Порівняння методів електрошлакового переплаву (ЕШП) та вакуумно-дугового переплаву (ВДП)
ЕШП (Electroslag Remelting, ESR) та ВДП (Vacuum Arc Remelting, VAR) є основними процесами вторинного переплаву, що використовуються для рафінування високоякісних сталей, суперсплавів на основі Ni, Ti тощо, а також для отримання спеціальних матеріалів. Вони дають можливість виготовляти литво високої чистоти з однорідною структурою та мінімальною кількістю включень. Обидва ці методи ґрунтуються на переплаві витратного електрода у водоохолоджуваному мідному кристалізаторі, але відрізняються механізмом нагрівання та рафінування.
Короткий опис технологічних особливостей процесів:
ЕШП (ESR). Електрод занурюється в розплавлений шлак, як правило, на основі CaF₂, CaO, Al₂O₃. Електричний струм, проходячи через шар шлаку, нагріває його, краплі металу, проходячи через шлак, хімічно очищаються, відбувається видалення сірки, оксидів та неметалевих включень. Процес виконується у нормальних атмосферних умовах чи умовах захисного газу.
ВДП (VAR). Електрод плавиться у вакуумі електричною дугою при тиску близько 0,001 mбар. Краплі металу капають безпосередньо в кристалізатор. Рафінування здійснюється фізичним шляхом - видаленням газів (H, N, O) та випаром летючих домішок.
Ключове порівняння методів переплаву на основі особливостей процесу, переваг, обмежень та основних областей використання.
Метод електрошлакового переплаву (ЕШП)
Механізм нагріву
Резистивне нагрівання змінним струмом через провідний шлак; стабільний, буферизований розподіл тепла.
Механізм рафінування
Хімічний; шлак видаляє сірку, оксиди, неметалеві включення
Довкілля
Повітря або захисна атмосфера інертних газів; шлак діє як бар'єр для окислення та інструмент для видалення домішок.
Можливості рафінування
Відмінне видалення оксидів, сульфідів та неметалічних сполучень шляхом реакцій у шлаку; десульфурізація рівня окремих частин на мільйон; дрібніші, однорідні включення; зберігає для найкращої пластичності розкислювачі, такі як магній.
Переваги
Чистіший матеріал без білих плям; більш висока пластичність та однорідність; гладка поверхня зливка (не потрібна механічна обробка); гнучкі розміри/форми злитків (діаметр до 3000 мм >200 т); менша чутливість до дефектів електрода; економічно вигідно для великомасштабного виробництва; чудово контролює вміст сірки та розподіл включень.
Недоліки
Потенційні втрати внаслідок окислення таких елементів, як Al, Si, Ti, (втрата Al 0,10-0,15%); вище енергоспоживання; ризик поглинання водню (знижується у закритих системах); можуть спостерігатися плями при запуску або дефекти каналів у великих зливках; потрібні електроди з низьким вмістом газу.
Властивості матеріалу
Покращення параметрів приблизно на 20% порівняно з металом, виплавленим на повітрі; чудова пластичність (наприклад, завдяки співвідношенню Mg: S >1:1); більш чистий матеріал із дрібнішими включеннями; порівняльна сегрегація з VAR під час оптимізації; відсутність великих агломерацій.
Застосування
Високоміцні сталі для морської, хімічної та аерокосмічної промисловості; великі поковки, інструменти та штампи; потрійна плавка (VIM/ESR/VAR) для суперсплавів.
Вартість та переваги у застосуванні
Як правило, нижча вартість; варіюється в залежності від заводу та серійності виробництва.
Метод вакуумно-дугового переплаву (ВДП)
Механізм нагріву
Електрична дуга постійного струму; нестабільний джерело тепла без теплового буфера, схильний до коливань.
Механізм рафінування
Фізичний; дегазація, випарювання домішок.
Довкілля
Вакуум; мінімізує вплив атмосферних перешкод та дозволяє дегазувати леткі речовини.
Можливості рафінування
Хороша дегазація водню та азоту, а також видалення елементів з високим тиском пари, таких як Pb, Sn; переносить включення безпосередньо.
Переваги
Більш тонка мікроструктура та відстань між вторинними дендритними гілками; кращий контроль сегрегації (наприклад, менше плям); інертний до реактивних елементів (стабільне вилучення Al, Ti, Nb); ефективний для видалення летких речовин; більш висока щільність зливка; Переважно для надчистих застосувань, таких як нікелеві та титанові суперсплави.
Недоліки
Схильність до утворення білих плям, полиць та включень через нестабільність дуги; відсутність десульфуризації; втрати від випаровування необхідних хімічних елементів (наприклад, Mn); потрібна механічна обробка поверхні електрода; обмежений розмір зливка; більш високий ризик непомітних тріщин від бипленок; більша чутливість до якості електрода.
Властивості матеріалу
Аналогічне вдосконалення властивостей на 20%; трохи кращий опір втоми, завдяки дрібнішим включенням; стабільний хімічний склад, але більш забруднений включеннями; змінне вилучення магнію, що впливає на пластичність.
Застосування
Нікелеві сплави для авіації та аерокосмічної галузі; тугоплавкі метали; критично важливі компоненти, що вимагають низького вмісту летких речовин.
Вартість та переваги у застосуванні
Вища вартість установки для вакууму; ціна залежить від таких факторів, як розмір печі.
Пріоритети для вибору процесів рафінування:
- ЕШП переважно використовувати для рафінування матеріалів, де наявність неметалевих включень та сірки має критично важливе значення, наприклад, в енергетиці, виробництві підшипникових та інструментальних сталей.
- ВДП бажано використовувати при виробництві високотехнологічних та аерокосмічних сплавів, де має важливе значення мінімальна насиченість газових включень та ідеальна чистота.
- Найвищі якісні показники досягаються використанням таких комбінацій технологічних процесів, як потрійний переплав VIM-ESR-VAR, що вдвічі зменшує наявність сторонніх включень порівняно з одиночним ESR.
Одним із ключових завдань Дослідного заводу спецелектрометалургії є розробка та впровадження унікального технологічного обладнання та ефективних методів металообробки з використанням оптимальних технологічних процесів рафінування спеціальних сталей. З метою впровадження технологій ЕШП та ВДП підприємство розробляє та виготовляє такі компоненти технологічного обладнання для цих методів, як мідні водоохолоджуючі кристалізатори та форми для них, вакуумні камери, маніпулятори та інше спеціальне технологічне оснащення.