ЭШП стали и сплавов. Физико-химическая характеристика процессов при ЭШП.

Переплавные процессы представляют собой различные способы переплава (с целью повышения качества) слитков или заготовки, предварительно полученных обычными способами выплавки. Изменение состава переплавленных заготовок заключается лишь в том, что в них уменьшается содержание вредных примесей и включений.

Принципиальная схема ЭШП на рис. Электрическая цепь между расходуемым электродом и наплавляемым слитком замыкается через слой расплавленного шлака (электрическая дуга отсутствует). Жидкий шлак электропроводен, но обладает высоким сопротивлением, он нагревается до температуры 1700 – 2000 °С, в результате чего погруженный в него конец расходуемого электрода оплавляется и металл в виде капель проходит через слой шлака и застывает в ванне кристаллизатора в виде плотного слитка.

Основная часть печи ЭШП – водоохлаждаемый медный кристаллизатор, который состоит из поддона и цилиндра с водоохл-и стенками. Внутри кристаллизатора – расплавленный металл. На поверхности Ме – корочка (гарнисаж) застывшего флюса, который защищает Cu от воздействия горячего Ме. В нижней части слитка при ЭШП Ме закристаллизован и занимает меньший V, чем занимал жидкий Ме, следовательно образуется воздушная прослойка м/у гарнисажем на поверхности Ме.

«+»В зоне реакции Т выше, чем та, которую мы можем реализовать в обычных печах, капля успевает очиститься почти полностью (маленькая удельная поверхность), на торце расходуемого электрода образуется тонкая жидкая пленка с очень высоко идеальной поверхностью, гораздо больше, чем у капли. Эта пленка и капля находятся в условии интенсивных конвективных потоков, что способствует обновлению поверхности. В методе ЭШП реализована направленная кристаллизация Ме в слитке (с низу вверх) и это способствует очистке металла от примесей, т.к. растворимость многих примесей в тв. Ме меньше, чем в жидком, значит они за счет кристаллизации покидают слиток. Получается Ме с высокой плотностью и однородной структурой.

«-»Переплав – это дополнительная обработка Ме, в результате которой стоимость Ме увеличивается. Из-за использования воды большая часть энергии на ее нагрев.

Если опустить электрод в шлак и зафиксировать, то он будет оплавляться, расходоваться и уменьшаться, а расстояние м/у электродом и ванной будет увеличиваться и Т флюса уменьшаться. Т.о. расходуемый электрод нужно постепенно опускать. В качестве флюса используют сварочный флюс, который должен обладать рафинирующими способностями, его электропроводность должна быть довольно большой, должен защищать от газовой фазы.
Электрошлаковый переплавэлектрометаллургический процесс, при котором металл (расходуемый электрод) переплавляется в ванне электропроводного синтетического шлака под действием тепла, выделяющегося в шлаке при прохождении через него электрического тока. Э. п., существенно повышающий качество металлов и сплавов, разработан в начале 50-х гг. 20 в. в институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР на основе электрошлакового сварочного процесса (см. Сварка). Расходуемый электрод представляет собой отливку, прокатное изделие или поковку из металла, полученный в мартеновской, дуговой, вакуумноиндукционной печах или кислородном конвертере. В процессе Э. п. температура шлака, состоящего из CaF2, CaO, SiO₂, Al₂O₃ и других компонентов, превышает 2500°С. Капли жидкого электродного металла проходят через слой шлака и образуют под ним слой металла, из которого при последовательном затвердевании в водоохлаждаемом кристаллизаторе формируется слиток (рис.).

По мере оплавления расходуемый электрод подаётся в шлаковый слой, непрерывно восполняя объём кристаллизующегося металла. Шлак является рафинирующей средой. Электрошлаковое рафинирование металла происходит в плёнке жидкого металла на оплавляющемся конце электрода, при прохождении капель металла через шлаковую ванну и на поверхности раздела шлаковой и металлической ванн.

Изменяя состав шлака и температурный режим процесса, осуществляют избирательное рафинирование металла. В результате Э. п. содержание серы снижается в 2—5 раз, кислорода и неметаллических включений в 1,5—2,5 раза. Слиток характеризуется плотной направленной микроструктурой, свободен от дефектов литейного и усадочного происхождения. Химическая и структурная однородность слитка обусловливает изотропность физических и механических свойств металла в литом и деформированном виде. Способом Э. п. получают слитки массой от десятков г до 200 т практически любой нужной формы, определяемой формой кристаллизатора. Наряду с передельными (для прокатки сортовых профилей, труб и листа) и кузнечными (для ковки, прессования и штамповки) слитками производят фасонные отливки (коленчатые валы, корпуса запорной арматуры, сосуды давления, зубчатые колёса и др.). Э. п. применяется в чёрной металлургии (шарикоподшипниковые, конструкционные, нержавеющие, инструментальные стали, жаропрочные сплавы), цветной металлургии (хромистая бронза, никелемедные сплавы), тяжёлом машиностроении (теплоустойчивые, высокопрочные штамповые, валковые стали). Процесс запатентован и используется по советской лицензии во многих странах.

Схема электрошлакового переплава с одним (а) и двумя (б) расходуемыми электродами: 1 — расходуемый электрод; 2 — шлаковая ванна; 3 — металлическая ванна; 4 — слиток.