Как же осуществляется электрошлаковый переплав, благодаря каким механизмам, действующим в электрометаллургическом комбайне, получается металл высочайшего качества? Опустим, конечно, технические подробности, которых здесь немало, и расскажем лишь о главном, что составляет суть электрошлаковой технологии.
Прежде всего напомним в самых общих чертах, как происходит ЭШП.
Расходуемый металлический электрод (а это и есть металл, который предстоит переплавить), подключенный к источнику тока, погружают торцом в расплавленный электропроводный шлак. Под действием тепла, которое выделяется в нем при прохождении тока, электрод плавится и капли металла, просочившись сквозь толщу шлаковой ванны, опускаются на ее дно, образуя металлическую ванну. Все это происходит в водоохлаждаемой форме, где металл постепенно, направленно — снизу вверх — кристаллизуется. По мере оплавления электрод подается в шлаковую ванну, и благодаря этому объем жидкого металла в форме непрерывно восполняется.
Таким образом, первое и важнейшее условие, без которого немыслимо создание эффективного процесса переплава, и здесь строго выполняется: все три операции — плавление, разливка и кристаллизация металла — происходят одновременно и в одном месте.
Электрошлаковый переплав можно сравнить с театром одного актера. Действительно, здесь все роли играет шлак. А точнее — сразу пять. Он заменил электрическую дугу и служит нагревательным элементом, тепло которого, во-первых, плавит электрод, а во-вторых, обогревает кристаллизующийся металл, что улучшает структуру слитка. Шлак надежно защищает расплавленный металл от окружающей атмосферы. Еще одна его функция — образовывать на поверхности отливки тонкую корочку — гарнисаж, что в итоге также способствует формированию здоровой отливки, без рыхлости и усадочной раковины; кроме того, отливка получается с такой чистой поверхностью, что, как правило, не нужна и механическая обработка. И последняя по счету, но, конечно, не по значению, — это рафинирующая роль шлака. Ее он выполняет на всех стадиях контакта с металлом: и соприкасаясь с оплавляющимся электродом, и когда капли жидкого металла проходят через шлаковую ванну, и на ее границе с металлическим расплавом.
За считанные секунды в шлаковом «чистилище» протекают реакции рафинирования, не достигающие такой степени глубины даже за многие часы обработки расплавов в сталеплавильной печи. В чем же причина такой быстротечности металлургических процессов при электрошлаковом переплаве? Прежде всего в мелкокапельном расплавлении электрода. Именно поэтому поверхность контакта расплавленного металла со шлаком в сотни и даже тысячи раз больше, чем при традиционной выплавке стали.
При ЭШП из металла удаляются газы, неметаллические включения, вредные примеси, в числе которых и главный враг стали — сера. Например, после электрошлакового переплава конструкционных сталей общее количество примесей в них снижается в 3 раза и более. И наконец, отметим, что процесс ЭШ-переплава создает исключительно благоприятные условия для кристаллизации металла. Количество жидкого металла все время остается таким небольшим, что ликвации — самому страшному для качества отливки процессу — просто негде разыграться. А характер отвода тепла от стенок формы и непрерывное поступление сверху жидкого металла с подогревом его служат гарантией того, что отливка, которая образуется из непрерывно снизу затвердевающего металла, получается отличного качества.
О масштабах применения ЭШП в нашей стране уже говорилось. Приведу лишь несколько цифр, которые наглядно показывают, какую выгоду народному хозяйству приносит использование сверхчистого металла. Так, подшипники железнодорожных вагонов, сделанные из стали ЭШП, позволяют вдвое увеличить межремонтный пробег. Подсчитано, что на каждой тонне шарикоподшипниковой стали, выплавленной в ЭШ-печи, удается сберечь более 300 рублей. На каждом буровом долоте, сделанном из стали ЭШП, экономится за счет повышения долговечности около 100 рублей. А ведь таких долот ежегодно требуется более миллиона штук.
Одна из самых замечательных технологий, изобретенных когда-либо человеком, несомненно, литье. До гениальности простая идея — получать из жидкого металла практически без отходов сразу готовое изделие, — казалось, должна была гарантировать литью безраздельное господство. Но по мере усложнения техники, не имея возможности обеспечить нужные свойства металлу, литье все больше и больше уступало свои позиции, и прежде всего ковке. А там, где оно продолжало лидировать, во многом подрывало свою репутацию, нагромождая вокруг отливки чуть ли не такие же по весу, идущие затем в отходы литники, прибыли. С их помощью литье пыталось справиться со своими «болезнями».