2.3.3 Плавка стали в вакуумных индукционных печах

Отливки из сталей, легированных алюминием, титаном и другими элементами, склонными к активному взаимодействию с кислородом и азотом, выплавленные в открытых плавильных агрегатах, во многих случаях объективно не могут удовлетворить высокие требования по широким параметрам качества. К ним относятся высокопрочные конструкционные, жаропрочные, жаростойкие и прочие стали со специальными и особыми свойствами. Это обусловлено тем, что при открытой плавке предотвратить взаимодействие высоко реакционно-способных компонентов стали с окружающей газовой средой в течение всего процесса приготовления расплава, выпуска из печи, разливки и формирования отливки в литейной форме не представляется возможной. Следствием этого становится несоответствие отливок по наличию литейных дефектов, так и параметрам механических и других эксплуатационных свойств.

В таких случаях наиболее приемлемым является применение вакуумной индукционной плавки. Причем, применительно к условию литья созданы различные варианты установок, которые позволяют выплавлять жидкую сталь в условиях высокого разрежения (10-100 Па), а разливку расплава и формирование отливки осуществлять в атмосфере инертного газа.

В условиях вакуумной плавки обеспечивается не только предохранение металла от взаимодействия с водородом, кислородом и азотом, но также его глубокое рафинирование от растворенных газов. Это позволяет полностью исключить формирование в отливках отдельных видов дефектов (например, газовых раковин и газовой пористости) или существенно снизить дефектность отливок по многим другим видам (например, по плёнам).

В условиях высокого вакуума, кроме того, активно реализуется процесс углеродного раскисления расплава с образованием продукта в виде легко удаляющейся из расплава газовой фазы. При этом исключается или существенно сокращается расход других раскислителей (алюминия, титана, РЗМ). Соответственно жидкий металл и отливки из него получаются более чистыми по неметаллическим включениям. При этом повышаются механические и эксплуатационные свойства, в частности, коррозионная стойкость, длительную прочность и др.

При вакуумной плавке из расплава активно испаряются цветные металлы (медь, олово, свинец, висмут, сурьма и др.), что снижает склонность сталей к межкристаллитной коррозии и благоприятно сказывается на их жаропрочности.

Технологические особенности вакуумной плавки связаны, прежде всего, с выбором огнеупорного материала для тигля, устойчивого к воздействию высокотемпературного расплава в условиях высокого разрежения. Это обусловлено высокой вероятностью протекания в условиях вакуумной плавки реакций восстановления оксидов огнеупорных материалов углеродом расплава по реакции:

(MeO) + [C] = [Me] + {CO}.

Ввиду низкого остаточного давления в печи и соответственно малого парциального давления P_CO равновесие данной реакции сильно сдвигается вправо. При этом происходит не только снижение стойкости тигля, но также загрязнение выплавляемого сплава восстановленным металлом. Наиболее надежными при вакуумной плавке являются тигли из плавленых оксидов магния, алюминия и циркония.

В качестве шихтовых материалов используют возвратные отходы, лигатуры и чистые металлические материалы. Во многих случаях в качестве шихты используют предварительно приготовленные шихтовые заготовки.

Процесс плавки сводится к сплавлению шихтовых материалов или к расплавлению шихтовой заготовки и перегреву полученного расплава до требуемой температуры. Наличие в составе стали высоко реакционных легирующих элементов обусловливает их взаимодействие с материалом тигля и соответствующее насыщение расплава нежелательными элементами. Плавку ведут без наведения шлака. При этом некоторые компоненты стали (марганец, хром и др.) в условиях высокого вакуума интенсивно испаряются. Поэтому плавку осуществляют максимально быстро, не допуская высокого перегрева расплава.

Разливка расплава и формирование отливки в атмосфере инертного газа позволяет использовать его давление для лучшего заполнения литейной формы и питания отливки.

Вакуумная индукционная плавка наиболее удачно сочетается с методом литья по выплавляемым моделям, поскольку позволяет получать отливки высокого качества: точные по размерам и массе, без наружных и внутренних дефектов, чистые по неметаллическим включениям и примесям, с высоким уровнем механических и специальных свойств.