Сравнение методов электрошлакового переплава (ЭШП) и вакуумно-дугового переплава (ВДП)
ЭШП (Electroslag Remelting, ESR) и ВДП (Vacuum Arc Remelting, VAR) являются основными процессами вторичного переплава, использующимися для рафинирования высококачественных сталей, суперсплавов на основе Ni, Ti и т.п., а также для получения специальных материалов. Они дают возможность изготавливать слитки высокой чистоты с однородной структурой и минимальным количеством включений. Оба этих метода основываются на переплаве расходного электрода в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе, но отличаются механизмом нагрева и рафинирования.
Краткое описание технологических особенностей процессов:
ЭШП (ESR). Электрод погружается в расплавленный шлак, как правило на основе CaF₂, CaO, Al₂O₃. Электрический ток, проходя через слой шлака, нагревает его, капли металла, проходя через шлак, химически очищаются, происходит удаление серы, оксидов и неметаллических включений. Процесс выполняется в нормальных атмосферных условиях или в условиях защитного газа.
ВДП (VAR). Электрод плавится в вакууме электрической дугой при давлении порядка ~0,001 mбар. Капли металла капают непосредственно в кристаллизатор. Рафинирование осуществляется физическим путем - удалением газов (H, N, O) и испарением летучих примесей.
Ключевое сравнение методов переплава на основе особенностей процесса, преимуществ, ограничений и основных областей использования.
Метод електрошлакового переплава (ЭШП)
Механизм нагрева
Резистивный нагрев переменным током через проводящий шлак; стабильное, буферизованное распределение тепла.
Механизм рафинирования
Химический; шлак удаляет серу, оксиды, неметаллические включения.
Окружающая среда
Воздух или защитная атмосфера инертных газов; шлак действует как барьер для окисления и инструмент для удаления примесей.
Возможности рафинирования
Отличное удаление оксидов, сульфидов и неметаллических соединений путем реакций в шлаке; десульфуризация до уровня отдельных частей на миллион; более мелкие, однородные включения; сохраняет для лучшей пластичности раскислители, такие как магний.
Преимущества
Более чистый материал без белых пятен; более высокая пластичность и однородность; гладкая поверхность слитка (не требуется механическая обработка); гибкие размеры/формы слитков (диаметр до 3000 мм, >200 т); меньшая чувствительность к дефектам электрода; экономически выгодно для крупномасштабного производства; превосходно контролирует содержание серы и распределение включений.
Недостатки
Потенциальные потери в результате окисления таких элементов, как Al, Si, Ti, (потеря Al 0,10-0,15%); более высокое энергопотребление; риск поглощения водорода (снижается в закрытых системах); могут наблюдаться пятна при запуске или дефекты каналов в больших слитках; требуются электроды с низким содержанием газа.
Свойства материала
Улучшение параметров примерно на 20% по сравнению с металлом, выплавленным на воздухе; превосходная пластичность (например, благодаря соотношению Mg:S >1:1); более чистый материал с более мелкими включениями; сопоставимая сегрегация с VAR при оптимизации; отсутствие крупных агломераций.
Применение
Высокопрочные стали для морской, химической и аэрокосмической промышленности; крупные поковки, инструменты и штампы; тройная плавка (VIM/ESR/VAR) для производства суперсплавов.
Стоимость и предпочтения
Как правило, более низкая стоимость; варьируется в зависимости от завода и масштаба.
Метод вакуумно-дугового переплава (ВДП)
Механизм нагрева
Электрическая дуга постоянного тока; нестабильный источник тепла без теплового буфера, подверженный колебаниям.
Механизм рафинирования
Физический; дегазация, выпаривание примесей.
Окружающая среда
Вакуум; минимизирует влияние атмосферных помех и позволяет дегазировать летучие вещества.
Возможности рафинирования
Хорошая дегазация водорода и азота, а также удаление элементов с высоким давлением пара, таких как Pb, Sn; переносит включения напрямую.
Преимущества
Более тонкая микроструктура и расстояние между вторичными дендритными ветвями; лучший контроль сегрегации (например, меньше пятен); инертен к реактивным элементам (стабильное извлечение Al, Ti, Nb); эффективен для удаления летучих веществ; более высокая плотность слитка; Предпочтительно для сверхчистых применений, таких как никелевые и титановые суперсплавы.
Недостатки
Склонность к образованию белых пятен, полок и включений из-за нестабильности дуги; отсутствие десульфуризации; потери от испарения необходимых химических элементов (например, Mn); требуется механическая обработка поверхности электрода; ограниченный размер слитка; более высокий риск незаметных трещин от бипленок; большая чувствительность к качеству электрода.
Свойства материала
Аналогичное улучшение свойств на 20%; незначительно лучшее сопротивление усталости, благодаря более мелким включениям; стабильный химический состав, но потенциально более загрязненный включениями; переменное извлечение магния, влияющее на пластичность.
Применение
Никелевые сплавы для авиации и аэрокосмической отрасли; тугоплавкие металлы; критически важные компоненты, требующие низкого содержания летучих веществ.
Стоимость и предпочтения
Более высокая стоимость установки для вакуума; стоимость зависит от таких факторов, как размер печи.
Приоритеты для выбора процессов рафинирования:
- ЭШП предпочтительно использовать для рафинирования материалов, где наличие неметаллических включений и серы имеет критически важное значение, например, в энергетике, производстве подшипниковых и инструментальных сталей.
- ВДП желательно использовать при производстве высокотехнологичных и аэрокосмических сплавов, где имеет важное значение минимальная насыщенность газовых включений и идеальная чистота.
- Наивысшие качественные показатели достигаются использованием таких комбинаций технологических процессов, как тройной переплав VIM-ESR-VAR, вдвое уменьшающий наличие посторонних включений по сравнению с одиночным ESR.
Одним из ключевых заданий Опытного завода спецэлектрометаллургии является разработка и внедрение уникального технологического оборудования и эффективных методов металлообработки и с использованием оптимальных технологических процессов рафинирования специальных сталей. С целью внедрения технологий ЭШП и ВДП предприятие разрабатывает и изготавливает такие компоненты технологического оборудования для этих методов, как медные водоохлаждающие кристаллизаторы и формы для них, вакуумные камеры, манипуляторы и другую специальную технологическую оснастку.