Электрошлаковые технологии получения биметаллических заготовок

 
 
 
 
 
И. В. Чуманов, М. А. Порсев 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ  
БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Допущено Федеральным Учебно-методическим объединением  
по укрупненной группе специальностей и направлений  
22.00.00 «Технологии материалов»  
в качестве учебного пособия при подготовке магистров,  
обучающихся по направлению 22.04.02 «Металлургия». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

УДК 669.187.28 
ББК 34.3 
Ч-90 
 
 
 
Рецензенты: 
к. т. н., доц., директор департамента металлургии и металловедения УрФУ  
Шимов Виктор Васильевич; 
д. т. н., проф., зав. кафедрой металлургических технологий и оборудования  
Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева  
Леушин Игорь Олегович 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Чуманов, И. В. 
Ч-90  
Электрошлаковые технологии получения биметаллических заготовок : учебное пособие / И. В. Чуманов, М. А. Порсев. – Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2024. – 132 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1962-8 
 
Рассмотрены способы получения биметаллов, основанные на принципе ЭШП,  
а также предложена новая технология получения биметаллических слитков способом электрошлакового переплава. 
Для студентов очного и очно-заочного обучения направления подготовки 
22.04.02 «Металлургия». Может использоваться для выполнения семестрового задания по предметам «Спецэлектрометаллургия», «Современные переплавные рафинирующие процессы». 
 
УДК 669.187.28 
ББК 34.3 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1962-8 
© Чуманов И. В., Порсев М. А., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ................................................................................................................ 4 
1. Общие сведения о биметаллах ...................................................................... 7 
 1.1. Классификация и назначение биметаллов 
................................................. 7 
 1.2. Особенности изготовления биметаллических соединений .................... 13 
 1.3. Основные способы получения биметаллов ............................................. 14 
2. Технологии получения биметаллов, использующие  
принцип ЭШП .................................................................................................... 31 
 2.1. Электрошлаковый обогрев 
........................................................................ 31 
 2.2. Электрошлаковая сварка 
........................................................................... 37 
 2.3. Наплавка трубчатым электродом ............................................................. 42 
 2.4. Наплавка неплавящимся электродом по слою легирующей  
 шихты ................................................................................................................ 45 
 2.5. Многоэлектродная горизонтальная электрошлаковая наплавка ........... 46 
 2.6. Электрошлаковая наплавка параллельными лентами ............................ 49 
 2.7. Вертикальная электрошлаковая наплавка ............................................... 53 
 2.8. Электрошлаковая наплавка с наклонным положением  
 наплавляемой заготовки 
................................................................................... 61 
 2.9. Переплав в разделённый кристаллизатор ................................................ 63 
 2.10. Электрошлаковая наплавка прокатных валков проволокой ................ 64 
 2.11. Электрошлаковая наплавка электродом-трубой ................................... 67 
 2.12. Электрошлаковая наплавка кусковыми присадочными  
 материалами ...................................................................................................... 68 
 2.13. Электрошлаковая наплавка жидким металлом ..................................... 73 
 2.14. Получение биметаллической заготовки электрошлаковым  
 переплавом по двухконтурной схеме 
.............................................................. 78 
 2.15. Получение биметаллической круглой заготовки  
 методом ЭШП ................................................................................................... 80 
 2.16. Наплавка коническим электродом ......................................................... 81 
 2.17. Получение многослойных слитков в многосекционном  
 кристаллизаторе 
................................................................................................ 82 
3. Получение многослойного слитка электрошлаковым переплавом  
составного по высоте электрода ..................................................................... 84 
 3.1. Область применения биметалла, полученного электрошлаковым 
 переплавом ........................................................................................................ 84 
 3.2. Способы воздействия на протяжённость переходной зоны 
................... 94 
 3.3. Применение вращения расходуемого электрода .................................. 108 
4. Темы курсовых работ ................................................................................. 117 
Библиографический список 
........................................................................... 118 
 
 
 
 
 
3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Исходя из потребностей развития техники, в 50-е гг. ХХ в. в СССР, в институте электросварки им. Е. О. Патона, был разработан и достаточно быстро 
получил распространение в нашей стране, а затем и за рубежом, оригинальный метод улучшения качества стального слитка – переплав исходного стального электрода в водоохлаждаемом кристаллизаторе под слоем рафинирующего электропроводного флюса. Этот метод получил название «электрошлаковый переплав» (ЭШП). Относительная простота и низкая стоимость оборудования позволили электрошлаковому переплаву успешно конкурировать с 
уже существовавшим тогда вакуумным дуговым переплавом. Электрошлаковый переплав тогда «спас» металлургию, разрешив раз и навсегда проблему 
производства высококачественной подшипниковой и коррозионностойкой 
сталей.  
Первоначально в отечественной металлургии электрошлаковому переплаву 
подвергали подшипниковые, конструкционные и жаропрочные, затем и инструментальные стали, т. е. область применения этого процесса со временем 
расширялась. Созданный в 60–70 гг. парк установок ЭШП позволял получать 
слитки самого различного сечения и массы для изготовления поковок, сортового проката, листа, труб. В дальнейшем в СССР ЭШП был переориентирован 
на нужды оборонной промышленности и развивался, прежде всего, для производства высокопрочного толстолистового проката. Одновременно с этим 
непрерывно расширялся парк печей ЭШП. При этом, конечно же, происходило их постоянное усовершенствование – вносились какие-то конструктивные 
изменения, повышалась производительность. Но в известной степени этот 
путь можно назвать экстенсивным. Энергетически процесс ЭШП невыгоден и 
стоимость электрошлакового металла практически в 2 раза выше металла, полученного выплавкой в первичном агрегате. В условиях экономики того времени этот факт обращал на себя мало внимания. Всё изменилось с приходом 
90-х гг. и акционированием металлургических предприятий. Сегодня былой 
потребности «оборонки» в металле ЭШП уже нет, а рядовой (а зачастую и высококачественный металл) невыгодно подвергать электрошлаковому переплаву в силу вышеупомянутой энергетической неэффективнос ти процесса; в связи с чем многие предприятия как в России, так и в странах СНГ, имеющие печи ЭШП, столкнулись с проблемой их загрузки и реализации электрошлакового металла из-за его дороговизны. Значительная, если не сказать большая, 
часть установок работает далеко не на пределе своих возможностей. Кроме 
того, сегодняшний уровень развития сталеплавильного производства и процессов внепечной обработки стали позволяет получить достаточно чистый по 
примесям и неметаллическим включениям жидкий металл; т. е. на настоящий 
момент процесс ЭШП по возможностям рафинирования металла от вредных 
примесей и неметаллических включений зачастую не является уникальным 
(разумеется, при отсутствии особых, повышенных требований к качеству металла). 
4 

Поиск новых сфер применения металла ЭШП – актуальный сегодня вопрос. Поэтому имеет смысл пересмотреть номенклатуру изделий и полуфабрикатов, которую целесообразно производить с привлечением электрошлаковой технологии и технологии ЭШП в частности. Б. Е. Патон и Л. Б. Медовар 
[1] предлагают следующую область применения процесса ЭШП: производство 
передельных сортовых заготовок из быстрорежущих и инструментальных сталей (в том числе на основе утилизации отходов); биметаллических заготовок 
для производства листа, труб и арматуры с коррозионно-стойким покрытием; 
литых трубных заготовок, в том числе полых, из аустенитных сталей для 
атомной энергетики и нефтехимической промышленности; прокатных валков 
и роликов МНЛЗ; полых кольцевых заготовок; слитков из высоколегированных сталей и сплавов, содержащих активные легирующие элементы (титан, 
алюминий и т. п.). 
В этом перечне на одном из первых мест находятся биметаллические заготовки, что неслучайно. Технологии, основанные на принципе электрошлакового процесса, нашли своё применение в получении биметаллов ещё в 60-е гг. 
ХХ в. Тогда для получения биметаллических заготовок начали использовать 
электрошлаковый сварочный процесс, технологии электрошлаковой наплавки. 
В 70-х гг. родилась идея получения биметаллического слитка электрошлаковым переплавом составного по высоте электрода. Было создано достаточно 
большое количество разработок, но технология так и не нашла промышленного применения по причине ряда возникших трудностей. Но на тот момент 
времени это не было столь актуально, поскольку не существовало проблемы 
загрузки установок ЭШП. Сегодня такая проблема, увы, есть. К тому же ситуация в металлургии изменилась, появились новые технические решения в области ЭШП, в том числе позволяющие повлиять на тепловую картину процесса переплава; и, на наш взгляд, комбинация этих технических решений с наработками тех лет позволит дать новую жизнь этой технологии. 
В данной работе нами была сделана попытка обобщить информацию о роли и месте электрошлаковых технологий в развитии производства и производстве биметаллов и биметаллических заготовок сегодня, рассмотрены способы 
получения биметаллов, основанные на принципе ЭШП, а также предложена 
новая технология получения биметаллических слитков способом электрошлакового переплава. 
Основная задача курса «Спецэлектрометаллургия» – ознакомление с закономерностями процессов рафинирования стали и освоение основных методов 
повышения качества стального слитка. 
Освоение материала учебного пособия поможет сформировать у студента 
следующие компетенции: 
– осуществлять критический анализ проблемных ситуаций на основе системного подхода, вырабатывать стратегию действия (УК-1); 
– решать производственные и исследовательские задачи на основе фундаментальных знаний в области металлургии (ОПК-1); 
5 

– участвовать в управлении профессиональной деятельностью, используя 
знания в области менеджмента качества (ОПК-3); 
– находить и перерабатывать информацию, требуемую для принятия решений в научных исследованиях и в практической технической деятельности 
(ОПК-4); 
– оценивать результаты научно-технических разработок, научных исследований и обосновывать свой выбор, систематизируя и обобщая достижения в 
отрасли металлургии и смежных областях (ОПК-5). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БИМЕТАЛЛАХ 
 
1.1. Классификация и назначение биметаллов 
 
Биметаллом называют двухслойный или многослойный материал, состоящий из двух различных металлов или сплавов, прочно соединённых между собой по всей плоскости соприкосновения в монолитную композицию, сохраняющуюся при технологической обработке и эксплуатации. Таким образом, 
под биметаллом, кроме двухслойной, может подразумеваться любая многослойная композиция с количеством слоёв больше двух. Однако наиболее широкое распространение получили двухслойные стали, которые изготовляют в 
виде листов, полос, лент, труб, прутков и т. п. Наиболее распространенным 
видом биметаллов, производимым в нашей стране и в мире, являются двухслойные коррозионно-стойкие листы [2], что во многом связано с высокой 
стоимостью коррозионностойкой стали при одновременной необходимости её 
широкого использования. Так, металлофонд России составляет 800 млн т, при 
этом 40–50 % машин и сооружений эксплуатируются в агрессивных средах и 
около 30 % – в слабо агрессивных. При подобном раскладе очевидно, что потребность в коррозионно-стойких сталях весьма высока, однако их повсеместное использование сдерживается высокой ценой [3]. 
Теоретически одним из основных преимуществ двухслойных сталей является экономия дефицитных и дорогостоящих металлов за счёт использования 
их в виде относительно тонких плакирующих слоёв в сочетании с недорогой 
основой – углеродистой либо низколегированной сталью. В двухслойных сталях толщина плакирующего слоя обычно составляет 5…20 % от общей толщины листа. В работе [4] приводятся следующие данные: для стали типа 
Х18Н10Т при изготовлении двухслойных листов на 1 т листа экономится порядка 100 кг никеля и 200 кг хрома. Однако на сегодняшний день это преимущество оказалось так и не реализовано, о чём мы ещё скажем далее. 
Помимо экономии материалов биметалл даёт возможность использовать 
новый комплекс свойств: сочетание высоких прочностных характеристик с 
коррозионной стойкостью, стойкостью против истирания и т. п.  
По этим свойствам двухслойные стали подразделяют на коррозионностойкие, износостойкие, антифрикционные, электротехнические (проводниковые и 
контактные) и термобиметаллы. 
В биметаллах различают основной и плакирующий слой. Основной слой из 
углеродистой или низколегированной стали обеспечивает конструктивную 
прочность и другие механические свойства, плакирующий слой является рабочим (находится в контакте с агрессивной средой и обеспечивает требуемые 
специальные свойства – износостойкость, коррозионную стойкость, твёрдость 
и т. п.). Основную нагрузку в биметаллических композициях несёт основной 
слой, по этой причине высоких требований к механическим свойствам материала плакирующего слоя, как правило, не предъявляется (табл. 1). 
 
7 

– 
Таблица 1  
+ 
+ 
– 
– 
+ 
+ 
+ 
+ 
– 
8 
Марка стали основного слоя 
+ 
+ 
– 
– 
– 
– 
– 
+ 
+ 
+ 
+ 
– 
Регламентируемые ГОСТ 10885-85 сочетания материалов слоёв в биметаллах 
+ 
Ст3сп 
10 
20К 
09Г2 
16ГС 
09Г2С 
10ХСНД 10ХГСН1Д 
12МХ 
12ХМ 
10Х2М1 
08Х13 
– 
08Х17Т 
– 
– 
– 
– 
– 
15Х25Т 
08Х22Н6Т 
– 
08Х18Н10Т 
12Х18Н10Т 
+ 
+ 
06ХН28МДТ 
Монель 
+ 
+ 
– 
Никель НП-2 
+ 
– 
+ 
ХН65МВ 
– 
– 
Н70МФВ-ВИ 
Марка стали 
плакирующего 
слоя 
10Х17Н13М2Т 
10Х17Н13М3Т 
08Х17Н15М3Т 
 

Кроме сочетаний металлов с принципиально разными свойствами, известны биметаллические соединения, состоящие из сталей, близких по химическому составу. В технологическом плане их преимущество заключается в 
сходных коэффициентах линейного расширения материалов слоёв, что обуславливает меньшие внутренние напряжения в соединении. В работе [5] описаны и исследованы трёх- и пятислойные композиции (3ВК и 5ВК соответственно), полученные плакированием высокопрочной хромоникельмолибденовой конструкционной стали КВК42 сталями КВК32 и КВК37 (отличающимися несколько меньшим содержанием углерода). 
На Горьковском металлургическом заводе в 60-х гг. изготавливались трёхслойные автомобильные рессорные полосы композиции – сталь У7 + сталь 30 + 
+ сталь У7, состоящие из достаточно тонких наружных слоёв стали У7 (1,2 мм 
при общей толщине полосы 7 мм) и вязкой сердцевинной прослойки из ста- 
ли 30. Подобной композицией добивались создания высокой твёрдости на поверхности рессорной полосы при сохранении вязкой сердцевины. Преимуществом таких рессор был больший предел усталости в условиях действия контактных напряжений (по сравнению с обычными рессорами); большая на 
20...30 % усталостная прочность [6].  
Как мы уже сказали, наиболее широкое распространение получили коррозионно-стойкие биметаллы, поэтому рассмотрим их подробнее первыми.  
В качестве металла плакирующего слоя в таких соединениях используются 
стали типа 08Х13, 08Х17Т, 08Х22Н6Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 
10Х17Н13М3Т, 08Х17Н15М3Т, в особо агрессивных средах применяются 
сплавы типа ХН65МВ, ХН65МВУ, Н70МВФ-ВИ, ХН78Т. 
В качестве металла основного слоя в двухслойных коррозионно-стойких 
сталях используют углеродистые конструкционные и низколегированные стали повышенной прочности типа Ст3сп, сталь 10, 20К, 09Г2, 09Г2С, 16ГС, 
10ХСНД, 12ХМ, 10Х2М1 и т. п. Следует отметить, что химический состав 
сталей 10Х2М1 и 10ХГСН1Д регламентируется непосредственно ГОСТ 1088585 «Сталь листовая горячекатаная двухслойная коррозионно-стойкая». 
Из вышесказанного можно заметить, что в качестве материала основного 
слоя используются конструкционные стали, содержание углерода в которых 
невысоко – для углеродистой стали оно не превышает 0,24 %, для низколегированной – 0,18 %. Это обусловлено тем, что двухслойные стали зачастую используются для изготовления сварных корпусов сосудов и аппаратов, в связи с 
чем предъявляются высокие требования к свариваемости сталей, свариваемость же, как известно, определяется эквивалентным содержанием углерода. 
Основным стандартом химического состава сталей и сплавов, применяемых в качестве плакирующего слоя биметаллов, является ГОСТ 5632-72. Особым требования к химическому составу металла плакирующего слоя является 
пониженное содержание углерода либо повышенное содержание стабилизирующих добавок титана или ниобия, что связано с особенностями термической обработки биметалла, в процессе которой может происходить обеднение 
границ зёрен хромом, связанное с его выделением в виде карбидов хрома из-за 
диффузии и большого сродства углерода к хрому. Выделение карбидов хрома 
9 

происходит по границам зёрен и повышает чувствительность стали к межкристаллитной коррозии. 
В соответствии с ГОСТ 10885-85 [7] двухслойные листы изготовляют толщиной 4...60 мм с основным слоем из углеродистой или низколегированной 
стали и плакирующим слоем из коррозионностойких металлов и сплавов. Согласно принятому позднее изменению (ГОСТ 10885-85, изменение № 1) максимальная толщина изготовляемых двухслойных листов была увеличена до 
120 мм (табл. 2). 
 
Таблица 2 
Толщина коррозионностойкого биметаллического  
листового проката [7] 
Композиция 
Толщина 
листа, мм 
Композиция 
Толщина 
листа, мм 
Ст3+08Х18Н10Т 
8…9 
16ГС+12Х18Н10Т 
80 
Ст3+08Х13 
65 
16ГС+08Х18Н10Т 
135 
Ст3+12Х18Н10Т 
100 
16ГС+ХН78Т 
14 
Ст3+06ХН28МДТ 
8…10 
16ГС+Н70МВФ 
20 
Ст3+ХН60МВ 
40 
09Г2+08Х18Н10Т 
8…20 
Ст3+никель НП2 
10…14 
09Г2С+12Х18Н10Т 
80 
20К+08Х13 
12…24 
10ХСНД+08Х18Н10Т 
8…32 
20К+03Х18Н11 
16 
10ХСНД+08Х18Н10Т 
45 
20К+03Х17Н14М3 
24 
10ХСНД+12Х18Н10Т 
6…8 
20К+06ХН28МДТ 
10 
10Х2М1+08Х18Н10Т 
32 
20К+06ХН28МДТ 
36 
12Х1МФ+ХН78Т 
12 
22К+03Х18Н11 
85 
10МХ+08Х18Н10Т 
65 
20К+ХН78Т 
14 
17Г2АФ+12Х18Н10Т 
12 
16ГС+08Х13 
12…24 
12ХМ+08Х18Н10Т 
80 
 
Область применения двухслойных коррозионностойких листов весьма широка; выделим основные направления их использования: 
– изготовление реакторов крекинга, риформинга и гидроочистки нефтепродуктов (используются композиции 12ХМ + 12Х18Н10Т); 
– изготовление сосудов АЭС (22К + 08Х18Н10Т, [8]); 
– изготовление ответственных трубопроводов для транспортировки агрессивных сред (АЭС, ТЭС); 
10