Процесс ESR был известен с 30-х годов, но потребовалось почти 30 лет, прежде чем он стал общепринятой технологией для серийного производства высококачественных слитков. Технология ESR интересна не только для получения слитков инструментальных сталей и жаропрочных сплавов небольшого веса, но и для тяжелых слитков весом до 165 тонн для последующей кузнечной обработки.

Технология и характеристики процесса

Если при электродуговой плавке для очистки требуется вакуум, то при электрошлаковом переплаве расходуемого электрода металл попадает в водоохлаждаемую изложницу через расплавленный шлак. Через шлак между электродом и формирующимся слитком пропускается электрический ток (обычно переменный) так, что шлак перегревается и капли металла стекают с электрода. Через шлак они попадают на дно водоохлаждаемой изложницы, где и кристаллизуются. Слой шлака поднимается вверх по мере того, как растет слиток. Новый слиток из очищенного материала медленно формируется со дна изложницы. Он имеет однородную структуру с направленной кристаллизацией и не имеет трещин в центре. Такие трещины могут появиться в слитках, отлитых по традиционной технологии, по мере того, как они кристаллизуются от внешних поверхностей к внутренним.

Обычно технология ESR обеспечивает материал высокого, постоянного и заранее заданного качества. Точно контролируемый процесс кристаллизации улучшает прочность и целостность структуры. На качество поверхности слитка влияет образование во время переплава тонкого слоя застывшего шлака между слитком и стенкой изложницы. Поэтому технология ESR является предпочтительной при производстве высококачественных сплавов, используемых сегодня в авиакосмической и атомной промышленности, а также для производства кузнечных заготовок. Такой уровень чистоты слитков несколько лет назад было трудно себе представить. Прочие отрасли промышленности, следуя примеру высокотехнологичных лидеров, настаивают на использовании материалов  высокой частоты, которые можно получить по технологии ESR, используя самое новое и совершенное оборудование.

Металлургия электрошлакового переплава

Из-за того, что нагретый шлак постоянно находится в контакте с кончиком электрода, на кончике образуется пленка жидкого металла. По мере того, как образующиеся капли проходят через шлак, металл очищается от неметаллических включений, которые удаляются либо при помощи химической реакции со шлаком либо благодаря тому, что плавают на поверхности расплава. Остающиеся включения очень небольшие по размеру и равномерно распределены в слитке.

В технологии ESR используются шлаки на основе фторида кальция (CaF₂), окиси кальция (CaO) или алюминия (AlO₃). Могут добавляться в зависимости от переплавляемого сплава окиси магния (MaO), титана (TiO₂) и кремния (SiO2)

• Его температура плавления должна быть ниже температуры плавления металла
• Он должен быть электропроводящим
• Его состав должен гарантировать прохождение желаемых химических реакций
• Он должен обладать подходящей вязкостью при температуре процесса.

Из-за направленной дендритной кристаллической структуры в переплавленных слитках могут возникнуть различные дефекты, напр. кольцевые образования и вкрапления. Причина появления данных дефектов та же самая, что и при технологии VAR. Важно заметить, что в слитках ESR обычно не возникает белых пятен. Недоразвитые дендритные структуры или маленькие обломки электрода должны пройти через перегретый шлак, чтобы достичь фронта кристаллизации, и у них достаточно времени, чтобы расплавиться. Это препятствует возникновению белых точек.

Поверхность слитка, покрытая тонкой шлаковой пленкой, не нуждается в обработке перед ковкой. Электроды для переплавки могут использоваться в исходном виде.

Установки для электрошлакового переплава

За прошедшее время был сделан значительный прогресс в конструкции установок, соосных токоподводов, и, особенно, в системе компьютерного контроля и управления для того, чтобы сделать процесс переплавки полностью автоматическим. Это в свою очередь, привело к улучшению металлургических качеств продукции.Для переплавки чувствительных к образованию ликваций сплавов требуются установки полностью симметричной конструкции, чтобы не возникало перемешивания расплава побочными магнитными полями.

За последние годы возникла тенденция производить плавку в атмосфере защитного газа. Переплав под повышенным давлением для увеличения содержания в слитке азота является другим вариантом технологии ESR. Установки ESR могут конструироваться для получения слитков круглого, а также  квадратного и прямоугольного сечения (слябов).

Наконец, была разработана система автоматического компьютерного управления процессом, аналогичная системе ALD для автоматического контроля плавки (AMC), описанной в главе, посвященной технологии VAR. Важно отметить, что контроль глубины погружения электрода в шлак основан на сопротивлении шлака либо на величине сопротивления шлака. Использование параметра сопротивления автоматически разъединяет контуры управления глубиной погружения и скоростью переплавки, которые иначе влияют друг на друга.

Система ALD для автоматического контроля плавки (AMC) остается для технологии ESR непревзойденной во всем мире также из-за присущих ей свойств, простоте в обращении и, наконец, не в последнюю очередь,  благодаря точности и воспроизводимости управления, что позволяет получить слитки с отличными характеристиками, включающими:

• Однородную, прочную структуру с направленной кристаллизацией
• Высокую степень чистоты
• Отсутствие внутренних дефектов (т.е. водородных хлопьев (флокенов)
• Отсутствие макроликваций
• Гладкая поверхность слитка и следовательно высокая производительность

Электрошлаковый переплав кузнечных заготовок

Концепция использования установок ESR для производства больших кузнечных заготовок получила признание в конце 60-х годов. Увеличивающаяся потребность в больших установках для получения электроэнергии, потребовала также и кузнечных заготовок весом в 100 тонн и выше для производства валов генераторов и турбин.Самая большая установка ALD для электрошлакового переплава, поставленная в начале 70-х годов, позволяет получать слитки диаметром 2.300 мм, длиной 5.000 мм и весом до 165 тонн. В установке одновременно переплавляются 4 электрода в изложницу большого диаметра, оборудованную системой извлечения слитка. Переплавленные электроды заменяются последующими до тех пор, пока не получится слиток желаемого веса.

Направленная структура должна быть получена по всему поперечному сечению слитка и его длине для того, чтобы избежать таких внутренних дефектов как макроликвации, ужимины и неравномерное распределение включений. Поддерживая правильную скорость переплава и температуру шлака, направленную кристаллическую структуру можно получить и у слитков с диаметром 2.300 мм. Соответственно слиток после электрошлакового переплава не имеет макроликваций несмотря на большой диаметр. Чистота и однородность слитков ESR приводит к отличным механическим качествам по сравнению со слитками, отлитыми по традиционной технологии.

Варианты технологий

Варианты технологии ESR, разработанные ALD:

• Переплав под повышенным давлением (PESR)
• Переплав в атмосфере инертного газа (IESR)
• Переплав при пониженном давлении (VAC-ESR).

Переплав под повышенным давлением (PESR)

В течение последних 30 лет азот стал необычно привлекательным дешевым легирующим элементом для улучшения свойств стали. В аустенитной стали азот в растворенном виде увеличивает прочность путем образования сверхнасыщенного твердого раствора. У сталей ферритового класса целью является получение мелкозернистых нитридов сравнимых со структурой, получаемой при закалке и отпуске железоуглеродистых сплавов. Для производства этих новых материалов необходимо, чтобы азот в количестве выше уровня растворимости при нормальном давлении был введен в расплавленную сталь, и чтобы не возникало его потерь при кристаллизации. Т.к. растворимость азота пропорциональна квадратному корню его парциального давления, то возможно вводить большие объемы азота в расплав и позволять ему кристаллизоваться под высоким давлением. Это гарантирует проведение электрошлакового переплава при давлении в 42 бара.

Из-за того, что капли металла находятся в жидком состоянии весьма непродолжительное время, усвоение азота из газовой фазы незначительно.Поэтому азот должен непрерывно подаваться во время переплава в форме твердых азотосодержащих добавок. Высокое давление необходимо исключительно для того, чтобы удержать азот, введенный в расплавленную сталь. Уровень давления зависит от состава сплава и от желаемого содержания азота в слитке после переплава.

Переплав в атмосфере инертного газа (IESR)

Результатом разработок ALD в области технологии PESR стало то, что сейчас ALD рекомендует производить процесс ESR в закрытой атмосфере инертного газа при нормальном давлении. Это большой шаг вперед в освобождении технологии ESR от проблемы поглощения кислорода и влияния сезонных изменений в атмосфере. Также это позволяет производить переплав в атмосфере инертного газа, свободной от кислорода.

Были получены следующие результаты:

• Отсутствие окисления шлака и электрода
• Практически полное отсутствие потерь из-за окисления таких элементов как Ti, Zr, Al, Si и т.д. Это особенно важно при переплаве таких Al и Ti-содержащих сплавов, как  жаропрочные сплавы с очень строгими значениями допуска
• Достигается большая чистота слитка
• При использовании в качестве инертного газа аргона помогает избежать поглощения азота и кислорода (при использовании азота, возможно некоторое поглощение азота)

Из-за отсутствия кислорода в  установке, обессеривание во время газовой фазы больше не является оптимальным решением. Как бы то ни было, от серы избавляются в ковшовой металлургии при изготовлении электродов.

В наличии имеются установки двух типов конструкции, один с относительно герметичным защитным колпаком, другой с полностью вакуумплотной системой защитного кожуха, которая позволяет заменить воздух атмосферой инертного газа перед началом процесса переплава.

Переплав при пониженном давлении (VAC-ESR)

Переплав при пониженном давлении это еще одна недавно разработанная технология. Переплав происходит в вакууме как при технологии VAR, но при использовании шлака. Проблемы окисления расплава не возникают. Дополнительно удаляются растворенные газы, напр. водород и азот, и опасность появления белых пятен, как во время процесса VAR, уменьшена до минимума. Поэтому один процесс сочетает преимущества как технологии ESR, так и VAR. Это интересно для получения жаропрочных сплавов и переплава титана.

Типы установок

ALD были разработаны пять основных типов конструкции установок ESR

Установки для опытного производства

для разливки в неподвижные формы и формы, установленные на поворотном столе. Данные установки отлично подходят для опытного и экспериментального производства, а также проведения разнообразных процессов ESR при низкой стоимости процессов. 

Установки с разливкой в неподвижные формы

С двумя неподвижными станциями переплавки и одной поворотной верхней частью установки. Данные установки специально сконструированы для эффективного производства при высокой производительности.

Системы извлечения слитка

с центральной станцией извлечения слитка и возможностью замены электрода, и двумя внешними станциями переплавки для разливки в неподвижные формы. Центральная станция обычно используется для переплавки слитков большого диаметра. Слитки меньшего диаметра могут одновременно плавиться во внешних станциях.

Системы с защитной атмосферой

для использования неподвижных формам и закрытой конструкции установки для переплава в атмосфере инертного газа. Эти установки обычно рекомендуются для переплава титана, алюминия и сплавов с содержанием редкоземельных металлов или сплавов с низким содержанием алюминия (<0,005).

Установки для работы в вакууме/под давлением

Полностью герметичные установки для электро-шлакового переплава в вакууме, инертном газе или под повышенным давлением. Эти системы обычно производятся для получения слитков электрошлакового переплава с высоким содержанием азота или активных элементов.

Возможности электрошлакового переплава

• Вес слитка от 100 кг до 165 тонн;
• Переменные токи для переплава от 3 кА до 92 кА;
• Диаметр слитка от 170 до 2.300 мм, в зависимости от материала;
• Можно получать слитки круглого, квадратного и прямоугольного сечения;
• ALD предлагает системы для специальных процессов, напр. переплавки под давлением, в защитном газе либо в вакууме. Доля этих технологий на рынке будет расти, в особенности это касается процессов IESR в атмосфере инертного газа.

Использование установок ESR:

•  Инструментальные стали для фрез, горной промышленности, и т.д.;
• Штамповые стали для обработки стекла, пластика и для автомобильной промышленности;
• Подшипниковые стали;
• Стали для валов турбин и генераторов;
• Жаропрочные сплавы для авиакосмической промышленности  и энергетических турбин;
• Никелевые сплавы для химической промышленности
• Холоднокатаные стали