовали следующих технических решений.The exception in the proposed method of the negative phenomenon of "freezing" of the metal, the guarantee of casting and continuity of the pipe billet required the following technical solutions.

Во-первых, наличие в центральной части теплового модуля водяного подводяще-отводящего узла для охлаждения дорна потребовало его теплоизоляции.Firstly, the presence in the central part of the thermal module of a water inlet-outlet unit for cooling the mandrel required its thermal insulation.

Во-вторых, активный отбор теплоты футеровкой теплового модуля в начальный момент плавки до наступления баланса между подводимой и отводимой теплотой потребовал предварительного подогрева футеровки.Secondly, the active selection of heat by the lining of the thermal module at the initial moment of melting before the onset of balance between the input and output heat required the preliminary heating of the lining.

В-третьих, совмещение теплового модуля с источником интенсивного теплоотвода (кристаллизатора с дорном) потребовало температурного барьера между ними в виде промежуточного формообразующего устройства с низким теплоотводом.Thirdly, the combination of the thermal module with the source of intense heat removal (mold with mandrel) required a temperature barrier between them in the form of an intermediate forming device with low heat removal.

В-четвертых, накопление большого объема жидкого металла, формирование тонкостенных трубных заготовок, близких по высоте к трубам, потребовали подогрева в течение плавки и разливки теплового модуля с узлом разливки и промежуточного формообразующего устройства.Fourth, the accumulation of a large volume of liquid metal, the formation of thin-walled tube blanks close in height to the pipes, required heating during melting and casting of the thermal module with the casting unit and the intermediate forming device.

В-пятых, улучшение структуры металла, гарантия отсутствия «намерзания» металла при накоплении больших объемов потребовали использования электрошлакового перемешивания.Fifthly, the improvement of the metal structure, the guarantee of the absence of “freezing” of the metal during the accumulation of large volumes required the use of electroslag mixing.

Различия существующих схем ЭШЛ трубных заготовок в неподвижный кристаллизатор с дорном, взятых, как отмечалось, за основу при разработке предлагаемого способа, состоят в количестве и конфигурации расходуемых электродов, схеме питания и конструкции дорна, что видно из выбранных аналогов и прототипа.The differences between the existing ESL schemes of tube blanks in a fixed mold with a mandrel, taken, as noted, as the basis for the development of the proposed method, consist in the number and configuration of consumable electrodes, the power supply circuit and the mandrel design, which can be seen from the selected analogues and prototype.

Известен способ (см. например, Патон Б.Е., Медовар Б.И. и Бойко Г.А. Электрошлаковое литье. - Киев: Наук. думка, 1980 г., с.84-86), при котором используют электрошлаковый переплав одного расходуемого электрода с формированием и вытяжкой трубной заготовки в кристаллизаторе с дорном.A known method (see, for example, Paton B.E., Medovar B.I. and Boyko G.A. Electroslag casting. - Kiev: Nauk. Dumka, 1980, p. 84-86), using electroslag remelting one consumable electrode with the formation and extraction of the tube billet in the mold with a mandrel.

При таком способе применяют дорн, встроенный (жестко закрепленный) в нижней части кристаллизатора, что освобождает его верхнюю зону плавления и позволяет использовать один расходуемый электрод большого сплошного сечения вместо более дорогой многоэлектродной схемы переплава электродов малого диаметра. Однако этот способ позволяет использовать лишь прямую схему питания, которая менее эффективна по сравнению с бифилярной схемой, применяемой только в многоэлектродной схеме переплава. Кроме того, этим способом крайне затруднительно получение тонкостенных трубных заготовок.With this method, a mandrel is used, which is built-in (rigidly fixed) in the lower part of the mold, which frees its upper melting zone and allows the use of a single consumable electrode with a large continuous cross-section instead of a more expensive multi-electrode circuit for remelting small diameter electrodes. However, this method allows you to use only a direct power supply circuit, which is less efficient compared to the bifilar circuit used only in the multi-electrode remelting circuit. In addition, this method is extremely difficult to obtain thin-walled tube blanks.

Таким образом, задачей данного технического решения являлось ЭШЛ трубных заготовок с использованием одноэлектродной схемы переплава.Thus, the objective of this technical solution was the ESL of pipe billets using a single-electrode remelting circuit.

Сходными признаками известного технического решения и заявляемого объекта является электрошлаковый переплав, формирование и вытяжка заготовки в кристаллизаторе с дорном.Similar features of the known technical solution and the claimed object is electroslag remelting, the formation and drawing of the workpiece in a mold with a mandrel.

Эффективнее другой известный способ (см. например, Уджи А. и др. Развитие новой технологии электрошлакового литья применительно к производству цилиндрических изделий. В сб. Электрошлаковый переплав, выпуск 3. - Киев: Наук. думка, 1975 г., с.178-179), при котором используют многоэлектродную схему переплава расходуемых электродов с формированием и вытяжкой заготовки в кристаллизаторе с дорном.Another well-known method is more effective (see, for example, Uji A. et al. Development of a new technology for electroslag casting as applied to the production of cylindrical products. In the collection of electroslag remelting, issue 3. - Kiev: Nauk. Dumka, 1975, p.178- 179), which uses a multi-electrode remelting scheme of consumable electrodes with the formation and drawing of a workpiece in a mold with a mandrel.

При таком способе получают трубы с толщиной стенки до 6 мм. Однако используют прямую расщепленную схему питания. Причем, переплаву подвергают специальные сложнопрофильные (в виде сегментов) расходуемые электроды, изготовление и установка которых в литейной форме с минимальными зазорами весьма трудоемка.With this method, pipes with a wall thickness of up to 6 mm are obtained. However, a direct split power scheme is used. Moreover, special complicated-shaped (in the form of segments) consumable electrodes are subjected to remelting, the manufacture and installation of which in a mold with minimal gaps is very laborious.

Таким образом, задачей данного технического решения являлось ЭШЛ трубных заготовок с тонкой стенкой.Thus, the objective of this technical solution was the ESL of thin-walled tubular billets.

Сходными признаками известного технического решения и заявляемого объекта является электрошлаковый переплав расходуемых электродов, формирование и вытяжка заготовки в кристаллизаторе с дорном.Similar features of the known technical solution and the claimed object is electroslag remelting of consumable electrodes, the formation and drawing of the workpiece in a mold with a mandrel.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является способ (Медовар Б.И. и др. Электрошлаковые печи. Под ред. Б.Е.Патона. - Киев: Наук. думка, 1976 г., с.284-285), принятый авторами за прототип, при котором используют многоэлектродную схему электрошлакового переплава с формированием и вытяжкой трубной заготовки в кристаллизаторе с дорном.The closest in technical essence and the achieved technical result is the method (Medovar B.I. et al. Electroslag furnaces. Edited by B.E. Paton. - Kiev: Nauk. Dumka, 1976, p. 284-285), adopted by the authors for a prototype in which a multi-electrode circuit of electroslag remelting is used with the formation and drawing of a tube billet in a mold with a mandrel.

В таком способе для реализации многоэлектродной схемы переплава используют кристаллизаторы с уширенной плавильной зоной, чего достигают, в зависимости от диаметра получаемой заготовки, за счет расширения верхней части кристаллизатора, сужения верхней части дорна или за счет того и другого. Это позволяет использовать в многоэлектродной схеме переплава электроды большого сплошного сечения.In this method, crystallizers with a broadened melting zone are used to implement a multi-electrode remelting circuit, which is achieved, depending on the diameter of the obtained billet, by expanding the upper part of the mold, narrowing the upper part of the mandrel, or both. This allows the use of electrodes of large continuous cross section in a multi-electrode remelting circuit.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого авторами за прототип, относятся низкие скорость литья и производительность, большая энергоемкость и сложность получения тонкостенных трубных заготовок.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known method adopted by the authors as a prototype include low casting speed and productivity, high energy consumption and the difficulty of obtaining thin-walled tube blanks.

Таким образом, задачей прототипа являлось ЭШЛ трубных заготовок с использованием многоэлектродной схемы переплава.Thus, the task of the prototype was ESL tube billets using a multi-electrode remelting circuit.

Общими признаками с предлагаемым авторами способом ЭШЛ трубных заготовок является электрошлаковый переплав расходуемых электродов, формирование и вытяжка заготовки в кристаллизаторе с дорном.Common features with the ESL method of tube blanks proposed by the authors are electroslag remelting of consumable electrodes, the formation and drawing of the blank in a mold with a mandrel.

В отличие от прототипа, предлагаемый авторами способ основан на том, что электрошлаковый переплав осуществляют в тепловом модуле, в котором накапливают и термостатируют жидкий металл, а затем разливают через выпускное отверстие со стопорным механизмом в кристаллизатор с дорном, размещенные под тепловым модулем.In contrast to the prototype, the method proposed by the authors is based on the fact that electroslag remelting is carried out in a thermal module, in which liquid metal is accumulated and thermostated, and then poured through an outlet with a locking mechanism into a mold with a mandrel located under the thermal module.

В частном случае, то есть в конкретных формах выполнения, изобретение характеризуется следующими признаками:In the particular case, that is, in specific forms of execution, the invention is characterized by the following features:

- перед электрошлаковым переплавом тепловой модуль предварительно нагревают до заданной температуры;- before electroslag remelting, the thermal module is preheated to a predetermined temperature;

- накопление и термостатирование жидкого металла осуществляют с электромагнитным перемешиванием и с подогревом теплового модуля;- the accumulation and temperature control of liquid metal is carried out with electromagnetic stirring and heating of the thermal module;

- разливку жидкого металла осуществляют в промежуточное формообразующее устройство с подогревом или без него;- pouring liquid metal is carried out in an intermediate forming device with or without heating;

- разливку жидкого металла осуществляют порционно.- pouring liquid metal is carried out portionwise.

Именно это позволяет сделать вывод о причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.This is what allows us to conclude that a causal relationship between the totality of the essential features of the claimed technical solution and the achieved technical result.

Указанные признаки, отличительные от прототипа, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты, во всех случаях достаточны.These signs, distinctive from the prototype, to which the requested amount of legal protection applies, in all cases are sufficient.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение скорости плавки и литья, снижение энергозатрат и расширение технологических возможностей ЭШЛ трубных заготовок, особенно с тонкой стенкой.The objective of the invention is to increase the speed of melting and casting, reducing energy consumption and expanding the technological capabilities of EShL tube blanks, especially with a thin wall.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что при известном способе электрошлакового литья трубных заготовок, включающем электрошлаковый переплав расходуемых электродов, формирование и вытяжку заготовки в кристаллизаторе с дорном, особенность заключается в том, что электрошлаковый переплав осуществляют в тепловом модуле, в котором накапливают и термостатируют жидкий металл, а затем разливают через выпускное отверстие со стопорным механизмом в кристаллизатор с дорном, размещенные под тепловым модулем.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that with the known method of electroslag casting of pipe billets, including electroslag remelting of consumable electrodes, forming and drawing the workpiece in a mold with a mandrel, the feature is that electroslag remelting is carried out in a thermal module in which thermostat the liquid metal, and then pour it through an outlet with a locking mechanism into a mold with a mandrel, placed under a heat m dulem.

Новая совокупность технологических признаков, а также наличие связей между ними позволяет, в частности, за счет:A new set of technological features, as well as the presence of connections between them, allows, in particular, due to:

- электрошлакового переплава в тепловом модуле снизить энергозатраты;- electroslag remelting in the thermal module to reduce energy costs;

- накопления и термостатирования жидкого металла повысить скорость плавки;- accumulation and temperature control of liquid metal to increase the melting speed;

- разливки через выпускное отверстие со стопорным механизмом в кристаллизатор с дорном, размещенные под тепловым модулем, совместить по месту, но разделить во времени процессы плавки и заполнения кристаллизатора с дорном, что повышает скорость литья и расширяет технологические возможности ЭШЛ трубных заготовок, особенно с тонкой стенкой.- pour the castings through the outlet with the locking mechanism into the mold with the mandrel, placed under the thermal module in place, but separate in time the processes of melting and filling the mold with the mandrel, which increases the casting speed and extends the technological capabilities of the ESH of tube blanks, especially with a thin wall .

Признаки, характеризующие изобретение в конкретных формах исполнения, позволяют, в частности, за счет:Signs characterizing the invention in specific forms of execution, allow, in particular, due to:

- предварительного нагрева теплового модуля до заданной температуры снизить тепловые потери во время электрошлакового переплава, прежде всего в начальный момент плавки, что исключает «намерзание» металла на стенках теплового модуля, соответственно, гарантирует разливку и, как следствие, расширяет технологические возможности ЭШЛ трубных заготовок;- pre-heating the thermal module to a predetermined temperature to reduce heat loss during electroslag remelting, especially at the initial moment of smelting, which eliminates the “freezing” of metal on the walls of the thermal module, respectively, guarantees casting and, as a result, expands the technological capabilities of ESL of pipe billets;

- накопления и термостатирования жидкого металла с электромагнитным перемешиванием и подогревом теплового модуля улучшить структуру металла и исключить его «намерзание» посредством выравнивания температуры в тепловом модуле, что повышает скорость плавки и, как следствие, расширяет технологические возможности ЭШЛ трубных заготовок;- accumulation and temperature control of liquid metal with electromagnetic stirring and heating of the thermal module to improve the structure of the metal and prevent its “freezing” by equalizing the temperature in the thermal module, which increases the melting speed and, as a result, expands the technological capabilities of ESH tube billets;

- разливки жидкого металла в промежуточное формообразующее устройство с подогревом или без него создать температурный барьер между зоной плавки (тепловым модулем) и зоной кристаллизации (кристаллизатором с дорном), что гарантирует разливку металла (без «перемерзания»), сплошность заготовки и, как следствие, расширяет технологические возможности ЭШЛ трубных заготовок, особенно с тонкой стенкой;- pouring liquid metal into an intermediate forming device with or without heating to create a temperature barrier between the melting zone (thermal module) and the crystallization zone (mold with a mandrel), which guarantees the casting of metal (without "freezing"), the continuity of the workpiece and, as a result, expands the technological capabilities of EShL of tubular billets, especially with a thin wall;

- порционной разливки жидкого металла создать условия непрерывности способа, что повышает стойкость теплового модуля, а также увеличивает производительность и, как следствие, расширяет технологические возможности ЭШЛ трубных заготовок.- batch casting of liquid metal to create conditions for the continuity of the method, which increases the stability of the thermal module, and also increases productivity and, as a result, expands the technological capabilities of EShL of pipe billets.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что при осуществлении способа ЭШЛ трубных заготовок, включающего электрошлаковый переплав расходуемых электродов, формирование и вытяжку заготовки в кристаллизаторе с дорном, в отличие от прототипа, согласно изобретению, электрошлаковый переплав осуществляют в тепловом модуле, в котором накапливают и термостатируют жидкий металл, а затем разливают через выпускное отверстие со стопорным механизмом в кристаллизатор с дорном, размещенные под тепловым модулем.The essence of the invention lies in the fact that when implementing the ESH method of tube blanks, including electroslag remelting of consumable electrodes, forming and drawing a blank in a mold with a mandrel, in contrast to the prototype according to the invention, electroslag remelting is carried out in a thermal module in which they are accumulated and thermostated liquid metal, and then poured through an outlet with a locking mechanism into the mold with a mandrel, placed under the thermal module.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где представлена технологическая схема ЭШЛ трубных заготовок.The essence of the invention is illustrated by the drawing, which shows the technological scheme of EShL of pipe billets.

Технологическая схема ЭШЛ трубных заготовок по предложенному способу содержит тепловой модуль 1, расходуемые электроды 2, шлаковую ванну 3, жидкий металл 4, кристаллизатор 5, дорн 6, стопор 7, выпускное отверстие 8, промежуточное формообразующее устройство 9, электронагреватели 10, трубную заготовку 11, лунку жидкого металла 12, поддон 13 и затравки 14.The technological scheme of EShL of tube billets according to the proposed method contains a thermal module 1, consumable electrodes 2, slag bath 3, liquid metal 4, mold 5, mandrel 6, stopper 7, outlet 8, intermediate forming device 9, electric heaters 10, tube billet 11, a hole in the molten metal 12, the pan 13 and the seed 14.

ЭШЛ трубных заготовок по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.ESL pipe billets by the proposed method is as follows.

В тепловой модуль 1 заливают определенное количество (примерно 3…10% от массы переплавляемого металла) предварительно расплавленного синтетического флюса (например, на многокомпонентной основе CaF₂-Al₂O₃-CaO-SiO₂-MgO). Перелитый флюс образует шлаковую ванну 3, в которую погружают расходуемые электроды 2, подключенные к источнику питания по одной из схем: по прямой расщепленной или бифилярной. На электроды 2 подают напряжение и осуществляют электрошлаковый переплав. В тепловом модуле 1 накапливают и термостатируют жидкий металл 4, который затем непрерывно или полунепрерывно разливают через выпускное отверстие 8 с стопором 7. Разливаемый металл 4 поступает в кольцевое формообразующее пространство между водоохлаждаемыми кристаллизатором 5 и дорном 6, где сплавляется с затравками 14 поддона 13 и, посредством чего, вытягивается в виде трубной заготовки 11. Затвердевание заготовки 11 происходит направленно, перпендикулярно фронту кристаллизации, конфигурация которого совпадает с формой лунки жидкого металла 12. В зависимости от толщины стенки и диаметра заготовки 11 скорость литья составляет 40…70 мм/мин (2,4…4,2 м/ч) и может достигать 100…120 мм/мин (6,0…7,2 м/ч).A certain amount (about 3 ... 10% of the mass of the remelted metal) of pre-molten synthetic flux (for example, on a multicomponent basis CaF ₂ -Al ₂ O ₃ -CaO-SiO ₂ -MgO) is poured into thermal module 1. The overflow flux forms a slag bath 3, into which consumable electrodes 2 are immersed, connected to a power source according to one of the schemes: direct split or bifilar. The electrodes 2 are energized and electroslag remelted. In the thermal module 1, liquid metal 4 is accumulated and thermostated, which is then continuously or semi-continuously poured through the outlet 8 with a stopper 7. The poured metal 4 enters the annular forming space between the water-cooled mold 5 and the mandrel 6, where it is fused with the seeds 14 of the pallet 13 and, whereby, it is stretched in the form of a tube billet 11. The billets 11 solidify in a directional direction, perpendicular to the crystallization front, the configuration of which coincides with the shape of the hole of the liquid metal 12. Depending on the wall thickness and the diameter of the workpiece 11, the casting speed is 40 ... 70 mm / min (2.4 ... 4.2 m / h) and can reach 100 ... 120 mm / min (6.0 ... 7.2 m / h).

В частных случаях, перед электрошлаковым переплавом тепловой модуль 1 подвергают предварительному подогреву, исходя из его теплоемкости, как правило, до температуры 700…1100°C посредством электронагревателей 10, что позволяет предотвратить «намерзание» металла в первоначальный момент плавки, сопровождающийся интенсивным отбором тепла на прогрев футеровки теплового модуля 1. Накопление и термостатирование жидкого металла 4 осуществляют с электромагнитным перемешиванием. Накопление и термостатирование жидкого металла 4 осуществляют также с подогревом электронагревателями 10 теплового модуля 1, что гарантирует отсутствие «намерзания» металла. Разливку жидкого металла 4 осуществляют в промежуточное формообразующее устройство 9 с подогревом (или без него) электронагревателями 10. Разливку жидкого металла 4 осуществляют порционно, что позволяет в непрерывном режиме получать заготовки 11 и повысить стойкость теплового модуля 1 за счет исключения термоударов.In special cases, before electroslag remelting, the thermal module 1 is subjected to preheating, based on its heat capacity, as a rule, to a temperature of 700 ... 1100 ° C by means of electric heaters 10, which helps to prevent “freezing” of the metal at the initial instant of melting, accompanied by intensive heat removal to heating the lining of the thermal module 1. The accumulation and temperature control of the liquid metal 4 is carried out with electromagnetic stirring. The accumulation and temperature control of the liquid metal 4 is also carried out with heating by electric heaters 10 of the thermal module 1, which guarantees the absence of "freezing" of the metal. The casting of liquid metal 4 is carried out in an intermediate forming device 9 with heating (or without it) by electric heaters 10. The casting of liquid metal 4 is carried out in batches, which allows continuous production of billets 11 and increases the resistance of thermal module 1 by eliminating thermal shocks.

ЭШЛ трубных заготовок данным способом повышает скорости плавки и литья, снижает энергозатраты и расширяет технологические возможности получения трубных заготовок, особенно с тонкой стенкой.ESL of pipe billets in this way increases the speed of melting and casting, reduces energy consumption and expands the technological capabilities of producing pipe billets, especially with a thin wall.

Указанный положительный эффект подтвержден апробированием способа в соответствии с изобретением в опытно-промышленных условиях.The specified positive effect is confirmed by testing the method in accordance with the invention under experimental industrial conditions.

Claims (5)

1. Способ электрошлакового литья трубных заготовок, включающий электрошлаковый переплав расходуемых электродов, формирование трубной заготовки в кристаллизаторе с дорном и ее вытяжку, отличающийся тем, что электрошлаковый переплав осуществляют в тепловом модуле, в котором осуществляют накапливание и термостатирование жидкого металла, который затем разливают через его выпускное отверстие со стопорным механизмом в кристаллизатор с дорном, размещенные под тепловым модулем.1. A method of electroslag casting of pipe billets, including electroslag remelting of consumable electrodes, forming a tube stock in a mold with a mandrel and its extraction, characterized in that electroslag remelting is carried out in a thermal module, in which the liquid metal is accumulated and thermostated, which is then poured through it an outlet with a locking mechanism in the mold with a mandrel, placed under the thermal module. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед электрошлаковым переплавом тепловой модуль предварительно нагревают до заданной температуры.2. The method according to claim 1, characterized in that before the electroslag remelting, the thermal module is preheated to a predetermined temperature. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что накопление и термостатирование жидкого металла осуществляют с электромагнитным перемешиванием и с подогревом теплового модуля.3. The method according to claim 1, characterized in that the accumulation and temperature control of the liquid metal is carried out with electromagnetic stirring and heating of the thermal module. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что разливку жидкого металла осуществляют в промежуточное формообразующее устройство с подогревом или без него.4. The method according to claim 1, characterized in that the casting of liquid metal is carried out in an intermediate forming device with or without heating. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что разливку жидкого металла осуществляют порционно. 5. The method according to claim 1, characterized in that the casting of liquid metal is carried out portionwise.

Images