Исследование химического состава переходной зоны биметаллического слитка, полученного методом ЭШП

Для многих видов оборудования АЭС, нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов применение многослойных металлических композиций является единственным возможным способом достижения сочетания высокой коррозионной стойкости и необходимых механических свойств. Частный случай – биметаллы, с основным слоем из конструкционной стали и плакирующим из коррозионностойкой стали, находят применение в тех случаях, когда одновременно с высокими механическими свойствами требуется надёжная коррозионная стойкость металла [1].

Электрошлаковый переплав (ЭШП) позволяет решить задачу получения биметаллической заготовки с высокой сплошностью соединения слоёв. Но переходная зона представляет собой сплав металлов, образующих слои слитка, и отличный по своим свойствам от сплавляемых металлов. Переходная зона представляет собой ещё один слой в многослойной композиции, при этом химический состав этого слоя непостоянен, то есть изменяется по высоте, и, соответственно, изменяются его свойства. Как показано в работе [2], протяжённость переходной зоны прямо пропорциональна объёму металлической ванны и примерно равна диаметру круглого слитка. Большая протяжённость переходной зоны часто приводит к образованию в этой зоне неблагоприятных структур, по свойствам резко отличающихся от свойств переплавляемых металлов, образующих составные части электрода. При этом толщина переходной зоны неравномерна по сечению слитка и её границы повторяют форму жидкометаллической ванны. Само по себе наличие переходной зоны затрудняет получение слоя металла с заданными свойствами требуемой толщины.

Непостоянность химического состава переходной зоны по высоте связана с тем, что по окончании сплавления части электрода с одним химическим составом металла в начальную жидкометаллическую ванну (с этим же составом) начинается поступление первых порций металла с другим химическим составом (поскольку начинается плавление второй части электрода).

Работы по получению многослойных композиций методом ЭШП ведутся на кафедре «Общая металлургия» филиала ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ) в г.Златоусте уже давно [3, 4]. Для изучения зоны сплавления биметаллического слитка авторами был проведён экспериментальный переплав на установке А-550 с использованием составного расходуемого электрода, который по высоте включал в себя три разнородные части: нижняя – сталь 12ХН3А, средняя – сталь 12Х18Н10Т, верхняя – сталь 12ХН3А.

Полученный слиток был распилен по всей длине на 2 части на лентопильном станке Bomar Ergonomic 320.250DG. На рис. 1, а представлен поперечный разрез слитка, протравленный 5 %-ным раствором азотной кислоты в спирте. На данном изображении можно наблюдать ярко выраженную конусообразную ванну.

Для п олу че ни я д а н ны х хи м иче с кого а нал из а был о с д ел ано 10 проб на х и м и ч е с ком а на лиз а торе МСА-1 вдоль всего сли тка (рис . 1, б). Р е зул ь та ты х имиче ского а н а л и за предс т а в л ены в та б лице .

Данные исследования би ме тал лич еск ог о слитка позволили получить реальное процентное распределение элементов по высоте слитка. На рис. 2 проилл юс тр иров а но из м е н ен ие п роцент ного соде рж ан и я э л е м ентов по в ысоте пе ре х од ной з оны, а на рис. 3 – всего слитка.

Анализ полученных результатов свидетельствует, что переходная зона в биметаллическом слитке ЭШП является довольно протяженной, с резким изменением концентрации элементов по ее длине. Для уменьшения химической неоднородности и протяженности зон необходимо принятие мер, направленных на уменьшение глубины жидкометаллической ванны и изменения химического состава переходной зоны путем легирования металлической ванны.

Среди технологических приемов, применяемых при реализации электрошлаковых технологий, есть ряд принципиально решающих поставленную выше задачу – введение в плавильное пространство порошков или газопорошковых смесей, вращение кристаллизатора, электромагнитное перемешивание [5–7]. Но на наш взгляд, наиболее эффективного снижения протяженности переходной зоны можно достичь, используя технологию ЭШП с вращением расходуемого электрода вокруг своей оси в процессе плавки [8]. Вращение электрода с определенной скоростью приводит к тому, что съем капель металла с его торца будет происходить под действием центробежных сил, капли металла будут двигаться по радиальной траектории и доставляться не в центральную, а в перифе-

а)

б)

Рис. 1: а – протравленный поперечный разрез слитка; б – схема отбора проб для проведения химического анализа

Массовая доля элементов, распределенных по высоте слитка

Высота переходной зоны, мм

Рис. 2. Изменение процентного содержания элементов по высоте переходной зоны

Высота слитка. мм

Рис. 3. Изменение процентного содержания элементов по высоте слитка рийную часть металлической ванны, ближе к стенкам кристаллизатора, тем самым выравнивая фронт кристаллизации.