Эта статья обобщает результаты исследований, целью которых было производство электрошлаковых слитков-слябов.
Производство слитков некруглого сечения, конечно, не ново, как сама плавка с расходуемым электродом. Слитки квадратного и восьмиугольного сечения получали при вакуумно-дуговом переплаве (ВДП), однако это не нашло применения в промышленном масштабе. Это связано в основном с трудностями изготовления требующегося фасонного профиля медного кристаллизатора, который подвергается действию вакуума внутри и высокому давлению воды (в несколько атмосфер) снаружи. Отсутствие вакуума при электрошлаковом переплаве (ЭШП) значительно уменьшает трудности получения слитков некруглого сечения.
Производство слябов-слитков фигурного сечения при ЭШП описано в некоторых источниках, но размеры слитков довольно малы. Максимальное отношение ширины и толщины слябов было от 2 до 3. Целью исследований было получение слябов промышленных размеров для различных сплавов с отношением ширины и толщины до 10. Показана возможность производства слитков-слябов, которые могут быть прокатаны без предварительной зачистки поверхности, ковки или обжатия. Возможность прокатки слитков, полученных переплавом, без ковки или зачистки, дает существенную экономию. Это особенно выгодно тем заводам, где основное пооперационное оборудование (пресс или обжимной стан) при производстве основной продукции является узким местом. На таких заводах производство фигурных слитков-слябов способствует увеличению производительности благодаря ликвидации узких мест. В добавление к сказанному выше следует отметить, что преимущества электрошлаковой плавки, конечно, сохраняются и при этом процессе.
Преимуществом изготовления профильных слитков-слябов является увеличение отношения периметра слитка к площади его поперечного сечения. Плавка с расходуемым электродом — это процесс, в котором непрерывно существует критическое равновесие между подводимым теплом в ходе процесса и теплом, удаляемым охлаждающей водой. Это равновесие необходимо, так как нужно непрерывно поддерживать постоянный объем расплавляемой металлической ванны. В течение плавки большей части слитка (за исключением нижней) главная часть тепла удаляется через боковые стенки кристаллизатора. Из этого следует, что в профильном слитке-слябе, который имеет большую поверхность стенок кристаллизатора, чем круглый слиток эквивалентного диаметра, может быть удалено (при прочих равных условиях) большее количество тепла. Это означает, что слиток-сляб может быть получен при более высокой скорости плавки, чем круглый слиток с равновеликим поперечным сечением. Действительно в первом приближении эквивалентность между круглым слитком и профильным слитком-слябом в большей степени является функцией периметра, чем сечения слитка.
В соответствии с тепловым подобием слиток-сляб 12,7x127,0 см более близок к круглому слитку диаметром 76,2 см, чем к круглому слитку диаметром 45,72 см с эквивалентным поперечным сечением. Многие поставщики сплавов, производящие круглые слитки, из которых в качестве конечного продукта изготовляют лист, могут не только снизить себестоимость, но также повысить производительность печей электрошлакового переплава за счет производства профильных слитков-слябов.
Было изучено также получение слитков из литых и катаных электродов-слябов, а в ряде случаев параллельно соединенных квадратных или круглых электродов. Использование литых электродов на промышленной печи экономически выгодно. Полученные слитки имели размер поперечного сечения от 12,7х127 до 51х152 см2. Производство электродов для слитков 51х152 дюймов не вызывает затруднений. Однако производство литых электродов для слитка 12,7x127 см требует создания специальной литейной техники. В некоторых случаях для этого целесообразно использовать непрерывную отливку электродов. В ранних опытах плавки начинали с использованием холодного или сухого шлака. Этот тип разведения процесса в основном используется для получения круглого слитка и освоен хорошо, в частности, для небольших размеров. Для больших круглых слитков эта технология в значительной степени зависит от квалификации печного оператора. Например, на слитке диаметром 60,96 см начало плавки на сухом шлаке может потребовать до 1 ч до полного расплавления шлака. Эти трудности возрастают для слитка-сляба в связи с увеличением поверхности охлаждения. Поскольку это стало очевидным на первом этапе исследования, то ведение процесса на жидком шлаке оказалось почти незаменимым. Группа ЭШП в Шеффилде разработала надежные методы введения жидкого шлака в основание кристаллизатора. Применение этих методов представляется важным шагом вперед в развитии этого вида процесса.
Введение жидкого шлака в основание кристаллизатора дает возможность достигнуть полной мощности в короткое время и получать с исключительно гладкими, неповрежденными стенками и донной частью. Это усовершенствование технологии позволяет разведение процесса проводить быстрее, надежнее и проще. Отсутствие вакуума при электрошлаковом переплаве не исключает проблем, связанных с кристаллизатором. Круглый кристаллизатор, используемый для серийных плавок, при нагреве расширяется равномерно, сохраняя жесткость. Много сотен плавок можно сделать в круглом кристаллизаторе без существенной его деформации, коробления или разрушения. Это в основном справедливо для ведения процесса на жидком шлаке.
Плоские стороны прямоугольного кристаллизатора подвергаются повторяющемуся нагреву и охлаждению в сочетании с действием температурного градиента, который постоянно существует между внутренней и наружной поверхностью меди. Все это создает постоянную склонность к деформации всей конструкции. Кроме того, введение жидкого шлака через дно требует в конструкции кристаллизатора специального ограждения (в отличие от кристаллизатора ВДП, который не имеет ограждения и которое превращено в постоянный резервуар и считается составной частью печи). Вследствие различного расширения горячей меди и водоохлаждаемого кожуха деформация неизбежна. Во избежание ее необходимо применять кристаллизатор с кожухом, который поддерживает медную стенку и ограничивает стремление меди к деформации. Вместе с тем медь может свободно расширяться вдоль плоскости водяного кожуха.
Центральная часть длинного кожуха узкого кристаллизатора вообще недоступна для ремонта внутри. Незначительный ремонт (или даже осмотр) такого кристаллизатора может явиться серьезной проблемой. В связи с этим кристаллизаторы, использовавшиеся в этой программе, были разделены, по крайней мере, на две части, а некоторые кристаллизаторы состояли из четырех отдельных частей, имеющих индивидуальные кожухи и скрепленных болтами. Считается, что в слитке, выплавленном в кристаллизаторах этого типа, образуются квадратные углы, которые будут наносить вред вследствие возникновения концентрационных напряжений в процессе последующей прокатки. На практике слитки изготовляют с небольшими радиусами, благодаря чему увеличивается охлаждение поверхностной пленки шлака в углах изложницы.
Как было показано выше, выплавляли слитки-слябы относительно небольшого размера, в действительности может потребоваться мощность такая же, как для плавки значительно большего круглого слитка. Это ограничивало размер слитков, так как плавки проводили на однофазной печи переменного тока с относительно небольшой мощностью. В связи с этим с поперечным сечением перспективные слитки 20,32x101,6 см получали только из сплавов на никелевой основе, которые требуют значительно меньшей мощности, чем железные сплавы. Слитки из железных сплавов имели полосчатую поверхность, характерную для слитков ЭШП, переплавленных при недостаточной мощности.
Вторая часть программы исследований была проведена на высокомощной 15-т печи завода в г. Конзаке, который имеет собственное обрабатывающее оборудование. Ограниченная подача мощности на этом заводе делает невозможной работу печи по трехфазной схеме, поэтому для плавки использовали постоянный ток. О различии между электрошлаковым переплавом на постоянном и на переменном токе много говорилось и писалось. Известно, что ионная природа тока, передающегося через шлак, влияет как на окончательный химический состав слитка, так и на скорость плавки, которая зависит от подводимой мощности. Химическое воздействие является результатом электролитических реакций, в то время как различия в скорости плавки могут быть результатом поверхностных явлений на границе шлак—металл, а именно изменения полярности и выделения газа. Эти воздействия могут иметь и комплексную природу и зависеть от химического состава переплавляемого металла и шлака, что связано с изменением полярности.
Опыты показали, что скорость плавки с отрицательным электродом эквивалентна скорости плавки на переменном токе и что скорость плавки с положительным электродом на 10—40% меньше скорости плавки на переменном токе при эквивалентной подводимой мощности.
Эти результаты были подтверждены при работе в производственных условиях.
На практике было найдено, что переменный ток способствует лучшей десульфурации, хотя, согласно ионной теории, плавка на постоянном токе с положительным электродом в этом случае должна иметь преимущества.