Современные методы и технологии специальной электрометаллургии и аддитивного производства : теория и технология спецэлектрометаллургии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 3095 

Кафедра металлургии стали, новых производственных
технологий и защиты металлов 

Л.М. Симонян 
А.Е. Семин 
А.И. Кочетов 

Современные методы
и технологии специальной 
электрометаллургии 
и аддитивного производства 

Теория и технология спецэлектрометаллургии 

Курс лекций 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2017 

УДК 504.6 
 
C37 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук А.Г. Глебов 

А в т о р ы :  Л.М. Симонян – введение, подразд. 1.2, 1.3 и 2.4; 
А.Е. Семин – подразд. 1.1, 2.1 и 2.3; А.И. Кочетов – подразд. 2.2 и 2.5 

Симонян Л.М. 
C37  
Современные методы и технологии специальной электрометаллургии и аддитивного производства : теория и технология 
спецэлектрометаллургии : курс лекций / Л.М. Симонян, А.Е. Семин, А.И. Кочетов. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2017. – 
182 с. 

ISBN 978-5-906846-96-9 

Приведена общая информация об этапах становления и развития специальной электрометаллургии (СЭМ) и сравнительная характеристика процессов СЭМ. Освещены теоретические и практические вопросы, связанные с 
производством высококачественных сталей методами спецэлектрометаллургии (ВИП, ВДП, ЭШП, ПП, ПДП и ЭЛП). Приведены принципиальные схемы печей и технологии ведения процессов выплавки и переплава, основные 
показатели работы печей, их сравнительная характеристика. Даны основные 
способы воздействия источников нагрева и используемых сред на процессы 
рафинирования и легирования металлов. Рассмотрены основные теоретические положения воздействия вакуума и плазмы на процессы рафинирования 
и легирования сталей, а также основные стадии переплава заготовки в кристаллизатор и возможные дефекты выплавляемых слитков. В конце разделов 
приведены контрольные вопросы. 
Предназначен для магистрантов направления 22.04.02 «Металлургия»: 
профиль «Специальная электрометаллургия и аддитивное производство» в 
рамках курса «Современные методы и технологии специальной электрометаллургии и аддитивного производства»; профиль «Инновационные технологии и технологический менеджмент» в рамках курса «Оборудование и технологии специальной электрометаллургии». 

УДК 504.6 

 
 
ISBN 978-5-906846-96-9 

 Л.М. Симонян, А.Е. Семин, 
А.И. Кочетов, 2017 
 НИТУ «МИСиС», 2017 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение .................................................................................................... 5 
1. Способы рафинирования металлов в специальной 
электрометаллургии ............................................................................... 19 
1.1. Использование вакуума для рафинирования стали ...................... 19 
1.1.1. Механизм удаления азота и водорода .................................... 19 
1.1.2. Термодинамика обезуглероживания 
и раскисления в вакууме .................................................................... 20 
1.1.3. Удаление неметаллических включений ................................. 23 
1.1.4. Испарение элементов из металлического расплава .............. 26 
1.2. Особенности воздействия плазмы на металл ................................ 27 
1.2.1. Характеристика низкотемпературной плазмы ...................... 27 
1.2.2. Процессы формирования электрической дуги ...................... 31 
1.2.3. Особенности растворения газов  в металлах 
при плазменном нагреве .................................................................... 43 
1.2.4. Физико-химические процессы  в пограничной зоне 
плазма–металл .................................................................................... 47 
1.2.5. Процессы в пограничной области  с участием азота ............ 50 
1.2.6. Оценка избыточной энергии частиц газовой фазы ............... 60 
1.3. Рафинирование металлов в переплавных процессах ................... 63 
1.3.1. Особенности вторичного переплава ....................................... 63 
1.3.2. Стадии переплава и поверхности реагирования ................... 64 
1.3.3. Приведенная поверхность реагирования на различных 
стадиях переплава .............................................................................. 72 
1.3.4. Температура металла на различных стадиях переплава ....... 76 
Контрольные вопросы ............................................................................ 79 
2. Выплавка и переплав металлов методами 
спецэлектрометаллургии ....................................................................... 81 
2.1. Вакуумная индукционная плавка ................................................... 81 
2.1.1. Общая характеристика ВИП ................................................... 81 
2.1.2. Классификация вакуумных индукционных печей ................ 85 
2.1.3. Конструкция установок полунепрерывного действия .......... 86 
2.1.4. Технология плавки ................................................................... 92 
2.2. Вакуумный дуговой переплав ........................................................ 97 
2.2.1. Общая характеристика ВДП.................................................... 97 
2.2.2. Конструктивно-технологические особенности 
печи ВДП ............................................................................................ 98 
2.2.3. Технология вакуумного дугового переплава ....................... 109 

2.2.4. Особенности протекания металлургических 
процессов при ВДП .......................................................................... 111 
2.2.5. Возможные пути повышения  технико-экономических 
показателей ВДП .............................................................................. 124 
2.3. Электрошлаковый переплав ......................................................... 124 
2.3.1. Общая характеристика ЭШП ................................................ 124 
2.3.2. Конструкция установок ЭШП ............................................... 127 
2.3.3. Технология переплава ............................................................ 130 
2.3.4. Физико-химические процессы между металлом 
и шлаком ........................................................................................... 132 
2.3.5. Типичные дефекты слитка .................................................... 136 
2.3.6. Основные направления дальнейшего развития 
процесса ЭШП .................................................................................. 136 
2.4. Плазменно-дуговой нагрев ........................................................... 137 
2.4.1. Общая характеристика  плазменно-дугового нагрева ........ 137 
2.4.2. Особенности работы металлургических плазматронов ...... 140 
2.4.3. Плазменная плавка стали в печи  с керамическим 
тиглем ................................................................................................ 151 
2.4.4. Плазменно-дуговой переплав  в кристаллизатор ................ 157 
2.4.5. Индукционно-плазменная печь ............................................. 164 
2.5. Электронно-лучевая плавка .......................................................... 166 
2.5.1. Общая характеристика ЭЛП.................................................. 166 
2.5.2. Формирование электронного пучка ..................................... 167 
2.5.3. Конструкция установок ЭЛП ................................................ 171 
2.5.4. Технология ЭЛП ..................................................................... 175 
Контрольные вопросы .......................................................................... 178 
Библиографический список ................................................................. 180 
 

ВВЕДЕНИЕ 

На протяжении всей истории металлургии стоит задача улучшения 
качества металла и прежде всего получения металла, не содержащего 
вредных примесей (серы, фосфора, газов, примесей цветных металлов, 
неметаллических включений и т.п.) и с необходимой структурой. 
Развитие таких отраслей техники, как авиакосмическая, атомная, 
энергетическая и ряда других, во многом определяется состоянием и 
техническим уровнем производства легированных сталей и сплавов, 
способных работать в самых разнообразных условиях. Современная 
техника нуждается в материалах, надежно работающих как при температуре, близкой к абсолютному нулю, так и температуре в несколько 
тысяч градусов, при знакопеременных и вибрационных нагрузках, под 
воздействием радиоактивных излучений, в агрессивных средах, в условиях глубокого вакуума и резких перепадов температуры. 
Решение этих задач потребовало, во-первых, конкретного улучшения качества производимых сталей и сплавов и, во-вторых, создания новых материалов. 
Традиционными методами выплавки и разливки в ряде случаев 
нельзя получить металл требуемого качества. Взаимодействие жидкой стали в процессе выплавки и разливки с огнеупорными материалами, шлаком и атмосферой неизбежно приводит к значительному 
загрязнению металла неметаллическими включениями и газами. Затвердевание металла в чугунных изложницах сопровождается дефектами кристаллизационного (усадочные раковины, пористость, трещины и т.д.) и ликвационного происхождения. 
Для повышения чистоты металлов и улучшения их физикохимических свойств металлурги используют различные виды воздействия на металл. Эти виды воздействия можно условно разделить на 
четыре группы: 
1) применение шлаков или газов в качестве рафинирующих реагентов для проведения реакций дефосфорации и десульфурации, экстрактивного удаления из металла растворенных газов и неметаллических включений; 
2) повышение температуры металлов, которое приводит к интенсификации процессов раскисления их растворенным углеродом, 
всплыванию неметаллических включений и т.д.; 
3) вакуумирование металла, значительно повышающее раскислительную способность углерода и снижающее содержание растворен

ных газов и легкоплавких примесей цветных металлов, а также неметаллических включений в результате их флотации при барботировании металла; 
4) принудительная кристаллизация в водоохлаждаемых кристаллизаторах, что дает возможность, регулируя скорость кристаллизации, получать желаемую макроструктуру, повышать плотность металла, оттеснять в металлическую ванну неметаллические включения 
с низкой адгезией, получать слитки без зональной ликвации, газовых 
пузырей и практически без усадочных раковин. 
В конце 50-х – начале 60-х годов ХХ в. c началом освоения на заводах качественной металлургии процессов электрошлакового переплава (ЭШП) и вакуумно-дугового переплава (ВДП), а затем и вакуумно-индукционного переплава (ВИП) связано рождение новой промышленной отрасли – специальной электрометаллургии (СЭМ). Эти 
и последующие годы ознаменовались значительными успехами в повышении качества металла, что главным образом связано с успешным развитием процессов ВИП, ВДП, ЭШП, электронно-лучевого 
переплава (ЭЛП), плазменно-дугового переплава (ПДП). Успехи 
специальной металлургии связаны с применением одного или нескольких рафинирующих воздействий для коренного улучшения качества металла. 
В табл. В1 показано, как при различных процессах рафинирующей обработки используются эти средства повышения качества металла. Наиболее прогрессивными являются процессы переплава, так 
как они позволяют одновременно использовать почти все средства. 

Таблица В1 

Эффективность различных способов обработки металла 

Способ  
производства 
Рафинирование 
шлаком и газом
Перегрев 
металла 
Вакуумирование
Принудительная 
кристаллизация 

Вакуумирование 
в ковше при разливке 

– 
– 
+ 
– 

Обработка синтетическим шлаком в ковше 

+ 
– 
– 
– 

Продувка металла в ковше газом 
+ 
– 
– 
– 

Вакуумноиндукционная 
плавка 

– 
– 
+ 
– 

Окончание табл. В1 

Способ  
производства 
Рафинирование 
шлаком и газом
Перегрев 
металла 
Вакуумирование
Принудительная 
кристаллизация 

Вакуумнодуговой  
переплав 

– 
+ 
+ 
+ 

Электрошлаковый переплав 
+ 
+ 
– 
+ 

Электроннолучевой переплав 
– 
+ 
+ 
+ 

Плазменнодуговой переплав 
в регулируемой 
атмосфере  

+ 
+ 
– 
+ 

Плазменный 
переплав  
в вакууме 

– 
+ 
+ 
+ 

Переплавные процессы объединены в особую группу специальной 
электрометаллургии – вторичные рафинирующие процессы. Общими 
для них являются переплав расходуемых заготовок (электродов), капельный перенос переплавляемого металла, последовательная кристаллизация его в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Во всех этих 
процессах используется электрический источник тепла, под действием которого металл плавится. В то же время вторичные рафинирующие процессы различаются характером преобразования электрической энергии в тепловую, наличием или отсутствием вакуума и шлака в плавильном пространстве и рядом других особенностей. 
Источником нагрева при ВДП является энергия дугового разряда, 
при ЭЛП – энергия электронного луча, при ЭШП – тепло, выделяемое при прохождении тока через шлак, при ПДП – низкотемпературная 
плазма, 
температура 
которой 
колеблется 
в 
пределах 
5 000…30 000 К. 
ЭШП, ВДП, ЭЛП и ПДП являются высокоэффективными рафинирующими процессами, так как они повышают общую чистоту металла, 
снижают содержание в нем вредных примесей, а получаемый слиток 
имеет минимальное развитие физической и химической неоднородности. Указанные процессы позволяют устранить ликвационные и усадочные дефекты, повысить служебные характеристики металла.  
Электрошлаковый переплав – отечественный способ улучшения 
качества сталей и сплавов, разработанный в 1952 – 1952 гг. в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН УССР. Он широко применяется для производства шарикоподшипниковых, быстрорежущих, не

ржавеющих, теплоустойчивых, жароупорных сталей и жаропрочных 
сплавов. В последние годы способ ЭШП начали интенсивно развивать за рубежом, однако до настоящего времени приоритет в развитых капиталистических странах принадлежит вакуумно-дуговому 
переплаву (ВДП). В значительно меньшей степени за рубежом и в 
России используется электронно-лучевой переплав (ЭЛП). 
Плазменно-дуговой переплав, так же как и электрошлаковый переплав, – отечественный способ вторичного рафинирования стали. 
Первый слиток методом ПДП получен в 1963 г. в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН УССР. В создании и разработке метода 
плазменно-дугового переплава активное участие приняли Институт 
металлургии им. А.А. Байкова АН СССР, Московский институт стали и сплавов, а также ряд других организаций, в том числе и металлургических предприятий. Отечественные разработки в области 
плазменно-дугового переплава занимают главенствующие позиции, 
что подтверждается патентованием способа и оборудования ПДП в 
развитых странах. Зарубежные фирмы проявляют интерес к указанному виду переплава и работают над технологическими схемами переплава и созданием мощных плазмотронов. 
К началу 1990-х годов на отечественных предприятиях насчитывалось около 120 печей ЭШП, 70 печей ВДП, 3 печи ЭЛП и 3 печи 
ПДП. На печах ЭШП производили около 400…450 тыс. т стали, ВДП – 
100…110 тыс. т. В настоящее время во всем мире только методом 
ЭШП производят около 800…900 тыс. т стали с ежегодным приростом 10%. Выплавка металла методами спецэлектрометаллургии составляет 15% от объема выплавки электростали и продолжает наращиваться. 
Сортамент сталей и сплавов, выплавляемых методами спецэлектрометаллургии, включает более 300 различных по своему химическому составу и назначению сталей и сплавов. Это высоколегированные жаропрочные сплавы на никелевой и хроможелезоникелевой 
основе, нержавеющие стали, высокопрочные мартенситностареющие 
стали, стали и сплавы специального назначения, дисперсионнотвердеющие жаропрочные суперсплавы нового поколения. 
Широко внедряется в производство сочетание различных методов 
выплавки металла методами спецэлектрометаллургии – метод ИД 
(ВИП+ВДП), метод ИЛ (ВИП+ЭЛП), ЭШП+ВДП и др. Это значительно расширяет номенклатуру сталей, подвергающихся переработке, и технологические возможности последующих переделов. Например, стало возможным прессование супержаропрочного сплава 

марки ЭП975, который применялся в авиационной промышленности 
только в литом состоянии. 
В обобщенном виде сортамент легированных сталей и сплавов по 
методам выплавки распределяется следующим образом: 

Конструкционные: 
цементуемые и улучшаемые ................................... ЭШП, ВДП 
высокопрочные ........................................................ ВДП, ВИП+ВДП 
углеродистые ........................................................... ЭШП, ПДП 
Коррозионно-стойкие .................................................... ВДП, ВИП, ЭШП, ЭЛП, ПДП  
Сварочные ...................................................................... ВИП 
Высокопрочные мартенситностареющие .................... ВИП, ВИП+ВДП, ВИП+ЭЛП 
Жаропрочные и жаростойкие сплавы .......................... ВИП, ВИП+ВДП, ВИП+ЭЛП 
Приборные стали и сплавы, прецизионные сплавы .... ВИП, ВИП+ВДП, ВИП+ЭЛП, ПДП 

Распределение марочного состава по объему выплавки методами 
спецэлектрометаллургии на примере ОАО «Мечел» приведено ниже. 
Метод ВИП: 
55% – 
нержавеющие 
и 
коррозионно-стойкие 
стали 
типа 
03Х18Н12, 08Х18Н10Т, ЭИ844, ЭП543У; 
29% – жаропрочные сплавы типа ЭП718, ЭП696; 
15% – мягкое железо, специальные и прецизионные стали и сплавы типа ЭП-678, ЭП637А, 29НК. 
Более 70% объема металла, получаемого методом ВИП, идет на 
электроды для ВДП. 
Метод ВДП: 
75% – конструкционные стали типа 30ХГСН2А, 55СМ5ФА, 
СП28(33) и др; 
20% – нержавеющие и специальные коррозионно-стойкие стали 
типа 12Х18Н10Т, ЭИ810, ЭП494 и др.; 
3% – жаропрочные сплавы типа ЭП718, ЭИ698, ЭП742; 
2% – другие марки. 
Основные технологические особенности и возможности методов 
спецэлектрометаллургии приведены в табл. В2 и В3. 
Каждый из рассмотренных методов имеет свою сферу применения в зависимости от сортамента и требований, предъявляемых к 
стали. Некоторые марки стали ответственного назначения могут выплавляться только способами спецэлектрометаллургии. 
Ниже рассматриваются способы выплавки и переплава стали в агрегатах СЭМ, особенности рафинировочных процессов. 

 

 

Таблица В2 

Основные технологические особенности и возможности методов спецэлектрометаллургии 

Технологический 
фактор 
ВИП 
ВДП 
ЭЛП 
ЭШП 
ПДП 

Футеровка 
Огнеупоры 
Медный  
водоохлаждаемый 
тигель 

Медный  
водоохлаждаемый 
тигель 

Медный  
водоохлаждаемый 
тигель 

Медный водоохлаждаемый тигель 

Давление газов в 
плавильном пространстве печи в 
процессе рафинирования, Па 

0,65…6,65 
0,65…6,65 
0,6510–2…1,310–2 
1,01105 
0,65…4105

Максимальная температура металла 
(на поверхности), 
С 

1650 (лимитируется 
стойкостью футеровки) 

1700 (ограничивается из-за прямой 
взаимосвязи со 
скоростью направления слитка) 

До 1850 (ограничивается испарением основных 
компонентов расплава) 

До 1700 (ограничивается из-за 
взаимосвязи со 
скоростью направления слитка) 

До 2500 (ограничивается испарением основных 
компонентов 
расплава) 

Ограничение выдержки металла в 
жидком состоянии 

Возможна длительная выдержка, ограничиваемая стойкостью футеровки и 
экономическими 
факторами 

Ограниченная из-за 
нестабильности 
горения дуги при 
малых скоростях 
наплавления и дефектами слитка 
при высоких скоростях 

Ограничивается 
испарением основных компонентов расплава 

Ограничивается 
возможностью 
возникновения 
дефектов структуры и поверхности слитка 

Ограничивается 
испарением основных компонентов расплава 

 

 

Загрязнение расплава материалом 
футеровки 

Имеет место (преимущественно в печах малой вместимости) 

Отсутствует 
Отсутствует 
Отсутствует 
Отсутствует 

Виды используемых для плавки 
материалов 

Возможно использование любой шихты, в 
том числе и жидкой 
завалки металла, загружаемой в любой 
последовательности в 
необходимый момент 
времени 

Использование 
литых или деформированных электродов определенного химического 
состава 

Использование 
литых или деформированных электродов конечного 
химического состава 

Использование 
литых или деформированных электродов конечного 
химического состава 

Использование 
литых или деформированных электродов 
конечного химического состава 

Корректировка 
состава металла 
В широком диапазоне 
концентраций любого 
элемента 

Ограничивается 
присадкой модифицирующих добавок и раскислителей 

Практически 
осуществима 
только с применением промежуточной емкости 

Ограничивается 
присадкой добавок в шлаковую 
ванну 

То же, что и 
при ВДП + 
дозатор 

Стадия рафинирования металла 
При расплавлении, 
нагреве, выдержке 
металла в жидком 
состоянии  
в вакууме 

При нагреве, расплавлении расходуемого электрода, 
в ванне жидкого 
металла 

При нагреве, расплавлении переплавляемой штанги, в ванне  
металла 

При нагреве на 
торце электрода, в 
жидкой капле, на 
поверхности ванны 
жидкого металла 

То же, что и 
при ВДП + 
шлак 

Рафинирующие 
возможности: 
использование раскислительной способности углерода 

Возможно при длительной выдержке в 
вакууме и соблюдении определенной 
последовательности 
введения элементов, 
понижающих активность углерода 

Не используется 
(переплавляется 
раскисленный металл) 

Используется в 
ограниченных 
случаях 

Не используется 
При использовании вакуума 

 

Продолжение табл. В2 
Технологический 
фактор 
ВИП 
ВДП
ЭЛП
ЭШП 
ПДП

Обезуглероживание 
расплава 
Возможно за счет 
взаимодействия с футеровкой тигля и проведения дополнительной обработки твердыми и газообразными 
окислителями 

Не имеется
Используется в 
ограниченных 
случаях 

Не имеется 
Используется

Снижение содержания кислорода 
Возможно при введении дополнительных металлических 
раскислителей до 
0,001…0,003% [О] 

Возможно при переплаве хорошо раскисленного металла 
до 0,001…0,003% 
[О] 

Возможно при 
переплаве хорошо 
раскисленного 
металла до 
0,001% [О]

Возможно до 
0,002…0,003% [O
] 

Возможно

Снижение содержания оксидных 
включений 

Возможно при рациональном режиме 
раскисления и обработке расплава 
инертными газами и 
шлаками 

Достигается высокая 
степень снижения 
неметаллических 
включений при равномерном их рапределений по сечению 
слитка

То же что и ВДП, 
но степень снижения неметаллических включений 
может быть выше 

То же, что и при 
ВДП 
То же, что и при 
ВДП 

Возможность раскисления металла 
газообразными 
раскислителями 

Возможно путем 
использования водорода, углеводородсодержащих 
газов и их смесей 

Отсутствует
Отсутствует
Отсутствует 
Возможно

Снижение содержания водорода 
Возможна глубокая 
дегазация и высокая 
степень удаления 
водорода 

То же, что и при
ВИП 
То же, что и при 
ВИП 
Возможно повышение содержания водорода при 
повышенном рН2О 
в атмосфере 

Возможно 
в вакууме