Технология производства сварно-кованных заготовок

ИЭС им. Е. О. Патона совместно с предприятиями тяжелого машиностроения разработан принципиально новый способ электрошлаковой сварки металла большой толщины. В короткие сроки на заводах было освоено производство станин прокатных станов, деталей прессов, элементов металлургического оборудования, узлов тяжелых горных машин и других деталей в сварно-кованом и сварно-литом исполнениях.

Электрошлаковая сварка позволила создать новые машины на основе наиболее прогрессивных конструктивных решений. Примером является разработка и изготовление на НКМЗ мощных гидравлических штамповочных прессов усилием 75 тыс. тс для нашей страны и усилием 65 тыс. тс для Франции.

Пресс усилием 65 тыс. тс предназначен для точной штамповки заготовок из алюминиевых и титановых сплавов. Его масса 15 200 т, при этом 80% составляют сварные конструкции. Пресс состоит из рамы, подвижной и неподвижной траверс, цилиндров, подштампованных блоков и других деталей. Рама включает в себя двадцать скоб и несколько поперечин, составляющих жесткую конструкцию. Масса отдельных сварных элементов достигала 250 т. Максимальная длина сварного шва составила 5,5 м, а суммарная протяженность швов, выполненных электрошлаковой сваркой, равна 685 м, в том числе 250 м швов толщиной > 1 м. Конструкция пресса и технология его изготовления является образцом успешного поиска новых конструктивных решений на основе коренного изменения технологии изготовления крупногабаритных деталей.

Решение основных проблем комплексного развития народного хозяйства страны неразрывно связано с производством мощного металлургического, крупнопрессового и другого тяжелого оборудования большой единичной мощности. Это вызывает необходимость изготовления особо крупных заготовок массой >250 т из конструкционных сталей повышенной прочности. Проблема получения сверхкрупных высококачественных деталей остро стоит во всех промышленно развитых странах и наиболее актуальна для металлургического машиностроения (детали мощных гидропрессов, прокатных станов, листогибочных машин и др.).

Главная трудность при освоении производства сверхкрупных цельнокованых заготовок заключается не только в создании дорогостоящего уникального металлургического и технологического оборудования, сколько в снижении их качества. Это связано с тем, что в процессе кристаллизации в изложнице больших масс жидкого металла интенсивно развивается зональная и внецентренная ликвация элементов, усадочные трещины и пустоты, располагающиеся по оси слитка. Основная масса этих дефектов при ковке неустранима и не допускается в деталях ответственного назначения. В связи с этим дальнейшее увеличение слитка является нерациональным.

Таким образом, цельнокованые заготовки из металла одного слитка не могут быть применены для сверхкрупных изделий. В связи с этим требовалось изыскать принципиально новую технологию производства крупных поковок. ЙЭС им. Ё. О. Патона совместно с институтами и предприятиями тяжелого и энергетического машиностроения был предложен, разработан и внедрен принципиально новый оригинальный способ получения кованых заготовок путем укрупнения.

По этому способу две, три или даже четыре относительно небольших по массе (60—150 т) поковки укрупняются до моноблока электрошлаковой сваркой с последующей деформацией полученной заготовки. Сварной шов из простого соединительного элемента превращается в составную однородную часть заготовки. Укрупнение решает три принципиально важные задачи:

а) повышение качества моноблока путем использования более качественных мелких заготовок;

б) увеличение размеров и массы заготовок до любой необходимой величины;

в) без значительных дополнительных затрат на металлургическое оборудование могут быть изготовлены моноблоки массой до 300 т.

При электрошлаковой сварке поковок плавящимся мундштуком для предупреждения образования холодных трещин в соединении применяют предварительный и сопутствующий нагрев мощными индукционными нагревателями. Избавиться от этой дорогостоящей и сложной операции стало возможным благодаря разработке нового способа электрошлаковой сварки электродами большого сечения по бифилярной схеме. Этот метод электрошлаковой сварки запатентован во многих зарубежных государствах. Технология сварки по новому способу, несмотря на огромные размеры швов, доходящих по площади до 9 м2, проста и исключительно надежна. Получаемые швы не имеют дефектов.

Сварка осуществляется на электрошлаковой установке двумя неподвижными электродами с засыпкой в сварочной зазор измельченной присадки в виде дроби или сечки. Новая технология позволяет отказаться от применения сложных установок для подачи расходуемых электродов. Металл швов отличается полностью дезориентированной измельченной структурой. Сварное соединение имеет минимальную зону термического влияния, что позволяет качественно сваривать стали с высоким содержанием углерода.

Для расширения применения описанной технологии создается специальное, оборудование.

Исследованиями установлено, что ковка (протяжка) укрупненной заготовки с изменением

формы и размеров ее поперечного сечения с небольшим уковом 1,5—1,7 обеспечивает однородную структуру и высокие механические свойства соединений. Результаты этих исследований взяты за основу технологического процесса получения поковок валков мощных листогибочных машин, тяжелых прокатных станов и др.

При исследовании стали повышенной прочности (25ХНЗМФА) в аустенитной области обнаружен температурный интервал, в котором крупное звено аустенита заменяется мелким. В результате предложен оригинальный способ термической обработки укрупненных заготовок из легированных сталей повышенной прочности.

Опытно-промышленная проверка всех звеньев технологии укрупнения (получение слитков, ковки, электрошлакового переплава крупных слитков, сварки, термической обработки, обработки резанием, ультразвукового контроля, транспортировки и т. п.) убедительно показала, что зона соединения не успевает, а иногда превосходит по служебным свойствам уровень основного металла. Обеспечена и подтверждена высокая степень однородности по составу, структуре и свойствам укрупненных заготовок. Особенно высокой вязкостью отличается металл сварно-кованых изделий из стали электрошлакового переплава.

Способ укрупнения был внедрен на заводах тяжелого и энергетического машиностроения без ввода новых сталеплавильных, кузнечно-прессовых и термических мощностей, т. е. с использованием имеющегося основного оборудования. При этом масса укрупненных заготовок была доведена до 300 т. В связи с этим отпала надобность в создании специальной металлургической базы для получения слитков массой >500 т, необходимых в случае изготовления этих крупных деталй цельноковаными.

Новая технология была внедрена на заводах для изготовления следующего оборудования:

комплекта подштамповых плит из стали 25ХНЗМФА для пресса усилием 75 000 тс, их масса составила 145 т;

рабочих цилиндров пресса усилием 65 ООО тс, а также анало-гичных прессов меньшей мощности, из стали 20ХНЗМ методом укрупнения было изготовлено >10 цилиндров диаметром ~2,5 м и массой до 110 т;

сварно-кованых валков уникальной листогибочной машины из укрупненной заготовки массой 250 т.

Приняв новую технологию, отечественная промышленность выиграла около 10 лет времени по сравнению с созданием металлургической базы для получения слитков массой 500 т.

В начале 60-х годов заводы тяжелого машиностроения (Урал- машзавод, НКМЗ и др.) совместно с ИЭС им. Е. О. Патона разработали технологию и оборудование для сварки рабочих цилиндров гидравлических прессов, работающих под давлением 320—400 кгс/см2. С этого времени практически все цилиндры в тяжелом машиностроении изготовляют сварно-коваными. Экономическая целесообразность применения этого варианта подробно описана в гл. I, и этот вопрос не вызывает никаких сомнений.

Наибольший опыт производства сварно-кованых цилиндров для гидравлических прессов и других машин тяжелого машиностроения (цилиндры шагающих экскаваторов, прокатных станов, установок непрерывной разливки стали и др.) накопил Уралмашзавод.

При выполнении дорогостоящих деталей особо ответственной является операция электрошлаковой сварки. Ввиду того, что цилиндры работают под высоким давлением, сварное соединение их должно быть высокого качества. Такое требование может быть выполнено при условии обеспечения непрерывности сварочного процесса и соблюдения режима сварки. Применительно к этим требованиям ИЭС им. Е. О. Патона и Уралмашзаводом спроектирована и изготовлена уникальная установка для сварки кольцевых швов. Она отличается от существующих установок подобного назначения большей универсальностью и грузоподъемностью. Основной задачей при создании установки являлось обеспечение надежности сварочной части, вспомогательных механизмов и непрерывности их энергопитания.

По сравнению с ранее применяемыми эта установка имеет следующие усовершенствования:

а) использовано особое устройство роликоопор, благодаря которому сварка двух половин изделия возможна без предварительной сборки их на сборочные элементы;

б) применен дублирующий сварочный аппарат;

в) в целях повышения надежности работы механизмов вращения планшайбы и вертикального движения сварочных головок в установке предусмотрен резервный электрический привод;

г) осуществлено питание от двух электрических подстанций; при отключении одной из них автоматически подключается резервная;

д) каждая из сварочных головок дубль-аппарата также имеет автономное электропитание, это дает возможность проводить ремонтные работы в случае неисправности на одной из них, не прекращая сварки изделий;

е) конструкция сварочных трансформаторов позволяет раздельно регулировать напряжение на электродах.

Применение этой установки дает возможность значительно расширить технологические возможности завода. Использование ее для изготовления тяжелых крупногабаритных деталей повышает производительность труда в 2 раза. Установка предназначена для электрошлаковой сварки кольцевых швов цилиндрических, конических, эллиптических деталей и изделий, с прямолинейными швами.

Установка укомплектована площадками сварщика со сварочными аппаратами, роликовыми опорами, переносным вращателем, площадкой, стационарным вращателем, тележками и карданным валом. Стационарный вращатель и площадка сварщика работают совместно и условно образуют установку № 1, а переносной вращатель и площадка сварщика — установку № 2. Каждая установка работает независимо одна от другой. Роликовые опоры, карданный вал, площадка и тележки являются общими для установок№ 1 и 2.

Каждая роликовая опора состоит из плиты и люнета, установленных на электроприводной тележке. Стационарный вращатель состоит из станины и планшайбыс приводом.

Переносной вращатель устанавливают мостовым краном в любом месте рельсового пути в зависимости от длины изделия и крепят рельсовыми захватами.

Операторы - сварщики находятся на подвижных площадках. Обе площадки перемещаются по рельсовому пути установки. На площадке установлены две трехэлектродные сварочные головки, привод площадки и механизм корректировки мундштуков сварочных головок. На площадке смонтированы консольный кран грузоподъемностью 500 кг, выдвижная кран-балка грузоподъемностью 1000 кг, два сварочных трансформатора типа ТШС-3000-3, шкафы с электроаппаратурой, пульт управления сварочными го-ловками А-911 и привод станционарного вращателя. Две сварочные головки смонтированы на механизме перевода аппаратов.

На площадке установлен универсальный аппарат для электрошлаковой сварки типа А-535К и другие механизмы, соответствующие механизмам, расположенным на площадке.

Сборку и взаимную выверку свариваемых частей изделий проводят на роликовых опорах.

Работа установки. По существующей до создания этой установки технологии изделие перед сваркой собирают. Свариваемые половины устанавливают соосно и соединяют специальными технологическими скобами, при этом между половинами изделий выдерживается определенный зазор. Сборка производится вне установки.

ИЭС им. Е. О. Патона предложил операцию сборки выполнять непосредственно на роликоопорах. Опоры устанавливают на плиты, которые, в свою очередь, располагают на приводных тележках. Число плит и расстояние от поперечной оси роликоопоры до оси ролика зависят от диаметра свариваемого изделия. Примером может служить сборка цилиндра массой 35 т гидропресса, состоящего из обечайки днища наружным диаметром 1460 мм и стенкой толщиной 230мм. Обечайку и днище устанавливают на две роликовые опоры, которые располагают на приводных тележках. Перед сборкой роликовые опоры выверяют в соответствии с размерами детали.

В целях уменьшения «перелома» осевой линии свариваемых элементов, возникающего вследствие неравномерной усадки сварного шва, сварочный зазор принимают неравномерным по окружности шва. Это мероприятие осуществляют при сборке на роликовых опорах путем их соответствующей раздвижки. При этом, чтобы разгрузить роликоопору, конец днища или обечайки приподнимают гидравлическим домкратом, установленным между роликами и приводимым в действие ручным насосом. После этого изменяется расстояние между роликами с помощью электромеханического привода. Если требуемый зазор и совпадение кромок за один прием получить не удается, то операции повторяют.