Электрошлаковый

Когда говорят про электрошлаковый переплав, первое, что приходит в голову многим, даже некоторым технологам, — это 'очистка металла от неметаллических включений'. Конечно, это важнейшая функция, но зацикливаться только на ней — значит упускать из виду половину потенциала процесса. На практике, особенно при работе с ответственными поковками для энергомашиностроения, куда важнее становится управление макро- и микроструктурой слитка, формирование плотной, однородной осевой зоны без усадочных раковин и ликвации. Вот на этом часто и спотыкаются.

От теории к цеху: где кроется разрыв

В учебниках процесс электрошлакового переплава описан идеально: устойчивый шлаковый бассейн, капля за каплей, направленная кристаллизация. Но когда стоишь у печи, например, у нашей 5-тонной ЭШП, понимаешь, что ключ — не в схеме, а в 'чувстве' процесса. Температура шлака, его химический состав и вязкость — величины, которые не измеришь постоянно прямыми методами в ходе плавки. Опытный мастер-плавильщик часто ориентируется по цвету свечения, по характеру звука дуги (вернее, её отсутствия, ведь мы стремимся к бесшумному электрошлаковому режиму), по поведению осадки электрода.

Одна из частых проблем на старте — нестабильность теплового режима в начале переплава. Пока не сформировался полноценный металлический расплав под шлаком, есть риск локальных перегревов или, наоборот, застывания. Мы на своем опыте в ООО 'Цзиюань Юйбэй' пришли к строгому регламенту подготовки 'затравки' — того начального количества металла в кристаллизаторе, от которого всё начинается. Недостаток — и процесс не запустится нормально, избыток — можно получить нежелательную ликвацию в нижней части слитка. Здесь никакая автоматика не заменит глаз и опыт.

И вот еще что: многие заказчики, запрашивая электрошлаковый переплав, требуют 'максимально возможную чистоту по сере и фосфору'. Но тут есть физико-химический предел, определяемый основностью шлака. Можно взять высокоосновной фторидный шлак для глубокой десульфурации, но он агрессивен к футеровке кристаллизатора и сложнее в управлении по вязкости. Чаще идем на компромисс, подбирая шлаковую смесь под конкретную марку стали и требования по ударной вязкости. Иногда 'слишком чистая' сталь — это плохо для некоторых механических свойств, об этом почему-то забывают.

Оборудование и его характер: наша ЭШП-печь

У нас в цеху стоит электропечь для электрошлакового переплава с водяным охлаждением кристаллизатора. Аппарат не новый, но надежный. Главная его 'физиономия' — это система подвода тока и перемещения каретки с электродом. Люфты в механизме подачи — это кошмар. Приведу случай: как-то делали слиток из жаропрочной стали для диска турбины. В середине плавки заметили едва уловимое подрагивание стрелки амперметра. Механик сказал — 'ничего страшного'. В итоге в теле слитка, после ковки и прошивки, ультразвук показал неоднородность. Пришлось пускать заготовку на менее ответственные детали. Причина — микровибрация электрода нарушила стабильность роста фронта кристаллизации.

Поэтому у нас теперь строжайший график проверки всех направляющих и винтовых пар на каретке. Это не по мануалу, это по крови. И еще момент с охлаждением. Вода в кристаллизаторе должна идти с определенным давлением и температурой. Летом, когда температура оборотной воды поднимается, скорость кристаллизации меняется. Если не скорректировать режим переплава (скорость, ток), можно получить более крупный столбчатый кристаллит, что потом аукнется при ковке анизотропией свойств.

После электрошлакового переплава слиток отправляется на наш гидравлический пресс. И здесь есть прямая связь. Структура слитка ЭШП, та самая мелкозернистая и плотная, позволяет применять более высокие степени деформации при ковке без риска образования внутренних трещин. По сравнению с обычным литьем, это сразу видно по поведению металла под бойком — он 'течет' равномернее. Мы часто ковали валы из сталей типа 34ХН1М и 25Х1М1Ф после ЭШП. Металлолом практически нулевой, что для производства с годовым объемом поковок в 5000 тонн, как у нас, — серьезный аргумент в экономике процесса.

Взаимодействие с последующими переделами: отжиг и термообработка

Вышел слиток из-под электрошлакового кристаллизатора — это только полдела. Его структура напряжена, есть остаточные напряжения. Обязательный этап — гомогенизирующий отжиг. Но вот парадокс: иногда технологи, зная о высокой чистоте металла ЭШП, уменьшают время выдержки при отжиге. Это ошибка. Задача отжига здесь — не только снять напряжения, но и позволить пройтись процессам диффузии, выравниванию микрохимической неоднородности внутри дендритов, которая, хоть и минимальна, но присутствует. Мы для своих поковок из легированных сталей держим выдержку на 20-25% дольше, чем для аналогичных сталей обычной выплавки.

Потом идет ковка, и после нее — улучшение (термоулучшение). Здесь преимущество ЭШП-металла раскрывается полностью. Из-за отсутствия крупных неметаллических включений и плотной структуры, предел выносливости и ударная вязкость после закалки и высокого отпуска получаются стабильными по всему сечению поковки. Мы это фиксировали на механических испытаниях образцов, взятых с сердцевины крупных валов. Разброс показателей минимальный. Для заказчика, который потом будет обрабатывать эту поковку на наших же горизонтальных токарных станках, это тоже плюс — обрабатываемость предсказуемая, без сюрпризов в виде твердых включений, которые могут сломать резец.

Был у нас опыт с изготовлением кованых втулок для нефтегазовой арматуры из коррозионно-стойкой стали. Заказчик изначально сомневался, нужен ли им электрошлаковый переплав, аргументируя тем, что нагрузки не критические. Уговорили на пробную партию. После всех операций, включая механическую обработку, детали прошли гидроиспытания на давление, значительно превышающее паспортное. Ни одной микротечи. Сейчас это постоянная номенклатура. Суть в том, что надежность часто закладывается не в 'сверхнагрузках', а в отсутствии слабых мест, которые как раз и убирает ЭШП.

Экономика процесса: когда оно того стоит

Не буду лукавить — электрошлаковый переплав удорожает себестоимость тонны металла. Энергозатраты, расход электродов и шлаковых смесей, более долгий цикл. Поэтому гнаться за его применением для всех изделий — путь в никуда. Наше производство, ООО 'Цзиюань Юйбэй Тяжёлое литейно-кузнечное производство', выработало для себя четкие критерии. ЭШП мы применяем для: 1) Ответственных деталей вращения (валы, роторы, диски), работающих под динамическими нагрузками и/или на высоких скоростях. 2) Крупногабаритных поковок, где важен контроль структуры по всему сечению. 3) Сталей и сплавов, склонных к макроликвации при обычной разливке. 4) Изделий, где критична поперечная ударная вязкость и сопротивление хладноломкости.

Для рядовых поковок из углеродистых и низколегированных сталей, где достаточно уровня свойств после качественной ковки и термообработки, мы используем проверенный металл обычной выплавки. Это вопрос здравого смысла и оптимизации затрат. Наши 30 человек в цеху — это не только операторы, но и технологи, которые должны понимать, на каком этапе и зачем добавляется эта операция. Без этого понимания ЭШП превращается в дорогой фетиш.

Иногда к нам обращаются с просьбой 'немного улучшить' свойства уже готовой поковки, сделанной из обычного слитка. Увы, волшебства нет. Электрошлаковый переплав — это фундамент. Его преимущества нельзя 'добавить' потом, термической обработкой или механической обработкой на токарном станке. Это свойство, заложенное в самом слитке. Поэтому так важен диалог с заказчиком на этапе технического задания, чтобы сразу определить необходимость ЭШП и заложить это в технологическую цепочку.

Вместо заключения: мысль вслух о будущем передела

Смотрю иногда на наш электрошлаковый агрегат и думаю — куда двигаться дальше? Вакуумный дуговой переплав (ВДП) для нас пока не актуален по номенклатуре. Но есть направление, которое интересно, — это управление процессом через более точный контроль состава шлака в реальном времени и, возможно, внепечное рафинирование металла перед ЭШП. Не для всего, конечно. Но для самых ответственных заказов, где требуется сверхвысокая чистота по газам (водороду, кислороду), это могло бы стать следующим шагом.

Пока же мы сосредоточены на том, чтобы выжать максимум надежности и стабильности из того, что есть. Чтобы каждый слиток, вышедший из нашей ЭШП-печи, потом на ковочном прессе, в печах отжига и термических печах, а затем и на токарных станках, превращался в деталь, которая отработает свой ресурс без сучка и задоринки. В этом, если вдуматься, и заключается вся суть нашей работы как производственников. Не в гонке за супертехнологиями, а в глубоком понимании и безупречном исполнении проверенных процессов, где электрошлаковый переплав — один из ключевых, но не единственный кирпич в фундаменте качества.