Некоторые особенности электрошлаковой плавки бывшего в употреблении бурового инструмента с целью получения новых экономнолегированных сталей
Исследовано поведение WC и Co при электрошлаковом кокильном литье б/у бурового инструмента. Показано, что при нагреве расходуемого электрода до 1150…1200 °С окисляется незначительная часть WC и Co (до 10 %).Установлено, что меньший угар WC и Co происходит при «горячей плавке», соответствующей параме...
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Назва видання: | Современная электрометаллургия |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96625 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Некоторые особенности электрошлаковой плавки бывшего в употреблении бурового инструмента с целью получения новых экономнолегированных сталей / А.Г. Богаченко, В.И. Галинич, И.А. Нейло, Д.Д. Мищенко, И.А. Гончаров, В.Я. Маркив, Н.Н. Белявина, В.Г. Кудин, В.С. Судавцова // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 4 (109). — С. 9-14. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96625 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-966252025-02-23T19:23:57Z Некоторые особенности электрошлаковой плавки бывшего в употреблении бурового инструмента с целью получения новых экономнолегированных сталей Some peculiarities of electroslag melting of used drilling tool to produce new scarcely alloyed steels Богаченко, А.Г. Галинич, В.И. Нейло, И.А. Мищенко, Д.Д. Гончаров, И.А. Маркив, В.Я. Белявина, Н.Н. Кудин, В.Г. Судавцова, В.С. Электрошлаковая технология Исследовано поведение WC и Co при электрошлаковом кокильном литье б/у бурового инструмента. Показано, что при нагреве расходуемого электрода до 1150…1200 °С окисляется незначительная часть WC и Co (до 10 %).Установлено, что меньший угар WC и Co происходит при «горячей плавке», соответствующей параметру 1,2… 1,4 кВт/кг/мин. Оптимизированы технологические параметры плавки, обеспечивающие уменьшение окисления (угара) WC и Co при получении экономнолегированных сталей для литых корпусов бурового инструмента. Behavior of WC and Co in electroslag chill casting of used drilling tool was investigated. It is shown that during heating of consumable electrode up to 1150…1200 °С a negligible part of WC nad Co is oxidized (up to 10 %). It was found that lower fumes of WC and Co are occurred in «hot melting» corresponding to parameter 1.2… 1.4 kW/kg/min. Technological parameters of melting providing the reduction of oxidation (fume) of WC and Co in producing scarcely alloyed steels for cast bodies of drilling tool are optimized 2012 Article Некоторые особенности электрошлаковой плавки бывшего в употреблении бурового инструмента с целью получения новых экономнолегированных сталей / А.Г. Богаченко, В.И. Галинич, И.А. Нейло, Д.Д. Мищенко, И.А. Гончаров, В.Я. Маркив, Н.Н. Белявина, В.Г. Кудин, В.С. Судавцова // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 4 (109). — С. 9-14. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96625 669.117.56 ru Современная электрометаллургия application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Электрошлаковая технология Электрошлаковая технология |
| spellingShingle |
Электрошлаковая технология Электрошлаковая технология Богаченко, А.Г. Галинич, В.И. Нейло, И.А. Мищенко, Д.Д. Гончаров, И.А. Маркив, В.Я. Белявина, Н.Н. Кудин, В.Г. Судавцова, В.С. Некоторые особенности электрошлаковой плавки бывшего в употреблении бурового инструмента с целью получения новых экономнолегированных сталей Современная электрометаллургия |
| description |
Исследовано поведение WC и Co при электрошлаковом кокильном литье б/у бурового инструмента. Показано, что при нагреве расходуемого электрода до 1150…1200 °С окисляется незначительная часть WC и Co (до 10 %).Установлено, что меньший угар WC и Co происходит при «горячей плавке», соответствующей параметру 1,2… 1,4 кВт/кг/мин. Оптимизированы технологические параметры плавки, обеспечивающие уменьшение окисления (угара) WC и Co при получении экономнолегированных сталей для литых корпусов бурового инструмента. |
| format |
Article |
| author |
Богаченко, А.Г. Галинич, В.И. Нейло, И.А. Мищенко, Д.Д. Гончаров, И.А. Маркив, В.Я. Белявина, Н.Н. Кудин, В.Г. Судавцова, В.С. |
| author_facet |
Богаченко, А.Г. Галинич, В.И. Нейло, И.А. Мищенко, Д.Д. Гончаров, И.А. Маркив, В.Я. Белявина, Н.Н. Кудин, В.Г. Судавцова, В.С. |
| author_sort |
Богаченко, А.Г. |
| title |
Некоторые особенности электрошлаковой плавки бывшего в употреблении бурового инструмента с целью получения новых экономнолегированных сталей |
| title_short |
Некоторые особенности электрошлаковой плавки бывшего в употреблении бурового инструмента с целью получения новых экономнолегированных сталей |
| title_full |
Некоторые особенности электрошлаковой плавки бывшего в употреблении бурового инструмента с целью получения новых экономнолегированных сталей |
| title_fullStr |
Некоторые особенности электрошлаковой плавки бывшего в употреблении бурового инструмента с целью получения новых экономнолегированных сталей |
| title_full_unstemmed |
Некоторые особенности электрошлаковой плавки бывшего в употреблении бурового инструмента с целью получения новых экономнолегированных сталей |
| title_sort |
некоторые особенности электрошлаковой плавки бывшего в употреблении бурового инструмента с целью получения новых экономнолегированных сталей |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Электрошлаковая технология |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96625 |
| citation_txt |
Некоторые особенности электрошлаковой плавки бывшего в употреблении бурового инструмента с целью получения новых экономнолегированных сталей / А.Г. Богаченко, В.И. Галинич, И.А. Нейло, Д.Д. Мищенко, И.А. Гончаров, В.Я. Маркив, Н.Н. Белявина, В.Г. Кудин, В.С. Судавцова // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 4 (109). — С. 9-14. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| series |
Современная электрометаллургия |
| work_keys_str_mv |
AT bogačenkoag nekotoryeosobennostiélektrošlakovojplavkibyvšegovupotrebleniiburovogoinstrumentascelʹûpolučeniânovyhékonomnolegirovannyhstalej AT galiničvi nekotoryeosobennostiélektrošlakovojplavkibyvšegovupotrebleniiburovogoinstrumentascelʹûpolučeniânovyhékonomnolegirovannyhstalej AT nejloia nekotoryeosobennostiélektrošlakovojplavkibyvšegovupotrebleniiburovogoinstrumentascelʹûpolučeniânovyhékonomnolegirovannyhstalej AT miŝenkodd nekotoryeosobennostiélektrošlakovojplavkibyvšegovupotrebleniiburovogoinstrumentascelʹûpolučeniânovyhékonomnolegirovannyhstalej AT gončarovia nekotoryeosobennostiélektrošlakovojplavkibyvšegovupotrebleniiburovogoinstrumentascelʹûpolučeniânovyhékonomnolegirovannyhstalej AT markivvâ nekotoryeosobennostiélektrošlakovojplavkibyvšegovupotrebleniiburovogoinstrumentascelʹûpolučeniânovyhékonomnolegirovannyhstalej AT belâvinann nekotoryeosobennostiélektrošlakovojplavkibyvšegovupotrebleniiburovogoinstrumentascelʹûpolučeniânovyhékonomnolegirovannyhstalej AT kudinvg nekotoryeosobennostiélektrošlakovojplavkibyvšegovupotrebleniiburovogoinstrumentascelʹûpolučeniânovyhékonomnolegirovannyhstalej AT sudavcovavs nekotoryeosobennostiélektrošlakovojplavkibyvšegovupotrebleniiburovogoinstrumentascelʹûpolučeniânovyhékonomnolegirovannyhstalej AT bogačenkoag somepeculiaritiesofelectroslagmeltingofuseddrillingtooltoproducenewscarcelyalloyedsteels AT galiničvi somepeculiaritiesofelectroslagmeltingofuseddrillingtooltoproducenewscarcelyalloyedsteels AT nejloia somepeculiaritiesofelectroslagmeltingofuseddrillingtooltoproducenewscarcelyalloyedsteels AT miŝenkodd somepeculiaritiesofelectroslagmeltingofuseddrillingtooltoproducenewscarcelyalloyedsteels AT gončarovia somepeculiaritiesofelectroslagmeltingofuseddrillingtooltoproducenewscarcelyalloyedsteels AT markivvâ somepeculiaritiesofelectroslagmeltingofuseddrillingtooltoproducenewscarcelyalloyedsteels AT belâvinann somepeculiaritiesofelectroslagmeltingofuseddrillingtooltoproducenewscarcelyalloyedsteels AT kudinvg somepeculiaritiesofelectroslagmeltingofuseddrillingtooltoproducenewscarcelyalloyedsteels AT sudavcovavs somepeculiaritiesofelectroslagmeltingofuseddrillingtooltoproducenewscarcelyalloyedsteels |
| first_indexed |
2025-11-24T16:01:30Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:01:30Z |
| _version_ |
1849688158485086208 |
| fulltext |
УДК 669.117.56
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ ПЛАВКИ БЫВШЕГО
В УПОТРЕБЛЕНИИ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА
С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ НОВЫХ
ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
А. Г. Богаченко, В. И. Галинич, И. А. Нейло,
Д. Д. Мищенко, И. А. Гончаров, В. Я. Маркив,
Н. Н. Белявина, В. Г. Кудин, В. С. Судавцова
Исследовано поведение WC и Co при электрошлаковом кокильном литье б/у бурового инструмента. Показано,
что при нагреве расходуемого электрода до 1150… 1200 °С окисляется незначительная часть WC и Co (до 10 %).
Установлено, что меньший угар WC и Co происходит при «горячей плавке», соответствующей параметру
1,2… 1,4 кВт/кг/мин. Оптимизированы технологические параметры плавки, обеспечивающие уменьшение окис-
ления (угара) WC и Co при получении экономнолегированных сталей для литых корпусов бурового инструмента.
Behavior of WC and Co in electroslag chill casting of used drilling tool was investigated. It is shown that during heating
of consumable electrode up to 1150… 1200 °С a negligible part of WC nad Co is oxidized (up to 10 %). It was found
that lower fumes of WC and Co are occurred in «hot melting» corresponding to parameter 1.2… 1.4 kW/kg/min.
Technological parameters of melting providing the reduction of oxidation (fume) of WC and Co in producing scarcely
alloyed steels for cast bodies of drilling tool are optimized.
Ключ е вы е с л о в а : экономнолегированная сталь; буро-
вая коронка; твердосплавная вставка; карбид вольфрама;
«тепловой удар»; электрошлаковое кокильное литье; окисле-
ние; шпинель; припой
Объемы работ, связанных с разрушением различ-
ных горных пород в Украине, очень большие. В
последнее время годовая потребность отечествен-
ных предприятий только в буровых коронках сос-
тавляет несколько сотен тысяч штук. Поставщики
буровых коронок – предприятия Украины, а так-
же России, Китая, Швеции и других стран [1].
Обязательными конструктивными элементами
буровой коронки являются твердосплавные встав-
ки, изготовляемые путем спекания порошка карбида
вольфрама на кобальтовой основе (система WC—Co),
а также стальной корпус, выполненный из различ-
ных конструкционных или инструментальных ста-
лей. Coединение этих элементов осуществляется
способами пайки или прессования. Буровая корон-
ка работает в очень жестких условиях. Следует от-
метить, что в процессе бурения коронка совершает
до 1200 ударов в минуту по породе высокой твер-
дости, совершая при этом 40… 120 оборотов. Поэ-
тому стальной корпус должен отличаться высоким
уровнем физико-механических свойств и их изот-
ропностью, обусловливающих его достаточные цик-
лическую и конструктивную прочность, износос-
тойкость, низкую склонность к хрупкому разруше-
нию и т. п.
Таким требованиям удовлетворяют корпуса из
легированных конструкционных и инструменталь-
ных сталей типа 18Х2Н4В(М)А, 20… 25ХН3МА,
38ХН3МФА и др. Важной особенностью этих ста-
лей применительно к буровым коронкам и другому
породоразрушающему инструменту является их
способность к закалке при медленном охлаждении.
Однако эти стали содержат дефицитные никель, воль-
фрам, молибден, ванадий и поэтому очень дорого стоят.
В Украине в последние годы для корпусов ко-
ронок широко используется сталь типа 35ХГСА,
которая в 2… 3 раза дешевле указанных сталей. В
то же время эта сталь при производстве паяного
бурового инструмента отличается существенным не-
достатком – она преобретает оптимальные физи-
ко-механические свойства (в том числе твердость
HRC 42… 48) только при изотермической закалке
в щелочи. При такой закалке с очень резким ох-
лаждением в диапазоне 900… 300 °С (сразу после
© А. Г. БОГАЧЕНКО, В. И. ГАЛИНИЧ, И. А. НЕЙЛО, Д. Д. МИЩЕНКО, И. А. ГОНЧАРОВ, В. Я. МАРКИВ,
Н. Н. БЕЛЯВИНА, В. Г. КУДИН, В. С. СУДАВЦОВА, 2012
9
пайки) твердосплавные вставки получают «тепло-
вой удар», вследствие чего их конструктивная проч-
ность снижается в 2… 4 раза [2]. Поэтому каждый
производитель, использующий сталь 35ХГСА или
другие низколегированные стали типа 40Х,
выбирает для себя компромиссные решения между
стоимостью коронок и их эксплуатационными ха-
рактеристиками.
Таким образом, задача создания и производства
новых экономнолегированных (недорогих) сталей,
имеющих свойства стандартных легированных ста-
лей, весьма актуальна для украинских производи-
телей бурового инструмента.
В ИЭС им. Е. О. Патона предложен и успешно
опробован способ получения экономнолегирован-
ных сталей на основе электрошлакового кокильного
литья (ЭКЛ) расходуемого электрода, набранного
из бывшего в употреблении (б/у) бурового инстру-
мента вместе с твердосплавными вставками и кор-
пусами из стали 35ХГСА. При этом обеспечивается
получение гаммы принципиально новых сталей уже
инструментального класса, легированных вольфра-
мом и углеродом из твердосплавных вставок (сис-
темы легирования C—Si—Mn—Cr—W). Эти стали
способны к закалке при медленном охлаждении, в
том числе на воздухе [1]. Данной системе легиро-
вания близки по свойствам инструментальные
штамповые стали типа 5ХГСА, 5ХГСВФ,
5ХГСФМ, 6ХВГ, 6ХГСФ, 5ХГМ, 4ХГСФМ и др.
[3]. В их состав входят вольфрам, молибден, вана-
дий, хром, карбиды которых обеспечивают высокие
прочностные показатели, твердость и требуемые эк-
сплуатационные характеристики соответствующих
изделий.
В работе по созданию экономнолегированных
сталей приняты следующие предпосылки и исход-
ные данные.
Твердосплавные вставки изготовляют способом
спекания порошков карбида вольфрама при темпе-
ратуре 1320… 1480 °С. Coдержание кобальта в на-
иболее распространенных твердых сплавах состав-
ляет 6… 15 %. Ориентировочная температура плав-
ления кобальтовой фазы с примесями – 1350 °С
[4]. Следовательно, для расплавления кобальтовой
фазы, распада твердосплавной вставки и последу-
ющего легирования стали вольфрамом и углеродом при
ЭКЛ, необходима температура примерно 1400 °С.
Основные температурные зоны при ЭКЛ приве-
дены на рис. 1. Из этого рисунка следует, что уже
в нижней части электрода, вблизи поверхности шла-
ковой ванны, его температура близка к 1200 °С. На
границе раздела электродной металлической плен-
ки и шлака зафиксированы пик температуры, его
скачкообразное повышение до 2000… 2100 °С. При
этом температура шлаковой ванны составляет
1700…1800 и металлической – 1550…1600 °С [5, 6].
Приведенные данные свидетельствуют о гарантиро-
ванном плавлении кобальтовой связки и высвобож-
дении частиц карбида вольфрама при ЭКЛ. Важно
отметить в качестве положительного фактора, ха-
рактерного для электрошлаковой плавки с расхо-
дуемым электродом, постепенный, развитый во вре-
мени, процесс нагрева твердосплавных вставок и
корпусов из стали 35ХГСА до температуры
1150… 1200 °С и затем их быстрое плавление в вы-
сокотемпературных шлаковой и металлической ван-
нах. Это коренным образом отличает ЭКЛ от ин-
дукционной и электродуговой плавки, которые, по-
нашему мнению, не могут быть успешно использова-
ны для получения новых экономнолегированных ста-
лей путем переплава б/у инструмента.
Опытные плавки при разработке технологии
выплавки и разливки новых сталей выполняли на
установке типа УШ-159, имеющей трансформатор
мощностью 140 кВ⋅А и обеспечивающей накопление
в тигле 40… 60 кг жидкой стали. Для переплава
использовали б/у коронки с корпусами из стали
35ХГСА и твердосплавными вставками типа В-20
(ВК-10В). Основные параметры вставок приведены
в табл. 1.
По данным табл. 1 и химическому составу стали
35ХГСА рассчитывали состав расходуемого элект-
рода по количеству б/у коронок и твердосплавных
Рис. 1. Основные температурные зоны при ЭКЛ: 1, 2 – соот-
ветственно твердосплавные вставки и корпуса б/у инструмента
из стали 35ХГСА, составляющие расходуемый электрод; 3 –
нижняя часть электрода (T = 1150… 1200 °С); 4 – переходная
зона электрод—шлак (T = 2000… 2100 °С); 5 – шлаковая ванна
(T = 1700…1800 °С); 6 – металлическая ванна (T = 1550…1600 °С)
Т а б л и ц а 1 . Среднее содержание основных компонентов
в твердосплавных вставках В-20, мас. %
Co WC
При WC, 90 % Размер,
мкм
Ti/TaNbC
W C
10 90 84,6 5,4 4 < 0,20
10
вставок с целью обеспечения требуемого содержа-
ния вольфрама и углерода в жидкой стали.
В ходе 19 плавок получены экспериментальные
стали системы C—Si—Mn—Cr—W в виде литых заго-
товок корпусов буровых коронок с широким диа-
пазоном содержания каждого легирующего элемен-
та с целью последующих испытаний и исследований
этих сталей. Однозначно установлено, что воль-
фрам, углерод и кобальт в объеме отливки распре-
деляются равномерно. Предельные и средние значе-
ния каждого из этих элементов указаны в табл. 2.
В табл. 2 также приведены данные по угару воль-
фрама, углерода, кобальта, составляющих твердо-
сплавных вставок. Обращает внимание большой
разброс показателей угара для каждого из этих эле-
ментов. Поэтому мы попытались оценить термоди-
намические особенности их поведения в условиях
электрошлаковой плавки, исходя из того, что тер-
мическая диссоциация, требующая достижения зна-
чения температуры примерно 2600 °С, в условиях
электрошлаковой плавки невозможна [4, 7, 8].
WC = [W] + [C].
Поэтому в данном случае необходимы обменные
реакции между карбидом вольфрама и составляю-
щими шлаковой и металлической ванн. При этом
указанные реакции должны протекать с образова-
нием газообразных соединений или конденсирован-
ных фаз. В металлической ванне нет элементов,
которые могут участвовать в обменных реакциях с
карбидом вольфрама. Следователь-
но, вероятным может быть окисление
карбида вольфрама в результате вза-
имодействия его с кислородом атмос-
феры и шлаковой ванны в процессе
электрошлаковой плавки. Для иссле-
дования этого явления нами использо-
ван дериватограф Q-1500, в котором
размеры тигля, используемого для заг-
рузки материала, близки к размерам
твердосплавной вставки, впаянной в
корпус буровой коронки (рис. 2).
Существенное различие состоит в
том, что площадь поверхности частиц
WC—Co, контактирующих с атмосфе-
рой в тигле, значительно превышает
аналогичную площадь (верхняя часть
вставки) при том, что боковая и нижняя поверхнос-
ти вставки достаточно плотно закрыты припоем и
корпусом коронки.
Исследования проводили на дробленых образ-
цах массой 3,0… 3,5 г, которые нагревали с макси-
мально возможной скоростью (15 °С/мин) до
1450…1520 °С. Опыты выполняли по двум вариан-
там. Первый предусматривал нагрев образцов без
флюса (образец № 1), второй (образец № 2) –
под флюсом АН-295, представляющим собой фто-
ридно-оксидную систему с основностью около едини-
цы и температурой плавления ориентировочно 1350 °С.
Химический состав флюса АН-295 по ТУ 14-1-165—72
приведен в табл. 3. Дериватограмма нагрева образца
№ 1 представлена на рис. 3.
По кривой TG на рис. 3 видно, что окисление
образца (увеличение его массы) происходит в диа-
пазоне температур примерно 200… 1350 °С.
Для определения типа и свойств продуктов окис-
ления образец после эксперимента исследовали на
Т а б л и ц а 2 . Массовая доля легирующих элементов в новых сталях ЭКЛ, %
Вариант W Co C Si Mn Cr
1* 3,5… 0,33
1,4
0,26… 0,042
0,12
0,65… 0,37
0,46
1,36… 0,90
1,15
1,1… 0,85
1,02
1,3… 1,09
1,15
2** 19,0… 4,83
9,7
15,4… 4,8
10,1
16,9… 3,4
9,4
— — —
*В числителе указаны максимальные и минимальные, в знаменателе – средние значения содержания элементов.
**. В числителе приведены максимальные и минимальные, в знаменателе – средние значения угара элементов.
Рис. 2. Геометрические параметры отработавших монолитной (а) и дробленой (б)
твердосплавных вставок типа В-20 в тигле дериватографа: 1 – твердосплавная
вставка; 2 – корпус буровой коронки; 3 – припой Л-63; 4 – дробленая твердос-
плавная вставка; 5 – корпус тигля дериватографа Q-1500
Т а б л и ц а 3 . Химический состав флюса АН-295 по
ТУ14-1-165—72
Массовая доля компонентов, %
CаF2 Al2O3 CаO SiO2 MgO
11… 17 49… 56 26… 31 Не более 2,5 Не более 2,5
11
дифрактометре ДРОН-3 с использованием мо-
нохромического Cu-Kα излучения.
Установлено, что на поверхности частиц обра-
зуется 73 % шпинели CoWO4 в и 27 % WO3. Веро-
ятно, в процессе нагрева твердосплавной вставки
происходит окисление WC и Co по следующим ре-
акциям:
2WC + 5O2 → 2WO3 + 2CO2; (1)
Co + 1/2О2 → CoО. (2)
В твердосплавной вставке количество вольфра-
ма значительно больше, чем кобальта (табл. 1). По-
этому весь CoО уйдет на взаимодействие с WО3 с
образованием шпинели CoWO4. При этом 27 %
WO3 остается в свободном виде. Важно отметить,
что кобальт не окисляется до Co2О3, поскольку об-
разующиеся CoО и WO3, находясь в активном сос-
тоянии, реагируют с образованием шпинели
CoWO4. Это подтверждается тем, что ни CoО, ни
Co2О3 в шлаке после переплава не обнаружены.
Согласно значениям кривой TG рассчитано из-
менение относительной массы образца (α = Δm/m)
при разных температурах нагрева. Установлено,
что максимальное значение α составляет около 9,5 %.
Следует отметить также, что нагрев образца в диа-
пазоне 20… 200 °С сопровождается уменьшением
его массы, что, по-видимому, связано с удалением
свободной влаги. На кривой DTA (рис. 3) зафикси-
рованы два пика, свидетельствующие о протекании
процесса с выделением теплоты. Площадь пика S
связана с тепловым эффектом ΔН соотношением
ni ΔН = kS, (4)
где ni – количество молей исходного вещества; k –
коэффициент пересчета.
Значение k необходимо определять, исследуя в
качестве эталона процесс с известным ΔH. В качес-
тве такого мы выбрали разложение карбоната каль-
ция (CaCO3):
CaCO3 → CaO + CO2.
Значение ΔН этого процесса и составляет
0,178 кДж/моль [9]. Экспериментальная дерива-
тограмма для CaCO3 приведена на рис. 4. На основе
атомного веса CaCO3 определили, что ni = 4,74⋅10—3.
По пику на кривой DTA установили, что коэффи-
циент пересчета k = 86,8 Дж/см2. Затем по дери-
ватограмме рассчитали тепловой эффект окисления
исследуемого образца WC—Co. Он равен 1,3 кДж/г.
Такой большой тепловой эффект обусловлен в ос-
новном протеканием реакций (1) и (2). Его можно
также рассчитать по закону Гесса, используя спра-
вочные данные по энтальпиям образования всех ве-
ществ, принимающих участие в указанных реакци-
ях. Вычисленное значение ΔH немного превышает
полученное в эксперименте на дериватографе.
Это можно объяснить тем, что дериватограф не
является калориметром. Результаты испытаний об-
разцов WC—Co под флюсом АН-295 (образец № 2)
представлены на рис. 5. Из приведенных данных
видно, что окисление WC—Co начинается при значи-
тельно более высокой температуре (примерно 400 °С),
чем образца № 1, и тепловой эффект составляет
всего 0,4 кДж/г. Это обусловлено тем, что флюс
в твердом состоянии достаточно эффективно защи-
щает WC—Co от окисления.
Аналогичные данные получены при нагреве та-
кого же образца до 1520 °С в течение 120 мин и
выдержке при этой температуре в течение 20 мин.
Таким образом, в процессе электрошлаковой
плавки б/у инструмента WC и Co окисляются в
процессе нагрева электрода до 1150… 1200 °С, при
этом только в верхней, открытой, т. е. незначитель-
ной (до 10 %) части вставок. Основная же часть
WС и Co окисляется уже в шлаковой и частично в
металлической ванне. Линейная скорость переме-
щения расходуемого электрода в ходе плавки сос-
Рис. 3. Дериватограмма, полученная при нагреве образца № 1:
T – изменение температуры при нагреве; TG – изменение массы;
DTA – тепловой эффект (энтальпия); DTG – скорость изме-
нения массы; τ – время нагрева
Рис. 4. Дериватограмма, полученная при нагреве образца CaCO3
(обозначение см. на рис. 3)
12
тавляет 15… 20 мм/мин. Следовательно, время вза-
имодействия предварительно нагретой вставки и вы-
сокотемпературного шлака составляет 1,0…1,5 мин,
что вполне достаточно для расплавления кобальто-
вой связки, легирования металла WC и Co, а также
их окисления до среднего статистического показа-
теля (приблизительно 7… 8 %). В этих условиях
плавки применение защитных покрытий электрода
малоэффективно и на практике не используется.
Исследование активности кислорода во флюсе
АН-295 показало, что он имеет довольно низкий
окислительный потенциал (0,00012 моль. %) и по
этому показателю занимает промежуточное положе-
ние между флюсами АНФ-28 и АНФ-29, широко ис-
пользуемыми в промышленности для ЭШП (рис. 6).
При анализе влияния мощности Pшл, вводимой
в шлак, а значит, температуры и скорости плавки,
на поведение WC и Co мы разделили все опытные
плавки на три группы, соответствующие низкой,
средней и высокой мощности. Установлено, что
меньший угар зафиксирован при плавке на высокой
мощности, соответствующей комплексному пара-
метру 1,2… 1,4 кВт/кг/мин. В связи с этим раз-
работан дифференцированный режим плавки, суть
которого состоит в том, что осуществляется быст-
рый нагрев электрода и к моменту входа в шлак
твердосплавных вставок Pшл увеличивается на
5… 50 % относительно номинальной, а также под-
держивается на этом уровне до полного входа вста-
вок в шлак. Такое циклическое изменение мощности
совершается столько раз, сколько уровней со встав-
ками имеется в расходуемом электроде [10].
Определен еще один фактор, оказывающий оп-
ределенное влияние на потери вольфрама, углерода
и кобальта. Вначале при сборке расходуемого элек-
трода не придавали значения положению б/у ко-
ронки. Если коронка располагалась вставками вниз
(в сторону шлаковой ванны), то при достижении
электродом значения температуры 950… 1000 °С,
когда расплавляется припой Л-63, вставка, не за-
жатая деформированным корпусом, падала в ти-
гель. При этом она в течение долей секунды про-
ходила шлак и попадала в металлическую ванну,
где лишь частично оплавлялась. При разливке ме-
талла такая вставка, как правило, попадала в от-
ливку корпуса и по этой причине корпус уходил в брак.
В дальнейшем сборку электродов проводили
только вставками вверх, в нескольких горизонталь-
ных плоскостях, чтобы, во-первых, исключить па-
дение вставок в шлак, во-вторых, реализовать диф-
ференцированный режим плавки [11].
Использование результатов исследований и со-
вершенствование технологии плавки б/у бурового
инструмента позволили уменьшить угар и сузить
пределы содержания вольфрама, углерода и ко-
бальта в отливках корпусов до значений, указанных
в табл. 4.
Металлографические исследования, изучение
химического состава и механических свойств при
различных вариантах термообработки, а также ре-
зультаты натурных испытаний буровых коронок,
изготовленных из опытной стали типа 45ХГСВ09
ЭКЛ, и их стоимость приведены в работе [1].
Выводы
1. Показано, что в процессе нагрева расходуемого
электрода, составленного из б/у бурового инстру-
мента, происходит окисление WC и Co с образова-
нием шпинели CoWO4 и WO3.
2. Рассчитаны изменения относительной массы
образцов и тепловые эффекты реакций окисления
WC и Co. Установлено, что в процессе нагрева рас-
ходуемого электрода до 1150…1200 °С окисляется нез-
начительная (до 10 %) часть WC и Co, остальное оста-
ется в шлаковой и металлической ваннах.
3. Установлено, что флюс АН-295 отличается не-
высоким окислительным потенциалом. При этом мень-
Рис. 5. Дериватограмма, полученная при нагреве образца WC—Co
в течение 110 мин под флюсом АН-295 до температуры 1450 °С
Рис. 6. Активность кислорода A во флюсах АНФ-28 (1), АНФ-29
(2) и АН-295 (3)
Т а б л и ц а 4 . Массовая доля вольфрама, углерода и ко-
бальта в отливках ЭКЛ, %
W C Co
4,7… 10,5
7,5
4,4… 8,8
7,3
5,1… 9,3
6,8
13
ший угар WC и Co имеется при плавке на высокой
мощности, соответствующей 1,2…1,4 кВт/кг/мин.
4. Отработана оптимальная схема сборки расхо-
дуемого электрода, состоящая в том, что твердо-
сплавные вставки располагаются в положении
«верх» относительно шлаковой ванны.
5. Оптимизация технологических параметров
электрошлаковой плавки б/у бурового инструмен-
та позволила существенно улучшить показатели
окисления (угара) вольфрама, углерода и кобальта
при производстве экономнолегированных сталей
системы легирования C—Si—Mn—Cr—W для корпу-
сов бурового инструмента.
1. Богаченко А. Г., Линенко-Мельников Ю. П., Мельник В. И.
Новые экономнолегированные стали для корпусов буро-
вых коронок. Породоразрушаюший и металлообрабатыва-
ющий инструмент – техника и технология его изготовления
и применения: Сб. науч. тр. – Киев, 2009. – Вып. 12. –
С. 69—79.
2. Клочко Н. А. Основы технологии пайки и термообработки
твердосплавного инструмента. – М.: Металлургия, 1981. –
С. 73—76.
3. Штампы для горячего деформирования металлов. – М.:
Высш. шк., 1977. – С. 319—328.
4. Туманов В. И. Свойства сплавов системы карбид воль-
фрама—кобальт. – М.: Металлургия, 1971. – 10 с.
5. Тепловой баланс и температурные поля расходуемого
электрода при плавке под флюсом / А. А. Никулин,
Л. А. Волохонский, В. И. Дроздов и др. // Электротер-
мия. – 1964. – Вып. 38. – С. 29—30.
6. Металлургия электрошлакового процесса. – Киев: На-
ук. думка, 1986. – С. 122, 157.
7. Куликов И. С. Термическая диссоциация соединений. –
М.: Металлургия, 1966. – 112 с.
8. Куликов И. С. Термодинамика карбидов и нитридов. –
Челябинск: Металлургия, 1988. – С. 76—77.
9. Краткий справочник по химии / Под ред. О. Д. Кури-
ленко. – Киев: Наук. думка, 1988. – 386 с.
10. Пат. 22677 Украина, МПК С 21 С 5/56; В 23 К 25/00.
Способ электрошлаковой тигельной плавки расходуемого
электрода – Опубл. 25.04.2007; Бюл. № 5.
11. Пат. 21646 Украина, МПК С 21 С 5/00; В 23 К 25/00.
Расходуемый электрод / А. Г. Богаченко, Т. А. Богаченко,
А. Ф. Бурлыка и др. – Опубл. 15.03.2007; Бюл. № 3.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев
Киев. нац. ун-т им. Тараса Шевченко
Ин-т проблем материаловедения им. И. М. Францевича, Киев
Поступила 20.11.2012
ПАО «ДНЕПРОСПЕЦСТАЛЬ» – 80 лет!
Коллектив первенца отечественной высококачественной металлургии Запо-
рожского электрометаллургического завода «Днепроспецсталь» имени А. Н.
Кузьмина празднует 80-летие. 10 октября 1932 г. вся страна отмечала пуск
Днепрогэса, а его промышленный ток пошел на Завод инструментальных
сталей, как тогда называлась «Днепроспецсталь». Редколлегия от всей души
поздравляет коллег-электрометаллургов и с удовольствием напоминает, что
именно здесь впервые в мире в 1958 г. была пущена печь электрошлакового
переплава, разработанного учеными Института электросварки под руковод-
ством Б. Е. Патона и Б. И. Медовара.
Пять лет спустя коллектив наиболее активных участников разработки и промышленной реали-
зации ЭШП был удостоен Ленинской премии в области науки и техники. На «Днепроспецстали»
начиналась вакуумная металлургия страны, заработал первый отечествен-
ный реактор газокислородного-рафинирования. Многие другие новые тех-
нологии и оборудование проходили обкатку именно в цехах юбиляра.
Постоянное стремление к новому обеспечивало и конкурентные преиму-
щества. Так было в прошлом, такова ситуация и сегодня, а в будущем –
только с новыми технологиями, производством новых сталей и сплавов Эле-
ктрометаллургический завод будет иметь перспективы.
Дорогие Коллеги!
От всей души поздравляем Вас и желаем дальнейшего развития
и новых творческих взлетов в вашем нелегком труде.
14
|