UA25600C2 - Спосіб електрошлакового наплавлення заготовок круглого перерізу - Google Patents

Abstract

Винахід відноситься до спеціальної електрометалургії – способів електрошлакового наплавлення, переважно тіл обертання, зокрема подовжених деталей і може бути використаний при виробництві і ремонті валків прокатних станів, роликів машин безперервної розливки заготовок, рольгангів прокатних сталей, нагрівних печей тощо. Спосіб електрошлакового наплавлення заготовок круглого перерізу полягає у встановленні заготовки у секційний струмопідвідний кристалізатор, у якому процес електрошлакового наплавлення ведуть з одночасним витягуванням наплавленої заготовки. При цьому рідкий шлак, а потім рідкий метал, які приготовлено поза наплавлюючим агрегатом, заливають у зазор між наплавлюваною заготовкою і стінкою кристалізатора, причому заливання рідкого металу на дзеркало шлакової ванни ведуть з швидкістю, величина якої v кг\хв чисельно пов'язана з потрібним діаметром наплавленої поверхні D мм і товщиною наплавленого шару t мм співвідношенням v = k1t (D - t), де k1 = (1,2 - 4,9) 104, підтримуючи потужність на шлаковій ванні P1 кВт чисельно рівною k2D, де k2 = 0,6 - 1,2. При порційному заливанні рідкого присаджувального металу величина порції n кг чисельно не перевищує величину k3t (D - t), де k3 = (0,1 - 0,3) 10-3. Частоту подачі порцій заливаного рідкого металу контролюють автоматично за допомогою датчика рівня рідкого металу, введеного у формуючу секцію кристалізатора. Можливе перегрівання рідкого присаджувального металу у плавильному агрегаті до температури, яка перевищує температуру його ліквідусу на 100 - 200 °С з подальшим охолодженням перед заливанням у кристалізатор до температури ліквідусу. Перед початком введення присаджувального металу у струмопідвідний кристалізатор можливе підігрівання початкової ділянки наплавлюваної заготовки шляхом її електрошлакового обігріву при потужності на шлаковій ванні P2 кВт чисельно рівній k4D, де k4 = 0,3 - 0,6, до температури 450 - 600 °С. При використанні заявленого винаходу забезпечується оптимізація швидкості заливання рідкого металу у кристалізатор, режиму електрошлакового обігріву наплавюваної заготовки, що пов’язаний з потрібними товщиною наплавлюваного шару і діаметром самої заготовки, усунення небажаної структурної спадковості наплавленого металу, дрібнозернистість його структури та висока міцність наплавленого шару.

Description

Опис винаходу

Винахід відноситься до галузі спеціальної електрометалургії а більш конкретно - до способу 2 електрошлакового наплавлення переважно тел обертання, зокрема подовжених деталей, і може бути використано при виробництві і ремонті всіляких валків прокатних станів, роликів машин безперервної розливки заготовок, рольгангів прокатних станів, роликів нагрівальних печей і ін.

Широко відомо застосування для цих цілей різних методів наплавлення, включаючи електрошлакову, дозволяючих наносити на вказані вироби робочий шар з металу або інтерметалідів того ж або іншого хімічного 70 складу, що і основной виріб.

В цієї заявці не будуть розглядатись відомі способи наплавлення з застосуванням як матеріал для наплавлення твердих електродів у вигляді дроту, стрічки, труби і ін.

Найбільш прогресивним методом наплавлення вказаних виробів є наплавлення рідким металом, що дозволяє різко знизити собівартість процесу і виробів і використати у якості матеріалів для наплавлення 72 матеріали практично любих хімічних складів, які надзвичайно дороги або які у окремих випадках неможливо одержати у вигляді твердих електродів.

Наприклад, у патенті Великобританії Мо 1469113 від 30.03.1977 р. описаний спосіб електрошлакового наплавлення з застосуванням рідкого металу для наплавлення. Проте, використання звичайного - неструмопідвідного кристалізатора - не дозволило реалізувати цей процес у промислових масштабах, оскільки пристрій для його здійснення виявився надзвичайно складним і дорогим.

В публікації "Оемеюртепі ої Нідп-репогтапсе КоїЇ ру Сопіїписиз Рошгіпд Ргосевзв їог СіІадаіпоа" (ІІ

ІпФіегпайопа!ї, Мої. 32 (1992), Мо. 11, стор. 1202-1210) описаний спосіб наплавлення рідким металом, що нагадує по своєї суті процес вертикальної безперервної розливки сталі. Цей спосіб реалізований у промисловості, проте, по своєї суті він реалізує не сплавління наплавлюємого металу і заготовки, а їх пайку с між собою. Це обмежує можливості комбінування різних металів: наприклад, цим способом здійснюють покриття. (У сталевих валків з низьколегірованих сталей швидкоріжучої сталлю, проте не можуть здійснити теж саме для чавунних валків. Крім того, вказаний спосіб здійснюється у дуже вузьких межах технологічних параметрів, що приводить часто до порушення суцільності паяного з'єднання валка і наплавлюємого матеріалу.

В патенті США Мо 4.305.451 від 15.02.1981 р. описаний спосіб електрошлакового наплавлення у о струмопідвідному секційному кристалізаторі, якій є вільним від більшості вищеперелічених вад, проте, як ав матеріал для наплавлення в ньому описані у основному тверді шматкові присаджувальні матеріали (дроб, порошок, стружка і ін.), що обмежило застосування цього способу тільки для чавунних валків, наплавлюємих тим о ж чавуном. ю

Найбільш близький по сукупності ознак і тому взятий за прототип спосіб описаний у патенті ЕР Мо0063011 від 13.10.1994 МПК 8220 19/16, 11/00. В цьому патенті розкритий спосіб електрошлакового наплавлення заготовок сч круглого перерізу, який містить установку заготовки, яка призначена для наплавлення, у секційний струмопідвідний кристалізатор, заливання у зазор між наплавлюємою заготовкою і стінкою кристалізатора рідкого шлаку, який є електропровідним у рідкому стані і неелектропровідним у твердому стані, для створення « шлакової ванни, підвід електричної потужності до шлакової ванни, заливання рідкого присаджувального металу З 70 на рідкий шлак для наплавлення і ведення процесу електрошлакового наплавлення з одночасним витягуванням с наплавлюємої заготовки. Проте, цей спосіб здійснюють при неконтрольованому режимі електрошлакового

Із» обігріву наплавлюємої заготовки і швидкості заливання наплавлюємого металу у струмову (що нагрівається) частину кристалізатора, що невиправдано ускладнює його практичну реалізацію і не дозволяє одержати заготовки з сталим рівномірним проваренням по перерізу.

В основу винаходу, що пропонується, поставлена задача вдосконалити відомий 95 спосіб електрошлакового о наплавлення шляхом оптимізації швидкості заливання у кристалізатор рідкого металу і режиму 4! електрошлакового обігріву наплавлюємої заготовки, ув'язавши ці параметри з потрібними розмірами товщини наплавлюємого шару і діаметру наплавленої заготовки. б Поставлена задача вирішена тим, що запропонований спосіб електрошлакового наплавлення заготовок ав! 20 круглого перерізу, який містить установку заготовки, яка підлягає наплавці, у секційний струмопідвідний кристалізатор, заливання у зазор між наплавлюємою заготовкою і стінкою кристалізатора рідкого шлаку, с електропровідного у рідкому стані і не електропровідного у твердому стані, для створення шлакової ванни, підвід електричної потужності до шлакової ванни, заливання рідкого присаджувального металу на рідкий шлак для наплавлення і ведення процесу електрошлакового наплавлення з одночасним витягуванням наплавлюємої 25 заготовки, у якому, згідно винаходу, рідкий присаджувальний метал для наплавлення заливають на рідкий шлак

ГФ) безперервно з швидкістю, величина якої пов'язана з заданим діаметром наплавлюємої заготовки і заданою товщиною наплавлюємого шару вказаним співвідношенням: іме) - мк. (0-9, де у - швидкість заливання рідкого присаджувальногометалу (кг/хв),

Кі - (1,2. - 4,993 107 - коефіцієнт пропорційності, встановленийзалежно від фізичних характеристик наплавлюємого металу; Ї - задана товщина наплавленого шару (мм); ОО - заданий діаметр наплавлюємої заготовки (мм); при цьому підтримують потужність на шлаковій ванні чисельно рівної

Рі - КоО, 65 де Ру - потужність на шлаковій ванні (кВт);

Ко - 0,6 -1,2 - коефіцієнт пропорційності, встановлений залежно від фізичних характеристик матеріалу заготовки; р - заданий діаметр наплавлюємої заготовки (мм).

В такому способі потужність на шлаковій ванні, що обумовлює нагрівання і оплавлення поверхні наплавлюємої заготовки, пов'язана з потрібним діаметром наплавленої заготовки незалежно від товщини наплавки простим співвідношенням, у якому коефіцієнт пропорційності враховує можливі коливання фізичних властивостей (температуру плавління, тепло- і температуропровідність) матеріалу заготовки, яка підлягає наплавці, а також бажану величину проварення. Чим більше температура плавління, тепло- і температуропровідність матеріалу заготовки, що підлягає наплавці, а також бажана величина проварення, тим 70 більше значення коефіцієнта пропорційності Ко. Коефіцієнт пропорційності К/(що пов'язує швидкість заливання рідкого присаджувального металу у з потрібним діаметром наплавленої заготовки і товщини наплавки враховує можливі коливання фізичних властивостей (температуру плавління, тепло- і температуропровідність) наплавляемого матеріалу, а також потужність на шлаковій ванні. Чим менше температура плавління, тепло- і температуропровідність наплавлюємого матеріалу, і більше потужність на шлаковій ванні, тим більше значення 75 Коефіцієнта пропорційності.

Таке рішення дозволяє раціонально здійснити процес наплавлення зі створенням надійного з'єднання наплавлюємого матеріалу і заготовки для любого заданого діаметру заготовки і товщини наплавленого шару і будь-якої підводимої до шлакової ванни потужності.

Можливо рідкий присаджувальний метал для наплавлення заливати на рідкий шлак порціями, величина яких визначається співвідношенням: п - К3-КО- 5, де п - величині порції (кг),

Кз - (0,1 - 0,3) 1033 - коефіцієнт пропорційності, якій установлюють залежно від усередненою швидкості подачі рідкого присаджувального металу; с

Її - задана товщина наплавленого шару (мм); о р - заданий діаметр наплавлюємої заготовки (мм).

Подача металу порціями розширює можливе застосування способу, при цьому зберігається задана швидкість подачі рідкого присаджувального металу, яка у цьому випадку буде усередненою , і потужність на шлаковій ванні. Коефіцієнт пропорційності Кз, що пов'язує величину порції рідкого присаджувального металу п ав) з потрібним діаметром наплавленої заготовки і товщини наплавки враховує можливі коливання величини порції, о пов'язані з величиною усередненою швидкості подачі рідкого присаджувального металу і порушенням сталості проварення. Чим вище середня швидкість подачі рідкого присаджувального металу, тим вище значення (Се) коефіцієнта Кз. ю

Краще рідкий присаджувальний метал для наплавлення заливати на рідкий шлак при температурі, рівній температурі ліквідусу, для забезпечення дрібнозернистої структури наплавленого металу. Ге

Це дозволяє усунути небажану структурну спадкоємність наплавленого металу і забезпечити його дрібнозернисту структуру, яка забезпечує високі міцнісні характеристики наплавленого шару.

Доцільно рідкий присаджувальний метал для наплавлення заливати на рідкий шлак після електрошлакового « підігрівання наплавлюємої заготовки до температури 450 - 6007"С при потужності на шлаковій ванні, що визначається з співвідношення: - с Ра - КО, и де Ро- потужність на шлаковій ванні (кВт); ,» К. - 0,3 - 0,6 - коефіцієнт пропорційності, встановленийзалежно від фізичних характеристик матеріалу заготовки; р - заданий діаметр наплавленої заготовки (мм), ко для усунення імовірності створення холодних тріщин у основному і наплавленому металі на початковій сл ділянці наплавлення.

Це дозволяє здійснити попереднє підігрівання заготовки безпосередньо у кристалізаторі і усунути (о) імовірність створення холодних тріщин у основному і наплавленому металі на початковій ділянці наплавлення о 50 матеріалів, що загортовуються Це виключає необхідність застосування спеціальних термічних засобів для здійснення попереднього підігрівання. (42) Технічна суть і принцип дії винаходу пояснюються на прикладах виконання з посиланням на рисунки, що додаються .

На фіг.1 схематично показано розміщеня деталі, що підлягає наплавці, у секційному кристалізаторі, їх під'єднання до джерела живлення і операцію заливання у кристалізатор рідкого шлаку і рідкого металу для о наплавлення.

На фіг.2 схематично показана виплавка шлаку у флюсоплавильній печі. їмо) Суть способу, що пропонується, зводиться до наступного.

Заготовку 1, що підлягає наплавці, встановлюють у струмопідвідний секційний кристалізатор 2 (фіг.1) і 60 суміщують поздовжню вісь заготовки з поздовжньої віссю кристалізатора. Кристалізатор секціоновано по висоті на струмопідводну секцію 2 і формуючу секцію 3. Між струмопідводною верхньою секцією кристалізатора і формуючою секцією розташована проміжна секція 4. В боковій стінці формуючої секції встановлений датчик 5 рівня металевої ванни. Таке секціонування кристалізатора забезпечує рівномірність струмо- І теплорозподілів.

У флюсоплавильній печі 6 (фіг.2) виплавляють шлак, наприклад 1/3Сак »5 - 1/3Сао-1/ЗАІ2О»з і здійснюють 65 заливання у зазор між наплавлюемою заготовкою 1 і стінкою кристалізатора рідкого шлаку, електропровідного у рідкому стані і неелектропровідного у твердому стані, до рівня у струмопідвідній секції кристалізатора,

показаного на фіг.1, зі створенням шлакової ванни. Після цього вмикають джерело живлення 7 і підводять електричну потужність до шлакової ванни, яку встановлюють залежно від необхідного діаметру наплавленої заготовки, а отже і діаметру формуючої секції кристалізатора, шляхом змінення напруги холостого ходу джерела

Живлення.

Потім потужність на шлаковій ванні збільшують до значення згідно з залежністю Р. - КО, де О - заданий діаметр наплавлюємої заготовки, а К/- 0,6 - 1,2 залежно від фізичних характеристик матеріалу заготовки. Ця залежність виведена емпіричним шляхом Зниження коефіцієнта К їі нижче 0,6 не забезпечує очікуваного прогрівання заготовки, а збільшення вище 1,2 приводить до інтенсивного оплавлення поверхні заготовки. Після 7/0 виходу на заданий електричний режим починають процес наплавлення - здійснюють заливання рідкого металу для наплавлення, якій виплавляють у окремому агрегаті 8, у зазор між наплавлюємою заготовкою і стінкою кристалізатора з швидкістю у - КОКО - 9, де Ко - (1,2 - 4,99107 Її одночасно починають витяжку наплавлюємої заготовки з кристалізатора, підтримуючи постійним рівень рідкої металевої ванни за допомогою датчика рівня.

Ця залежність виведена емпіричним шляхом і визначається фізичними характеристиками наплавлюємого 75 металу. При величині коефіцієнта Ко нижче 1,2. 107 невиправдано сповільнюється швидкість електрошлакового наплавлення, а при перевищенні величини 4,9 . 107 ускладнюється одержання повного проварення. Заливання рідкого присаджувального металу на рідкий шлак можна здійснювати порційне з величиною порції п - Каї (0 -

О, де Кз - (0,1 - 0,3) 109 залежно від фізичних характеристик матеріалу заготовки. Ця залежність виведена емпірично. При величині Ку нижче 0,1 . 109 неможливо добитись утримування порції у рідкому стані. При величині КЗ вище 0,3. 107 сталість електричного режиму і проварення заготовки порушується.

На випадок використання для наплавленого шару матеріалу схильного до структурної спадкоємності, наприклад інструментальних швидкоріжучих сталей, температуру рідкого металу у окремому плавильному агрегаті перед заливанням його у проміжний ковш 8 або інший пристрій для заливання у струмопідвідний кристалізатор доводять до температури на 100 - 2007 С вище температури ліквідусу цього матеріалу, а після сч заливання у цей пристрій охолоджують рідкий присаджувальний метал до температури ліквідусу матеріалу, Го) після чого заливають цей метал у кристалізатор. Це дозволяє усунути небажану структурну спадкоємність наплавленого металу і забезпечити його дрібнозернисту структуру, яка забезпечує високі міцнісні характеристики наплавленого шару.

На випадок використання для наплавлення матеріалів, що сильно загартовуються, і необхідності о попереднього підігрівання наплавлюємої заготовки встановлюють потужність на шлаковій ванні згідно з (ав) залежністю Ро - КО, де Ку; - 0,3 - 0,6, і підтримують цю потужність до тих пір, поки температура початкової ділянки, тобто, ділянки, яка розташована безпосередньо над шлаковою ванною, не досягне температури 450 - і 600"С, вимірюваної будь-яким відомим способом, наприклад пірометром. Вказана залежність виведена. ІС о) емпірично і визначається фізичними характеристиками матеріалу заготовки. При Кі. меншому 0,3 неможливо прогріти заготовку до заданої температури, при К. більшому 0,6 нагрівання відбувається надто швидко, у см зв'язку з чим його стає важко контролювати.

В реальному випадку здійснення наплавлення по замовлюваному способу конкретні дані такі:

На вісь діаметром 27Омм з сталі типу БОХН необхідно наплавити шар інструментальної швидкоріжучої сталі « дю типу М2 товщиною 40мм. Виходячи з цього, для наплавлення обраний струмопідвідний кристалізатор з з внутрішнім діаметром формуючої секції кристалізатора, як і внутрішнім діаметром проміжної секції, рівним с ЗБ5Омм. Внутрішній діаметр струмопідвідної секції що складається у плані з двох частин, під'єднаних :з» послідовно до одного виводу пічного трансформатора промислової частоти потужністю 2500кВт, становить 43О0мм. Висота формуючої частини - 1бОмм, а струмопідводної - 7Омм. Вісь, що підлягає наплавці, має загальну довжину 2500мм. Наплавляють 1800мм сталлю типу М2. Піддон-затравку встановлюють на 15мм нижче т 15 верхнього зрізу формуючої секції і заливають шлак, приготовлений у окремій флюсоплавильній печі, до рівня 40мм вище нижнього зрізу струмопідводної секції і вмикають електричне живлення установки. Шляхом змінення 1 напруги холостого ходу трансформатора встановлюють потужність на шлаковій ванні рівну 150кВт і підігрівають б при цієї потужності початкову ділянку осі протягом 8 - 1Охв, поки температура поверхні осі на відстані 10 - 20мм над поверхнею дзеркала шлакової ванни, що визначається радіаційним пірометром, не досягне 600"С. (ав) Після цього підвищують потужність на шлаковій ванні до З00кВт і починають порційне заливання рідкого металу о з середньою швидкістю Зкг/хв, причому величина порції становить 2кг. Одночасно з подачею рідкого присаджувального металу здійснюють безперервну витяжку наплавлюємої осі з кристалізатора з швидкістю 10мм/хв. Частоту подачі порцій і момент подачі кожної наступної порції наплавлюємого металу визначають по сигналу датчика рівня, засвідчуючого про зниження рівня рідкого металу у формуючій секції кристалізатора 59 нижче рівня установки датчика.

ГФ) Сталь М2 розплавляють у окремому агрегаті шляхом електрошлакового переплаву витратного електрода у 7 футерованому вогнетривкім матеріалом тіглі на режимах, що забезпечують перегрівання металу до 16002С.

Подача рідкої сталі у кристалізатор здійснюється шляхом чЧчерпання Її з тігля холодним сталевим ковшем ємкістю во 2кг, охолодження сталі у ковшу до температури ліквідусу, що визначається по наявності гарнісажно кірочки на ковшу, і виливання рідкої сталі з ковша на дзеркало шлакової ванни у кристалізаторі у зазор між стінкою кристалізатора і віссю.

Таке здійснення способу забезпечує оптимізацію швидкості подачі заготовки у кристалізатор рідкого металу і режиму електрошлакового обігріву наплавлюємої заготовки, що, в свою чергу, дає можливість стабілізувати одержання наплавленої заготовки круглого перерізу з рівномірним проваренням по перерізу і висоті. бо Винахід може бути використано у металургії, причому найбільший ефект може бути одержаний при виробництві і ремонті подовжених деталей круглого перерізу, таких як валки прокатних станів, ролики машин безперервної розливки заготовок, рольганги прокатних станів, ролики нагрівальних печей і ін.

Claims (4)

2 Формула винаходу

1. Спосіб електрошлакового наплавлення заготовок круглого перерізу, що включає установлення заготовки, яка підлягає наплавленню, у секційний струмопідвідний кристалізатор, заливання у зазор між наплавлюваною /о Заготовкою і стінкою кристалізатора рідкого шлаку, електропровідного у рідкому стані і неелектропровідного у твердому стані, для створення шлакової ванни, підведення електричної потужності до шлакової ванни, заливання рідкого присаджувального металу на рідкий шлак для наплавлення і ведення процесу електрошлакового наплавлення з одночасним витягуванням наплавленої заготовки, який відрізняється тим, що рідкий присаджувальний метал для наплавлення заливають на рідкий шлак безперервно з швидкістю, величина якої пов'язана з заданими діаметрами наплавленої заготовки і заданою товщиною наплавленого шару вказаним співвідношенням: у - Кл - й, де ул - швидкість заливання рідкого присаджувального металу (кг/хв); - - коефіцієнт пропорційності, встановлений залежно від фізичних характеристик до - 02-40 наплавлюваного металу; Її - задана товщина наплавленого шару (мм); р - заданий діаметр наплавлюваної заготовки (мм); с при цьому підтримують потужність на шлаковій ванні чисельно рівною о в -Й, де р - потужність на шлаковій ванні (кВт); 1 | «в) ш - коефіцієнт пропорційності, встановлений залежно від фізичних характеристик матеріалу су да - 06-12 заготовки; іш р - заданий діаметр наплавленої заготовки (мм). юю

2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що рідкий присаджувальний метал для наплавлення заливають на Зо рідкий шлак порціями, величина яких визначається співвідношенням: с и - КИ - й, де п - величина порції (кг); « но - - коефіцієнт пропорційності, встановлений залежно від усередненою швидкості зо Кі -(01-0,510 - с подачі рідкого присаджувального металу; :з» Її - задана товщина наплавленого шару (мм); р - заданий діаметр наплавленої заготовки (мм). 15

3. Спосіб за пп. 1 і 2, який відрізняється тим, що рідкий присаджувальний метал для наплавлення заливають з на рідкий шлак при температурі, рівній температурі ліквідусу, для забезпечення дрібнозернистої структури наплавленого металу.

1

4. Спосіб за пп. 1 і 2, який відрізняється тим, що рідкий присаджувальний метал для наплавлення заливають ФУ на рідкий шлак після електрошлакового підігрівання наплавлюваної заготовки до температури 450-600" при потужності на шлаковій ванні, яку визначають з співвідношення: («в) - Р, -кВ, (42) й не . де р - потужність на шлаковій ванні (кВт); 2 ш - коефіцієнт пропорційності встановлений залежно від фізичних характеристик й. - 0,3 - 0,6 Ф) матеріалу заготовки; ка р - заданий діаметр наплавленої заготовки (мм), для усунення імовірності створення холодних тріщин у основному і наплавленому металі на початковій 60 ділянці наплавлення. б5