Глава 2. Исследование основных закономерностей нагрева наплавляемых заготовок
при ЭШН НМ.
Для получения соединения при электрошлаковой наплавке некомпактными материалами
(ЭШН НМ) поверхность основного металла должна быть нагрета вплоть до
подплавления. Нагрев целесообразно производить как можно быстрее, с минимальным
расходом электро-энергии и получением заданного температурного поля в основном
металле, предопределяющим условия кристаллизации наплавляемого металла. Задача
быстрого нагрева металла сводится, в общем, к обеспечению высокой температуры
шлаковой ванны.
Возможность образования качественного соединения слоев при ЭШН во многом
определяется теплофизическими свойствами используемого флюса, от которых
зависит устойчивость электрошлакового процесса, характер токораспределения в
шлаковой ванне, интенсивность тепло-выделения в ней и теплопередачи к
металлической ванне, продолжительность и равномерность нагрева наплавляемой
поверхности основного металла, степень очистки ее от оксидов [68, 69]. По этой
причине на первом этапе исследования закономерностей нагрева наплавляемых
заготовок при ЭШН НМ была поставлена задача выбора флюса для исследований и
оценка его теплофизических свойств.
2.1. Выбор флюса и исследование влияния состава шлака на теплофизические и
физикохимические процессы при ЭШН НМ
Известно, что использование основных шлаков позволяет рафинировать наплавляемый
металл [70], однако при этом возможно его науглероживание [71]. Оно возрастает
при увеличении содержания оксида кальция и уменьшается с ростом концентрации
кремнезема в шлаке [72, 73]. По данным [72, 74] при содержании до 15...20 %
SiO2 в шлаке системы Al2O3-CaO-CaF2 науглероживание металла не происходит, а
рафинирующие свойства шлака остаются хорошими. Отмечается также, что величина
науглероживания зависит от содержания углерода в металле. Сведения об изменении
содержания других химических элементов в известных работах ограничены [75].
Поэтому нужно было вначале оценить различные флюсы по влиянию как на
вышеперечисленные теплофизические процессы при ЭШН, так и на физикохимические,
обусловливающие изменение состава металла и шлака, а затем выбрать наиболее
пригодный флюс для ведения процесса ЭШН.
Для исследований были выбраны фторидные низкокремнистые флюсы АНФ-6, АНФ-25,
АНФ-1П и низкокремнистые АН-15 и АН-15М (табл. 2.1).
Эксперименты проводили в ИЭС им. Е.О.Патона на установке А-550 и на Токмакском
кузнечно-штамповочном заводе на установке ОБ-2213 про наплавке стружкой стали
5ХНМ заготовок различных типоразмеров. На поверхности твердой заготовки
(поковка, изношенный штамп), установленной в медный водоохлаждаемый
кристаллизатор, наводили при помощи графитированных электродов шлаковую ванну и
подплавляли заготовку на необходимую глубину. Затем на подплавленную
поверхность через слой обогреваемого шлака подавали стружку стали 5ХНМ, которая
плавилась и образовывала металлическую ванну на поверхности заготовки. После
нанесения необходимого количества металла его кристаллизовали под слоем
расплавленного шлака постепенно снижая мощность электрошлакового процесса.
При ЭШН температуру шлака поддерживали в пределах 1550…1800 0С при глубине
шлаковой ванны 50…60 мм. Температуру шлака измеряли при помощи
вольфрам-рениевой термопары, которая была защищена наконечником из карбонитрида
бора. Температуру наплавляемой заготовки измеряли в центре и по краям такими же
термопарами, зачеканенными под ее поверхностью на глубине 5 мм. Пробы для
химического анализа металла и шлака отбирали до и после эксперимента.
В случае применения более электропроводных фторидных флюсов АНФ-1П, АНФ-6,
АНФ-25 электрошлаковый процесс на тех же режимах, что и при использовании
низкокремнистых флюсов, сопровождается горением микродуг в местах контакта
электродов с поверхностью шлаковой ванны. Это явление усиливается при
увеличении напряжения и уменьшении тока и особенно проявляется при
использовании флюса АНФ-1П, обладающего наибольшей электропроводностью. При
изменении глубины погружения электродов в шлаковую ванну резко меняется
электрический ток. Поэтому плавное регулирование тока за счет изменения этого
показателя затруднено. При использовании фторидных флюсов для обеспечения
плавного регулирования тока, повышения стабильности процесса, уменьшения
теплового и светового излучения
Таблица 2.1.
Химический состав и свойства исследованных флюсов
№№
п/п
Марка
Флюса
Массовая доля компонентов, %
Теплофизические свойства
SiO2
MnO
CaO
MgO
Al2O3
CaF2
Fe2O3
NaF
tпл, 0С
Вязкость,Па.с при t, 0С
Электропровод.
ом-1см-1 при t,0С
1300
1400
1400
1600
АН-15
24-29
1,5-1,7
14-18
8-11
22-25
20-23
0,8
1110-1250
0,3
0,3
Нет данных
Нет данных
АН-15М
6-10
1,0
29-33
36-40
16-20
0,8
2-5
1300-1370
0,3
Нет данных
- « -
АНФ-1П
2,5
92-96
1380
4,0
0,1
2,3
- « -
АНФ-6
2,5
23-31
Ост.
0,5
1260-1280
5,0
0,8
0,5
1,4
АНФ-25
2-7
10-15
10-15
12-20
50-60
0,5
- « -
- « -
- « -
Нет данных
3,9
целесообразно подавать на электроды пониженное напряжение (34...45 В). Этому
способствует также увеличение глубины шлаковой ванны.
Особенности процесса электрошлакового нагрева заготовок под флюсами АН-15,
АН-15М, АНФ-6, АНФ-25 иллюстрирует рис. 2.1. В сравнении с более
электропроводными фторидными флюсами, при использовании низкокремнистых флюсов
процесс нагрева идет быстрее и с меньшим расходом электроэнергии, что
согласуется с данными