Установки электрошлаковой металлургической технологии

УСТАНОВКИ 
ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ 
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ 
ТЕХНОЛОГИИ

Þ.Ì. ÌÈÐÎÍÎÂ

Москва
ИНФРА-М
2021

 

МОНОГРАФИЯ

2-е издание, стереотипное

УДК 669.187.4+621.365.23
ББК 34.3
 
М64

Миронов Ю.М.
М64  
Установки электрошлаковой металлургической технологии : монография / Ю.М. Миронов. — 2-е изд., стереотип. — Москва : ИНФРА-М, 
2021. — 404 с., [48] с. цв. ил. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/monography_5a40ac170cdab6.31947003.

ISBN 978-5-16-013683-7 (print)
ISBN 978-5-16-106342-2 (online)
В монографии описаны основные виды процессов электрошлаковой 
технологии (ЭШТ) получения высококачественных металлургических 
слитков и отливок сложной формы. Приведены сведения по теории электротехнических, тепловых и металлургических процессов, конструкциям 
электрошлаковых установок для плавки и литья, методам анализа и синтеза режимов.
Монография предназначена для инженерно-технических работников 
научно-исследовательских, проектно-конструкторских и производственных организаций, работающих в области проектирования и эксплуатации 
электрошлаковых установок. Может быть полезна студентам и магистрантам вузов, обучающимся по специальности «Электротехнологические 
установки и системы».

УДК 669.187.4+621.365.23
ББК 34.3

Р е ц е н з е н т ы:
Кузьмин М.Г., канд. техн. наук (ОАО «Сибэлектротерм»); 
отделение «Электротехнология» Академии электротехнических наук РФ

ISBN 978-5-16-013683-7 (print)
ISBN 978-5-16-106342-2 (online)
© Миронов Ю.М., 2007, 2018

ПРЕДИСЛОВИЕ

(I  /  ри первом ознакомлении с использованием электрошлаковых 
** 
печей в спецэлектрометаллургии становится очевидным высокий уровень технических решений в конструкциях таких печей и 
значимость их для развития технико-экономического потенциала промышленности. Это может создать впечатление, что электрошлаковые 
печи созданы уже давно и прошли многие этапы совершенствования и 
модернизации. Однако история создания промышленного оборудования для электрошлакового переплава начинается всего лишь с начала 
50-х годов XX века, когда в Институте электросварки им Е. О. Патона 
АН УССР (ИЭС им. Е. О. Патона) были сделаны первые лабораторные, 
а затем и малые промышленные электропечи, позволяющие совместить локальные области выделения тепловой энергии с электрометаллургическими процессами для улучшения свойств переплавляемых металлов. Анализ преемственности новых идей и их развитие позволяют 
сделать вывод, что технология электрошлакового переплава была создана на базе электрошлакового сварочного процесса, который в свою 
очередь имеет много общего с результатами работ отечественных ученых Н. Г. Славянова и Н. Н. Бенардоса. Расходуемые электроды, являющиеся одной из принципиальных особенностей электрошлакового 
переплава, 
были 
впервые 
применены 
русским 
изобретателем 
Н. Г. Славяновым в 1888 году при разработке им метода дуговой электросварки расходуемым электродом*. Появившиеся в последние годы 
установки шлаковой обработки металлов с использованием нерасходуемых графитированных электродов унаследовали способы, разработанные Н. Н. Бенардосом.

Шевцов М.С., Бородачев А.С. Развитие электротермической техники / 
Под ред. акад. А.Ф. Белова. -  М: Энергоатомиздат, 1983. -  208 с.

3

В 1890-1891 годах Н. Г. Славянов практически реализовал ряд новых идей и получил привилегии на «Способ и аппараты для электрической отливки металлов» и «Способ электрического уплотнения металлических отливок». Сущность этих способов Славянова -  электрическая обработка металлов (электросварка, наплавка, заварка), предназначенная не только для изготовления новых металлических конструкций, но и для восстановления изношенных деталей. На крупнейшей в 
XIX веке Всемирной электротехнической выставке, проходившей в 
Чикаго в 1893 г., во время которой проводился IV Международный 
электротехнический конгресс, изобретение Н. Г. Славянова «Способ и 
аппараты для электрической отливки металлов» привлекло к себе всеобщее внимание и было награждено золотой медалью.

Данные о своем изобретении Н. Г. Славянов изложил в книге*, которая считается не только руководством и подробной инструкцией по 
электрической обработке металлов, но и первым в мире научным теоретическим трудом по этому направлению техники. «Будучи металлургом по специальности, -  писал акад. Б. Е. Патон, -  Н. Г. Славянов 
разработал основы металлургических процессов, которые... до сих пор 
служат основой многочисленных и разнообразных исследований в 
этой области».

Электрошлаковый переплав -  это процесс, при котором расходуемый металлический электрод переплавляется в ванне электропроводного синтетического шлака. Нагревается шлак протекающим по нему 
электрическим током. Предварительно подбираемый химический состав шлака и поддерживаемый температурный режим процесса за счет 
управления вводимой мощностью позволяют избирательно рафинировать практически любые металлы и сплавы. В результате при переплаве стальных слитков содержание серы можно снизить в 2...5 раз, кислорода и неметаллических включений -  в 1,5...2,5 раза. Кроме этого, 
за счет направленной кристаллизации получаемого слитка улучшаются 
свойства слитка, снижается количество дефектов литейного и усадочного происхождения.

Промышленное производство электрошлаковых печей для крупных 
металлургических цехов в нашей стране началось в середине 60-х годов XX века, благодаря творческому содружеству специалистов Ин
Славянов Н.Г. Электрическая отливка металлов. Руководство к установке 
и практическому применению ее. -  СПб., 1892. -  52 с.

4

ститута электросварки им. Е. О. Патона и Всесоюзного научно-исследовательского и технологического института электротермического 
оборудования (ВНИИЭТО) с конструкторскими подразделениями Новосибирского завода электротермического оборудования (СКВ ПО 
«Сибэлектротерм»).

Первыми серийными электрошлаковыми печами являлись одноэлектродные печи Р-951 разработки ИЭС им. Е. О. Патона, установленные группами по три печи с питанием от трехфазного трансформатора в 1950-1960 гг. на нескольких электрометаллургических заводах 
(«Электросталь», Челябинский и Златоустовский заводы). Их эксплуатация показала высокую эффективность ЭШП как процесса получения 
высококачественных слитков спецсталей, одновременно доказав необходимость использования однофазных трансформаторов с большим 
количеством ступеней напряжения. В 1963-1964 гг. уже были пущены 
первые специализированные цеха ЭШП, укомплектованные разработанными во ВНИИИЭТО печами ОКБ-905 и ОКБ-906. В это время сотрудниками ряда организаций (ИЭС им. Е. О. Патона, Днепропетровский металлургический институт, ЦНИИтмаш, МЭИ, з-д «Электросталь» и др.) проводились интенсивные научные исследования металлургических, технологических и электроэнергетических процессов, 
ставших основой методов получения высокого качества электрошлаковых слитков, оптимизации режимов печей и автоматического управления печами. С 1964-1965 гг. проектирование и изготовление электрошлаковых печей было сосредоточено на ПО «Сибэлектротерм» 
(г. Новосибирск).

Используя летопись событий в области элекгрошлаковых печей, 
подготовленную в ОАО «Сибэлектротерм», можно привести следующий ряд высокомеханизированных промышленных установок, спроектированных конструкторскими подразделениями и изготовленных ПО 
«Сибэлектротерм» (ныне ОАО «Сибэлектротерм»)*.

• Электропечь ОКБ-1111 для получения слитков массой до 60 т, 
изготовлена в 1966 году для Ижорского машиностроительного завода 
(г. Колпино Ленинградской обл.).

• Электропечь У436/6ШСЛ для получения слитков массой до 8 т, 
изготовлена в 1969 году для фирмы «Авеста», Швеция.

* Фотографии электропечей, изготовленных ОАО «Сибэлектротерм», даны 
на цветных вкладках.

5

• Электропечь ЭШП-10Г для получения слитков массой до Ют, 
изготовлено в период с 1973 по 1977 год 28 электропечей, из них 2 7 - 
для завода «Красный Октябрь» (г. Волгоград) и одна печь -  для металлургического завода «Кладно», Чехословакия.

• Электропечь ОКБ-1155А для получения слитков массой до 4,5 т, 
изготовлено в период с 1972 по 1974 год 12 электропечей для Ижевского металлургического завода.

• Установка У-658/6ЭШС-2,5 для электрошлаковой сварки круглых слитков диаметром до 2500 мм, изготовлена в 1973 году для фирмы «Крезо Луар», Франция.

• Электропечь ОКБ-1155Б для получения слитков массой до 4,5 т, 
изготовлена в 1975 году для Ижевского металлургического завода.

• Электропечь ЭШП-16 ВГИ1 для получения слитков массой до 
16 т, изготовлена в 1974 году для завода «Днепроспецсталь» (г. Запорожье).

• Электропечь ЭШП-16 ВГИ2 для получения слитков массой до 
16 т, изготовлена в 1975 году для фирмы «СКФ-сталь», Швеция.

• Электропечь ЭШП-20 ВГИ1 для получения слитков массой до 
20 т, изготовлено в 1975-1976 годах 3 электропечи для завода «Днепроспецсталь» (г. Запорожье).

• Электропечь ЭШП-10 ВГИ1 для получения слитков массой до 
Ют, изготовлена в 1977 году для завода тяжелого станкостроения, 
Словакия.

• Электропечь ЭШП-150для получения слитков массой до 150 т, 
изготовлена в 1977 году для машиностроительного завода, Польша.

• Электропечь ЭШО-200 для получения слитков массой до 200 т, 
изготовлена в 1977 году для завода литья и поковок (г. Краматорск).

• Электропечь 6ЭШП-20СВ для получения слитков массой до 20 т, 
изготовлено 2 печи в 1978 году для Новокраматорского машиностроительного (г. Краматорск) и Южно-Уральского машиностроительного 
заводов (ЮУМЗ).

• Электропечь ЭШП-ЮГ для получения слитков массой до Ют, 
изготовлена в 1979 году для Новокраматорского машиностроительного 
завода.

• Электропечь ЭШП-10ГИ2 для получения слитков массой до Ют, 
изготовлено 7 печей в 1979 году для завода «Красный Октябрь» 
(г. Волгоград).

6

• Электропечь ЭШП-5ЛИ1 для получения слитков массой до 5 т, 
изготовлено 3 печи в 1979-1981 годах для Венгоковского арматурного 
завода (г. Чехов), для Горьковского машиностроительного и ЮжноУральского машиностроительного заводов.

• Электропечь ЭШП-20 ВГИ2 для получения слитков массой до 
20 т, изготовлено 9 печей в 1979-1981 годах для завода «Азовсталь» 
(г. Жданов Донецкой обл., ныне г. Мариуполь).

• Электропечь ЭШП-150 ВГИ2 для получения слитков массой до 
150 т, изготовлена в 1979 году для Новокраматорского машиностроительного завода.

• Электропечь ЭШП-5 ВГИ1 для получения слитков массой до 5 т, 
изготовлена в 1981 году для завода «Красный Октябрь» (г. Волгоград).

• Электропечь ЭШП-5 ВГИ1 для получения слитков массой до 5 т, 
изготовлена в 1984 году для опытного завода ИЭС им. Е. О. Патона 
(г. Киев).

• Электропечь ЭШП-10 ВГИ1 для получения слитков массой до 
10 т, изготовлено 2 печи в 1986 году для завода «Красный выборжец», 
(г. Ленинград) и Новолипецкого металлургического комбината (г. Липецк).

• Электропечь ЭШП-5 ВГИ2 для получения слитков массой до 5 т, 
изготовлено 2 печи в 1994 году для Златоустовского металлургического завода.

Всего с учетом электропечи, изготовленной для проведения исследовательских работ в СКВ ПО «Сибэлектротерм», Новосибирским заводом электротермического оборудования (ОАО «Сибэлектротерм») 
было изготовлено 82 электропечи для получения слитков электрошлаковым способом. Несмотря на длительный срок эксплуатации этих 
электропечей большая часть переплавных комплексов до настоящего 
времени соответствует современному мировому техническому уровню. 
Модернизация оборудования осуществляется путем установки систем 
автоматизированного управления технологическим процессом (АСУ 
ТП), разрабатываемых на новой элементной базе с использованием 
микропроцессоров и информационно-регистрирующих блоков.

В этот же период специалистами ВНИИЭТО была создана серия 
малых электропечей для получения слитков массой от 0,25 до 2,5 т, 
которые изготавливались отечественными заводами. Значительное количество электрошлаковых печей различного назначения было разработано и изготовлено в Украине по проектам ИЭС им. Е. О. Патона.

7

К началу 80-х годов XX века отечественная промышленность полностью удовлетворялась в потребностях металлов, обработанных электрошлаковым способом.

В начале 70-х годов XX века в ИЭС им. Е. О. Патона была разработана одна из разновидностей электрошлаковой технологии -  способ 
электрошлаковой отливки (ЭШО) слитков. В отличие от ЭШП при 
ЭШО нагрев шлака производится нерасходуемым графитированным 
электродом, а жидкий металл заливается в кристаллизатор из ковша 
(печи). Металл может подаваться непрерывно или порциями. При использовании порционной электрошлаковой отливки (ПЭШО) может 
быть получен слиток практически любой массы. Производственным 
объединением «Сибэлектротерм» (ОАО «Сибэлектротерм») изготовлена уникальная электропечь ЭШО-200, предназначенная для производства слитков массой 50...200т. Эта электропечь позволяет получать слитки, которые служат заготовками для изделий, применяемых в 
энергетическом машиностроении.

Другая разновидность электрошлаковой технологии -  электрошлаковое литье. Этот метод получения изделий сложной геометрической 
формы осуществляется в кристаллизаторах, повторяющих форму изделия. Физико-механические свойства металла ЭШЛ значительно превосходят свойства обычного литого металла, а в ряде случаев оказываются сопоставимыми со свойствами деформированного металла. 
При замене поковок электрошлаковым литьем можно значительно повысить коэффициент использования металла, снизить трудоемкость 
его обработки примерно в 2 раза, уменьшить брак на 15...20 % и увеличить срок службы изделий в 1,5 раза и более. Эта технология особенно эффективна при получении изделий из труднодеформированных 
сталей. В нашей стране создана серия печей для ЭШЛ емкостью от 
0,25 до 80 т, которые широко используются в промышленности.

Научные основы электрошлаковых процессов изучались многими 
организациями нашей страны: ИЭС им. Е. О. Патона, ВНИИЭТО, 
МЭИ, ЛГУ, ЧГУ, НГТУ (НЭТИ), ОАО «Сибэлектротерм» и др. В отрасли электропечестроения впервые обоснование конструктивных 
схем и создание методов тепловых и электрических расчетов ЭШП 
осуществлены в период разработки и изготовления первых промышленных серийных электропечей (1966-1969 годы) с одновременным 
проведением комплексных исследований при пуске в эксплуатацию 
созданных электропечей. Конкретные результаты этих исследований

8

публиковались только в специальной литературе*, так как в тот период 
требовалось обеспечить конкурентоспособность и сохранение возможностей патентной защиты разработок.

В этот же период начаты работы по исследованиям электротехнологических процессов в ЭШП сначала в Московском энергетическом 
институте, а затем в Чувашском государственном университете под 
руководством д-ра техн. наук, проф. Ю. М. Миронова [6]. Результаты 
этих работ положены в основу представляемой монографии.

Полученный опыт пуска и эксплуатации серийных электропечей 
показал, что использование электрошлакового переплава позволяет 
увеличить выход годного металла на 20 %, потери на механическую 
обработку снижаются на 15 %, срок службы деталей, изготовленных из 
ЭШП-металлов, возрастает в 1,5. . . 2,5 раза.

Большая часть промышленного производства специальных металлов и сплавов в настоящее время осуществляется с использованием 
ЭШП, в том числе среди последовательных переплавов: индукционный вакуумный-электрошлаковый-вакуумно-дуговой.

В. С. Чередниченко,
А. С. Бородачев

Исследование электрических и тепловых процессов в шлаковой ванне и 
определение параметров установок электрошлакового переплава / А. А. Никулин, В.Д. Артемьев, Л.А. Волохонский и др. // Исследования в области промышленного электронагрева (Труды ВНИИЭТО). -  М.: Энергия, 1970. -  
Спецвыпуск 1. — С. 86 -  105.

Определение электрических и температурных полей в установках электрошлакового переплава методом математического моделирования / Л.А. Волохонский, А.А. Никулин, Л.Е. Никольский и др. // Там же. -  С. 105-111.

Изучение механизма возникновения брака по «пробоям» / В.Д. Артемьев, 
Л.А. Волохонский, А.А. Никулин и др. // Там же. -  С. 111-115.

9

ВВЕДЕНИЕ

¿1 нализ тенденций развития основных отраслей промышленно­
*' 
сти, в первую очередь современного машиностроения, показывает, что без применения новейших специальных металлургических 
технологий в производстве перспективных конструкционных материалов и различных полуфабрикатов из высоколегированных сталей и 
сплавов с заданными свойствами в настоящее время невозможно получать металлургическую и машиностроительную продукцию, конкурентоспособную на мировом рынке.

В ряду таких технологий не последнее место занимает электрошлаковая технология (ЭШТ), впервые разработанная и широко примененная в промышленности в Советском Союзе. В разработке и развитии 
теории технологических и энергетических процессов ЭШТ основную 
роль 
сыграли 
советские ученые -  
Б. Е. Патон, 
Б. И. Медовар, 
Ю. В. Латаш, Б. И. Максимович, М. М. Клюев, Л. А. Волохонский, 
Ю. М. Миронов, А. А. Никулин и др. Их работы создали базу для широкого использования методов ЭШТ в промышленности.

В 60-80 годы XX века в Советском Союзе был создан ряд металлургических и машиностроительных предприятий, удовлетворяющих 
потребности оборонной, авиационной и космической промышленности, энергетики, судостроения, транспорта. Так, в РСФСР активно 
функционировали заводы «Электросталь» (г. Электросталь Московской обл.), «Красный Октябрь» (г. Волгоград), Челябинский металлургический завод, Златоустовский металлургический завод, Ижорский 
машиностроительный завод, Чеховский завод энергетического машиностроения, Чебоксарский завод промышленных тракторов и другие 
уже известные предприятия, 
на которых были 
крупные 
цеха 
эл ектрош лакового переплава и литья. В настоящее время эти 
мощности слабо загружены из-за резкого спада экономики страны,

10