6.3.4. Ф1зико-х1м1чт процеси пщ час плазмово-дугового переплавлення

Мёж металом ё газом завдяки мёжфазнёй поверхш под'шу вщбуваеться передавання значних кёлькостей енергё! вёд газу до металу. На межё иодёлу знаходяться порёвняно холодний рёдкий метал ё надто гарячий газ. Через цю межу подёлу здёйснюеться масообмён мёж иереилавлюва- ним металом та атмосферою печё. 1з металевого розплаву в газову фазу переходять шкёдливё домёшки металу, а ёз газово! фази в рщкий ме-

Рис. 6.29. Вм1ст азоту в редкому зал1з> залежно В1Д його парщального тиску в газовш фа:м:

1 — шдукцшне нагр1вання металу в завислому сташ; 2 — нагревания вщкритою слектричпош дугою; 3 — юльюсть азоту, поглинутого 13 плазмн

тал — елементи, яю облагороджуюп. метал. На меж1 под1лу вщбуваеться багато реакцш рафшування металу. 11а процеси тепло-1 масообмшу м1ж мета лом та плазмою значно впливае зов шшне електричне поле.

Складов! плазмоутворювалыюго газу взаемодшть з металом: водеиь використовують для розкиснення оксщцв, азот — як легуючий елемент.

За плазмово-дугового переплавлеиия е можлив^сть регулювати про­цеси випаровуваиня металу внасладок змши тиску газ1в у печ1, розо- середження джерела теплоти й швидкост1 плазмових потоюв бгля дзер- кала металево! ванни.

У гетерогениих реакциях, якими е вс1 реакцп взаемодп газ1В з рщкими металами, адсорбцшш процеси вщграють найважлившу роль. Адсорбщя за високих температур характеризуеться Х1м!чиими силами зв'язку м1ж атомами газу 1 иоверхневими атомами металу, тому 1 називаеться хемосорб- щею. Як 1 х!м1чна реакщя, хемосорбщя вщбуваеться тод1, коли молекули газу переборюють вщповщиий активац!йиий бар'ер. Хемосорбщя двох- атомних газ1В на рщких металах супроводжуеться !хньою дисощащею

Г₂ =2Г; Г = [Г].

Водень, азот I кисень — поверх нево-активш елементи в рщкому зал131 та шкелг Питания плазмово-дугового переплавлення, кристал!зац!1 зливюв, поглииаштя газ1в рщким металом 13 плазми електричпо! дуги грунтовно розгляиуто в працях члена-кореспондента НАН Укра!ни В. И. Лакомського.

Експериментально доведено вплив плазми на розчишпеть азоту в рщкому зал131 (рис. 6.29).

о.з

= 8„

+ Ь

(6.25)

у

де^ — юльюсть адсорбоваиого газу, моль/см ; §_т — гранична адсорб- цшна здатшсть металу, моль/см²; — парщальний тиск газу, Па; Ь — коефвдеит, залежний вщ природи газу та температури.

Хемосорбщя газ1в на металах зазвичай е екзотерм1чиим процесом, за якого вид!ляеться теплота.

Адсорбция двохатомних газ1В на одиорщнш поверхш рщкого металу здеб1льшого пщкоряеться адсорбцшшй 13отерМ1 Ленгмюра:

Виделееееея домешок газу з металу гид час його переплавки — одне з основних завдапь спецеальеео! електрометалургп. Протилежпою цьому процесу е легування азотом рщкого металу. Це можливо проводити лише в плазмово-дугових печах. Якщо певна концентращя азоту не перевищуе ревееш стандартно!' розчшеносте, то легування редко! стале проводять у плазмово-дугових печах з керамечегим тиглем. Для отри­мання стале з уместом азоту не лише на рев1ее стандартно! розчшеегосте, а й вище — метал легують у плазмово-дугових печах з водоохолоджу- ваним кристалезатором.

Для практики великий ентерес мае система Ре —Сг —№, як основа целого класу сталей. Розчишпсть азоту в залезохромонекелевих сталях переважно визначаеться концентрац!ею хрому. Полетерма розчинност! азоту в рщкому ееекелё в температурному ентервале 1550—1750 °С

1%К = -Щ^- -0,973. (6.26)

Система редкий ееекель — азот педпорядковуеться закону Севертса.

Плазмово-дугове переплавлення дае змогу легувати стале азотом до концентраций, яке значно перевищують стандарту. Цього досягають унаслёдок велико! швидкосте абсорбцеё азоту редким металом, але злив­ки не повшстю позбавлееее пщкерково! пористост! та усадково! пух- кост1. Вм1ст 0,15 % азоту в хромошкелевих сталях 13 вм1стом 18 —8 % Сг 1 10 —8 % № екв1валентно 2 — 4 % шкелю, а 0,25 % азоту — 2,5 — 6 % шкелю. Азот у таких сталях розширюе у -область та змещуе межу стшкосп аустешту в бш зниження вм1сту шкелю. В хромошкелевих сталях концентращя азоту може досягати 0,5 — 0,9 %.

6.3.5. Електричш характеристики ПДП

У ПДП з керамёчним тиглем робоча довжина дуги становить 0,8 — 1,5 м. В робочому режим! печё не потрёбне безперервне перемещения плазмотроееев, оскельки е целком певна довжиееа дуги, яка залежить лише вед струму, за якоё вщбуваеться найефективнёше передаваеееея теплоти вед плазмового стовпа до ваееееи. Перемёщення плазмотронев потребеее для запалювання дуги пед час запуску пече чи для обривання дуги в процесе плавки. Зазвичай струм стартовое' дуги не перевищуе 100 А. Робоча дуга ПДП — це по форме коееус, який плавно переходить у цилеещр до анода.

Питома витрата 1У_п електроенергёё, кВт • год/кг:

И^Ги=И^Ге/^т0- ⁽⁶'²⁷⁾

де IV — електроенергёя, яка забираеться ез мереже, кВт • год; — маса металу, що нагреваеться, кг.

Для ПДП нержавеючих е низьковуглецевих сталей за безперервно! роботи IV_п стаееовить 0,8—1,1 кВт • год/кг.

1з загально!" величини теп­лових витрат з охолоджува- ною водою витрачаеться 35 — 40 %. Загалышй коефщёент корисио! дп ПДП становить 0,4-0,5.

Рис. 6.30. Схема плазмово-шдукцшиого способу вирощування профьчьо- ваних монокристалгв тугоплавких металгв:

1 — плазмотрон; 2 — пруток для переплаву; 3 — мехашзм подавання прутка;

4 — шдуктор; 5 — зародковий кристал; б 8 — кристал

крапля металу; 7 — ванна металу;

Рис. 6.31. Схема плазмово-шдук- Ц1Й1Ю1 печг

1 — плазмотрон; 2 — герметизована камера для завантаження мате- _Р1ал1В у тигель тд час плавки; 3 — пщуктор; 4 — тигель; 5 — подобий електрод; 6 — зливний носик; 7 — покриття

Полшшити тегшову робо­ту ПДП можна у раз! розмё- щення плазмотрон!!! у бёчних стшах, наприклад три плаз- мотрони встановлюють шд кутом 120° в горизонтальней площиш з нахилом усереди- ну робочого простору на 45°. За такого розмпцешгя плаз- мотрошв значно знижуються теилов1 витрати з охолоджуваною водою та пщвищуеться тепловий коефщёент корисноТ дп ПДП, але спостерёгають- ся висок! теплов! навантаження на футерёвку печё шд плазмотронами.

6.3.6. Плазмово-шдукцшш тигельш печ1

Великим досягненням у розвитку плазмово! металургп е розробка в 1ЕЗ 1 м. 6. О. Патоиа НАН Украши перспективно! плазмово-щдукцшно! технологи вирогцування яюсних великих профшьованих монокристал1в, зокрема вольфраму 1 молгбдену способом безтигельно! плазмово-1ндук- щйно! зонно! плавки (рис. 6.30). При цьому використовують два джере- ла нагр1вання: плазмово-дугове для створення металево! ванни та шдук- ц1йне для утримання ванни в1д виливання й керування теплонапруженим станом 1 структурою монокристал1в. У цих печах (рис. 6.31 I 6.32) вщбуваеться комбшований процес плавки, в якому використовуютьел переваги шдукцшно! й плазмово! плавок.

Плазмовий нагр1вник е джерелом теплоти, що пщвищуе иродуктип теть печей, знижуе витрату електроенергп, зменшуе в'язшеть шлаку та пщвищуе його активность. Реакцшш поверхш пщ час плазмово-шдукцт но! плавки так! сам1, як 1 за плазмово-дугово! в печ1 з керам1чним тиг лем. 1ндукцшне джерело нагр1вання сприяе щтенсивтшому перемниу ванню металу, внаслщок чого газообмшш реакцп пщ час плазмово-ш дукцшно! плавки вщбуваються штенсившше, шж за плазмово-дугово!.

Поедиання плазмового й шдукцшного нагр1вання дае змогу утримува ти ванну рщкого металу в електромагштному пол! без контактування Ь охолоджуваною мщдю. Ушкальнгсть цього методу полягае в тому, що для нього майже не )снуе будь-яких обмежень, як за розм1рами, так 1 за проф| лем поперечного перетину (коло, квадрат, пластина, труба, швелер тощо).

6.4. ПЛАВКА В ЕЛЕКТРОННО-ПРОМЕНЕВИХ ПЕЧАХ

Електронно-променева плавка (ЕПП) е складовою так званих елек тронно-променевих технолопй, пщ час яких як джерело енергп вико­ристовують електронний промшь. До них належить також зварювання, нанесения покригпв, рдзання 1 розм1рне оброблення метал1в, терм1чне оброблення та ш. Особливютю електронно-променево! плавки пор1вняно з шшими методами спещально! електрометалургп е вища ефектившеть рафшування метал1в 1 силав1в вщ иеметалевих включень та газ1в, що пояснюеться проведениям технолопчного процесу у глибокому ваку­ум! шд час об!гр1вання поверхш металу, що розплавляеться, 1 рщкоме- талево! ванни електронним променем, який легко регулюеться 1 дае змогу створювати р1зш зони нагр1вання.

Можлив1Сть плавити метал електронним променем вщома з кшця XIX ст., але в промисловому масштаб! таку плавку застосували лише усередиш XX ст.

Установки для електронно-променево! плавки нагадують установки для вакуумно-дугово! плавки. Стльним для них е наявшеть вакуумно! камери з потужною системою вщкачування 1 формування зливка у водо- охолоджувальному кристал1затор1, тобто в умовах, коли вщеутне контак­тування редкого металу з вогнетривкою футер!вкою. Проте методи пове­дения енергп для нагревания 1 плавления металу в електронно-проме- невих 1 вакуумно-дугових установках мають штотш вщмшносп. Джере­лом теплоти для вакуумно-дугово! плавки е дуговий розряд М1Ж витрат- ним електродом (катодом) 1 рщкою ванною у водоохолоджувальнш виливнищ (кристалдзаторО. При цьому вщносно велика швидк!сть плавления електрода, зумовлена потребою пщтримування стаб1льного горшня дуги, обмежуе тривалшть перебування металу в розплавленому сташ та можлившть регулювання перегр1вання рщкого металу.

Спосёб вакуумноё плавки з електронно-променевим джерелом нагрё- вання позбавлений цих недолёкёв. За ЕПП кёнетична енергёя спрямовано­го потоку електронёв з енерпею 20 — 40 кеВ, сформованого спецёальним пристроем (електронною гарматою), перетворюеться на теплову у разё зёткнення з иоверхнею металу. Основними перевагами електронного променя як джерела нагрёвання е можливёсть плавно! змёни температури нагрётоё поверхш в широкому дёапазонё та гнучке регулювания проце­су, що дае змогу створювати рёзнё конфёгурацёё зони нагрёвання та ста- бёлёзувати, автоматизувати й програмувати процес плавки.

В ЕПП формування зливка вщбуваеться в короткому охолоджу- валыгому кристалёзаторё внаслщок безперервного розливання металу. Поверхня рщкого металу постёйно знаходиться бёля верхнього зрёзу кристалёзатора, що створюе сприятливё умови для рафёнування. Змёною ёнтенсивностё електронного потоку можна плавно регулювати швидюсть плавлення. Тривалёсть витримування рщкого металу в вакуумё та стушнь його перегрёвання майже не обмеженё. За допомогою електронно-иро- меневоё плавки можна переплавляти як сипку, так 1 компактну шихту, а також отримувати зливки круглого, квадратного I прямокутного иерерёзёв заввишки кёлька метрёв. Порёвняно з плавкою в ДСП, метал, виплавле- ний за технолопею ЕПП, мае на 80 % менше неметалевих включень, у 2,5 раза менше кисню 1 в 7 разёв азоту. Крём того, порёвняно з вакуум- но-ёндукцёйною плавкою та вакуумно-дуговим переплавом ЕПП дае змогу отримувати метали ё сплави з нижчим умёстом усёх шкщливих домёшок ё неметалевих включень, а також майже повнёстю вилучати кольоровё метали (свинець, олово, цинк, бёсмут, мёдь та ён.).

Спосёб ЕПП принципово вёдмённий вёд ёнших способёв СЕМ тим, що потужнёсть пёдводиться не через витратний електрод, а вёд окремого, кёльцевого катода. Пёд дёею електронного пучка, який скерований у зону плавлення, можна досягнути температури до 7000 °С. Це дае змо­гу Виплавляти сплави на основё надтугоплавких металёв, таких як воль­фрам, молёбден, тантал, нёобёй, а також особливо чистих металёв — цир­кошю, гафнёю, ванадёю, титану, нёкелю, мёдё та сплавёв на ё'х основё.

Для розроблення електронно-променевих технологёй ё створення пла- вильних агрегатёв та ё'х реалёзацёё иайёнтенсивнёше ироводилися роботи в Росёё, Украёнё, а також у США, Нёмеччинё, Японёё. В 1нститутё електро- зварювання ём. С. О. Патона НАН Украёни за керёвництва академёкёв Б. С. Патона ё Б. О. Мовчана створено ё впроваджено унёкальнё конст- рукцёё електронно-променевих установок та новётнё технологёё.

В електронно-плавильних установках (рис. 6.33) закладено прин­цип перетворення електронноё енергёё в теплову внаслёдок прискорення електронёв до великих швидкостей (60 — 100 тис. км/с) та ёх гальмуван- ня у разё зёткнення з иоверхнею об'екта, що нагрёваеться.

У сиецёальному пристроё — електроннёй гарматё 1 вёдбуваеться випро- мёнювання ё фокусування електронёв у щёльний пучок, який називають електронним променем 2. Змёиюючи потужнёсть променя, можна регулю-

Рис. 6.33. Схеми електронно-променевих установок:

а — плавка одшею аксиальною гарматою, розмвденою вертикально, з б'тним подавашгям заготовки на переплав; б — плавка двома акаальними гарматами з вщхиленням промети 1 вертикальним подаванням заготовки на переплав; в — плавка плоско-променевими гарматами з вертикальним подаванням заготовки на переплав; г — плавка К1ЛЬК0ма гарматами з лшшними катодами 1 вщхиленням промешв на 180° 1 вертикальним подаванням заготовки на переплав; / — гармати; 2 — електронт промеш; 3 — заготовка для переплавляння; 4 — водоохолоджуваний кристал^затор; 5 — зливок

вати тепловий режим у процесё плавки. Теплота, що видёляеться, поширго- еться у металё зпдно ёз законами теплопередачё, витрачаеться на пере­плавку заготовки 3 1 нагревания ванни редкого металу, що пёдтримуеть- ся на верхньому рёвнё кристалёзатора 4, в якому твердне зливок 5. Плавлення проводять за тиску залишкових газёв не бёльше нёж 1 Па. Це забезпечуе надёйний захист рёдкого металу вёд взаемодёё зё шкёдли- вими домёшками, утворюе сприятливё умови для ёнтенсивного перебёгу процесёв дегазацп, розкиснення та випаровування домёшок.

6 рёзнё способи ё технологёчнё схеми ЕПП: плавлення, рафёнування та кристалёзацёя здёйснюються окремо ё за наявностё промёжних мёстко- стей; отримання монол1тних ! багатовим1рних зливюв завдяки гори­зонтальному виливанню; гаршсажна плавка з подальшим зливанням рщкого металу у фасонну форму або виливницю; розпилення у вакуум1 рщких метал!в I кристал^защя 1х з великою швидюстю у вигляд1 гра­нул тощо; оплавления поверхш зливюв електронним променем.

При цьому рафшування металу вщбуваеться у три стадп — на торги заготовки, шд час формування краплини 1 в кристал1затор1 з поверхш рщкометалевоТ ванни. На першш стадп интенсивно вилучаються гази \ домпнки метал!в, яю мають велику пружшсть пари, та деяю субоксидш продукта х1М1чних реакцш. На третш стадп перел1чеш процеси набу- вають подальшого розвитку 1, кр!м того, здшснюються процеси рафшу­вання, яю потребують пщвищено1 температури, наприклад розчинення або руйнування внаслщок х1м1чно! взаемодп неметалевих включень з подальшим випаровуванням елеменпв. Як шихтов1 матер1али використо­вують лит1 зливки, прокат, брикети, гранули, губку, вщходи машинобуд1В- них виробництв, спрацьований шструмент, штампи тощо.

Незважаючи на велику р^зновидшсть конструкцш, електронно-проме- нев1 установки мають багато загальних вуз л) в 1 систем: електронш гарма- ти; вакуумну камеру; кристалл затор; мехашзми для перем1щення заготов­ки, яка переплавляеться, 1 формування зливка, шлюзових та оглядових пристосувань; вакуумну систему; джерело електроживлення; системи керування, блокування та аваршно"! сигнал1заци; системи стабШзацп й автоматичного керування процесом плавки.

6.4.1. Технолопчш схеми електронно-променевих плавок (ЕПП)

Металургшна електронно-променева технология отримання зливюв характеризуеться тим, що вони формуються завдяки безперервному надходженню рщкого металу 13 витратно! заготовки у мщний водоохо­лоджуваний кристал1затор. При цьому можлшп р1зш технолопчш схе­ми (див. рис. 6.33).

Схему плавки одшею акс1альною гарматою з б1чним подаваиням заготовки на переплав зображено на рис. 6.33, а. Гармата розмщена вертикально над кристал1затором 1 розгортка променя проводиться так, щоб забезпечити плавления заготовки та об1гр1вання поверхш ванни у кристал1затор1. Процес пщ час плавки одшею гарматою вщбуваеться у нестацюнарному режиму осюльки нагр1вання здшснюеться за достатньо сфокусованого променя 1 кожна точка поверхш зазнае впливу перюдич- них теплових 1мпульс1в, частота й термин яких залежать як вщ частоти [ траекторп розгортки, так 1 вщ д1аметра електронного променя на по­верхш, що об1гр1ваеться. Недолшом процесу вважають наявшсть «енер- гетично'1 тш1» на поверхш ванни, внаслщок екранування частини ще!' поверхш заготовкою, що може бути причиною попршення умов рафЬ нування металу, зниження якосп кристал1чно! будови та поверхш зливка.

Рис. 6.34. Схема електронно-променево! гармати :п< С1ального типу:

/ - 1Эолятор; 2 — вакуумна система; 3 —

катод; 4 — основний катод; 5 — анод; б — водянг охолодження; 7 — фокусувальнасистема; 8 — електронним пучок; 9 — система вщхилення пучка

Однак слщ зазначити простоту реальзаци розглянуто! схеми, що зумовило п достатпьо широке використання.

Плавка двома або юлькома аюлальиими тар матами (рис. 6.33, б) здшснюеться з вертикаль ним подаванням заготовки на переплавку I проведениям обпргвання з електромагштним вщхиленням промешв. У цьому раз1 об1гр1вап ня наближаеться до стащонарного, осюльки кожна точка поверхн1 заготовки об1гр1ваеться променем майже безперервно. Перевагою таю и системи е вертикальне подавання заготовки, що забезпечуе розвинення п поверхн1 плавления 1 сприятлив1Ш1 умови для рафшування. Схему плавки за допомогою плоскопроменевих гар мат з електромагштним керуваиням променя ми та вертикальним подаванням заготовки па переплавку зображено на рис. 6.33, в. Сконст руйовано схеми (рис. 6.33, г) з використаниям юлькох гармат з вщхиленням електронних про мешв на 180 °С. Уже е В1ДОМ1 процеси з розго[у танням промешв на 270 °С. Однак розгортання електронних промен1в на великий кут зумовлюе, у раз1 використання гармат велико!" потужност!, додатков: труднопц керування процесом нагревания.

У вс1х розглянутих технолог1чних схемах ЕПП реал1зуеться «крап- линний переплав», за якого на торщ заготовки, що переплавляеться, утворюються краплини розплавленого металу, шеля чого вони течуть по торцю 1 пот1м падають у ванну в кристал1затор1.

Для генерацй' електронних пучюв велико! потужност1 використовують гармати р1зно! конструкцИ'. Для плавки метал1в застосовують так зваи1 аксталып гармати з термокатодом або з холодним катодом та гармати, що формують плоскосиметричш пучки, — так зваш плоскопроменев: гармати. На практищ для плавки метал1в найчаст1ше використовують гармати акс1ального типу (рис. 6.34), що пояснюеться потребою шдви­щення нагр!вання.

Слщ зазначити, що проведения процесу ЕПП за цими схемами мае обмеження на ступшь рафшування, осюльки тривалють перебування рщко го металу на стадп утворення крапл1 обмежений, а у ванш рщкого металу, розм1щеного у кристал1затор1, рафшування дещо гальмуеться тим, що у 440

Рис. 6.35. Технолопчна схема ЕПП си- пучо! шихти з П1Д1гр1Ванням на носку живильника:

1 — живильник; 2,3 — електронш гармати; 4 — кристалёзатор; 5 — мехашзм пода­вання шихти; 6 — зливок

розплав безперервно надходять краплини недостатньо рафёнова- ного металу з торця заготовки, що иереи лавляеться.

Одним 13 рёЗНОБИДёв ЦЬОГО способу е гпдёгрёвання 1 навёть плавлення шихти на носку жи­вильника додатковою електрон­ного гарматою 2 (рис. 6.35). Ця технолопчна схема характери­зуемся найменшими ступеней рафёнування 1 питомою продукгивнёс- тю. Тому переплавку гранульовано']' шихти застосовують для компак- тування гранул, порошку, губки й скрапу в заготовки з метою наступно! рафёнувальноё' переплавки.

Останшм часом запропоновано технолопчну схему ЕПП, у якёй ста- ди плавлення, рафёнування ё кристалёзацё'ё розиодёленё у часё й просторё — це так звана електронно-променева плавка з промёжною мёсткёстю. У США такий спосёб плавки називають «холодноподова електронно-променева плавка», оскёльки промёжна мёсткёсть — це водоохолодний пёд, по яко- му тече розплав, що утворюеться теля плавлення заготовки або скрапу (рис. 6.36).

Рёдкий метал, що утворюеться пёд час розплавляння заготовки, у цьому разё стёкае в иромёжну мёсткёсть, а потём потрапляе у кристалёза- тор. Електронно-променеве нагрёвання поверхнё ванни розплаву в мёсткостё ё в кристалёзаторё проводять рёзними гарматами, що дае змогу керувати обёгрёванням на рёзних стадёях процесу ёндивёдуально. Кра- ще розвипена реакцёйна поверхня порёвняно з розглянутими вище схе­мами ЕПП створюе сприятливё умови для ефективного рафёнування з одночасним пёдвищенням продуктивностё процесу.

Наявнёсть иромёжноё' мёсткостё виключае можливёсть потрапляння у кристалёзатор не до кёнця розилавлених часточок металу заготовки, яка переплавляеться, що перёодично спостерёгаеться пёд час переплав­ки безпосередньо у кристалёзатор. У промёжнёй мёсткостё можна про­водите додаткове оброблення розплаву шлаком або вводити иотрёбнё легуючё елементи, не побоюючись нерёвномёрного розиодёлу ё'х у ме­тал ё. Зазначенё переваги ЕПП з промёжною мёсткёстю зумовили те, що майже всё електронно-променевё установки, якё були створенё останнём часом, оснащенё вузлами з холодним подом. Особливо це стосуеться агрегатёв електронно-ироменевого нагрёвання потужнёстю 1 МВт, якё

Рис. 6.36. Схема електроино променево! плавки з пром1жнок> М1СТК1СТЮ (а) 1 холодним подом (б):

1 — електронш гармати; 2 заготовка для переплавки; 3 редкий метал; 4 — пром1жна М1ст юсть; 5 — холодний шд; 6 водоохолоджуваний кристал1за тор; 7 — зливок; 8 — пщдон

Рис. 6.37. Принципова схема електронно-променевоУ печк

1 — камера для плавки; 2 — камера для електронно-променевого нагр1вания; 3 — мехашзм вертикального подавання заготовок; 4 електронно-променев1 гармати; 5 — пром1жна м1стюсть; 6 - рольганг; 7 — мехашзм горизонтального подавання заготовки; 8 кристал1затор; 9 — мехашзм для витягування зливка

Рис. 6.38. Схеми отримання злившв великого дйаметра (понад 800 мм):

а — послщовне наплавлення на тверду заготовку; б — введения твердо! заготовки в кристал1затор шсля формування частини зливка за висотою; в — наплавлення металу на тверду заготовку 31 змшним перер13ом за довжиною; г — наплавлення металу на попередньо вщрафшовану заготовку, введену в кристал1затор одночасно з подаванням розплаву 13 пром1ЖНо1 мюткосп; д — отримання заготовки 1 формування зливка вщ одного джерела металу; 1, 12, 18 — кристал1затори; 2 — шддон; 3, 9, 10, 11 — заготовки; 4, 13 — рщкий метал; 5, 14, 17 — мютюсть; 6 — зливок; 7, 16 — електронш промеш; 8, 15 — ванна металу

Рис. 6.39. Макроструктура зливка Д1аметром 0,31 м у повздовжньому 1 поперечному перер1зах

ниш переважно використовують для отримання зливюв титану. При цьому враховують таку важливу перевагу холодно-подового процесу, як можливёеть переробки вщходёв титану та його сплавав (скрап, стружка, обрёзь). Схему лабораторноТ установки з використанням електронно променевого нагрёвника иотужшстю 500 кВт зображено на рис. 6.37.

Для отримання зливюв велико! маси використовують р1зш варёантн технологи ЕПП (рис. 6.38).

Поверхня зливк1в, отриманих за технолопею електронно-нромене во! плавки з промёжною м!стк1стю (ЕПППМ), не мае дефеюпв трщин, надрив1в тощо. Кристал1чна будова зливюв характеризуется дробно- зернистого структурою (рис. 6.39), високою нцльшстю, однорщшстю та вщсутшстю дефекив лшвацшного й усадкового походження. По висот! та перер1зу зливюв майже вщсутня зональна лжващя легуючих елемеш Т1в. Ушст водню у зливках жаромщних шкелевих сплав1в становить 0,0004 — 0,0009 % незалежно вщ його початкового вмёсту. Кр1м того, спостерпаеться деяке зниження вмшту азоту й кисню.

6.4.2. Рафшування метал1в

Особливостями ЕПП е можлшнсть отримання високих вакууму 1 температури та наявшсть значно! М1жфазово! поверхш подшу фаз. Усе це дае змогу виплавляти яшсш тугоплавк! й високореакцшш метали, сплави на основ! титану, шкелю, кобальту, зал1за, а також безшкелевих феритних нержав1ючих сталей 13 умёстом хрому 25 — 30 % 1 загальним ум!стом азоту й вуглецю менше шж 0,015 %.

Для технологи ЕПП характерш певн! особливосп рафшування й розкиснення:

в електронно-променевих установках (ЕПУ) парщальний тиск азоту можна знизити до 1,3-10 ³ Па 1 значно перегрей поверхню ванни, що зумовлюе розкладання таких стшких снолук, як штриди титану й циркошю;

розкиснення металёв можливе унаслёдок випаровування оксидёв туго­плавких металёв — цирконёю, титану та ёнших, якё мають високу пружнёсть пари, що дае змогу значно знизити вмёст водню.

Рафёнувальною фазою може бути вакуум, шлак або контрольоване газове середовище. Кёнетика рафёнування заготовки в ЕПУ мае багато сильного з процесами переплавлення у вакуумно-дугових та плазмо- во-дугових печах, тому оиисуеться иодёбними рёвняннями.

За ЕПП створюються сприятливё термодинамёчнё умови для видален­ня неметалевих домёшок, водню, азоту та розкиснення вуглецем, оскёль- ки внаслёдок конденсацИ пари домёшок на водоохолоджуваних частинах печё концентрацёйний фактор для випаровування металёв наближаеть- ся до нуля.

Втрати металу внаслёдок випаровування з торця заготовки дуже малё, тому стушнь видалення домёшки у зонё заготовки залежить вёд спёввёдношення площё иоверхнё, що плавиться, до площё поперечного иерерёзу заготовки.

У металевёй ваннё пёдвищуеться швидкёсть випаровування основи сплаву, оскёльки його температура набагато вища, нёж на електродё. Стушнь видалення домёшок ёз заготовки дорёвнюе або менший за ступёнь рафёнування у зонё ванни, але внаслёдок вищо'Г початконоУ концентрацёУ домёшок у заготовцё абсолютна кёлькёсть видалення домёшок у печах ёз вертикальним подаванням заготовок бёльша у першёй зонё.

Загальнё втрати у хёмёчних елементёв унаслёдок випаровування ви­значають за рёвнянням

а концентрация будь-якого компонента сплаву теля переплавлення

С_;/С_г(з) = ( 1-а,)/(1-у), (6.29)

де а:_г- — ступёнь рафёнування з торця заготовки; — початковий

умёст домёшки у заготовцё; С_г- — кёнцевий умёст домёшки в зливку.

Кёнцевий умёст азоту за ЕПП значно менший, нёж шсля ВДП. Кон­станта швидкостё видалення азоту ёз металу ванни в 1,3—1,6 раза бёльша, нёж ёз заготовки. Сёрка видаляеться внаслёдок випаровування в атомар- нёй формё або у виглядё сполук. Силёцёй ё вуглець пёдвищують актив- нёсть сёрки. Концентрацёя и в конденсатё на ступёнь вища, нёж у металё.

Завдяки малёй швидкостё випаровування фосфору його вмёст у кён- цевому металё зростае проиорцёйно втратам металу на випаровування.

Оксиднё вкрапления теля високотемпературного нагрёвання дисоцёю- ють ё розчиняються в рёдкому металё. Однак переважае видалення кисню зё сплавёв завдяки розкисненню металёв вуглецем. Можливе видалення кисню (у) ёз розплаву (р) в газову фазу (г) внаслёдок дистиляцёйного розкиснення:

хМе_р + у[0] = (Ме_х0_у)_г. (6.30)

3 шдвищенням температури сплаву зростае термодииамечиа ими вёрнёсть цееё реакцеё. Ступень дистиляцейного розкиснення пропорци) ний коефёцёенту розподёлу кисню меж парою ё рёдкою фазою. Негачин ним наследком при цьому е посилеиня випаровуваиня металу, що перс плавляеться.

6.4.3. Енергетичш параметри електронно-променевих установок та електронно-променева гаршсажна плавка

Розподёл енергеё, яка витрачаеться мёж осиовними вузлами ел ем ронно-променевих установок (ЕПУ), визначають за рёвнянням тепли вого балансу:

Р = Оз + Оп + Окр + Ощд + 0оп +С)_К+ Он.об- ^{1 1}

де О — загальна енергёя, яка педводиться до електронио-променевот нагревника; ()₃ — теплота, що витрачаеться на плавления заготовки; С_п теплота, яка ведводиться охолоджувальною водою вед промежноё месткос 11, О_кр ~ теплота, яка ведводиться охолоджувальною водою в кристал'еза торе; — теплота, яка ведводиться охолоджувальною водою в педдот, ()_оп — теплота, яка виделяеться на опорней плите пед час електротю променевого нагревания; 0_К — теетлота, яка виделяеться на стенках плавил ь ноё камери; ()_{н об} — не облековане сумарне тепловё та електричие втрач-н Витрати енергеё з охолоджувальною водою вираховують за такою залежнестю:

0_ВТ =А,\8пМ, (6 М2)

де п — витрата води, л/с; М — перепад температур на входе й виходе, °(' Розподёл витрат тепловоё енергеё меж рёзними елементами конструк Ц11 ЕПУ з промежною местюстю такий, %: 0₃ — 35—50; О_п — 24 — 30,

С>_кр - 15-20; 0_п1д - 0,7-1,6; 0_о„ - 20-28; - 8-19; д_нб - 5 7 Питома витрата електроенерпё отриманого металу значною мерою залежить вед його хемечного складу, кВт • ч/кг: 1,0 —1,5 — для сталевого зливка деаметром 280 мм; 2,0 — 2,2 — для зливка ез титану д1аметром 250 мм; 7,0—10,0 — для молёбденових та вольфрамових зливкев дёа метром 100 мм; 10—12 — для зливкёв ёз танталу дёаметром 100 мм.

Раиеше використовували плавильне електронно-променеве устанок ки потужнёстю 30 — 50 кВт, а нине ёх потужнёсть становить до 600 кВт, зокрема е вже пече потужнёстю 1 МВт. Встановлено, що зе зростанням потужносте печё ёстотно зменшуються витрати електроенерпё. Застосу вання промежноё мёсткосте зумовлюе допомежне втрати пёдведеноё енеречё на компенсацею теплових утрат для нагревания рёдкого металу, а також теплових навантажень на деяке конструкцейне елементи пече.

Головний недолёк ЕПУ — високё питомё витрати електроенергеё, ецо пояснюеться особливостями електронного ироменя як джерела нагревап ня. Крем того, стримуе широке використання цього способу плавки

К'

5 6 ' 8

В' 01

Рис. 6.40. Схема модершзовано! елект-

ршшо-променево1 ливарно! установки на баа! вакуумно-шдукщйно! псч'г.

I камера ливарноТ форми; 2 — тч для нагр1вання форми; 3 — затвор каме- ри; 4 — огЛядова система; 5 — пульт ке­рування променем; 6 — плавильна каме­ра; 7 — електронно-променева гармата; п -- затвор гармати; 9 — мехашзм для аавантаження шихти у тигель; 10 — шдук- тор; 11 — керам1чна частина тигля

нисока варт1сть устаткування та потреба мати для його експлуатацп фах1вц1в високо! квал1ф1кац11.

Промнслове використання електронно-ироменевоГ гаргпсажноТ плавки (ЕПГП) почалося дещо шзшше шж ЕПУ. Спочатку ЕПГП використо- вували для рафшування тугоплавких металов 1 сплав1в та отримання з них литих вироб1в. У подальшому, в зв'язку з тенденщею до зростання частки лиття в усьому обсягн виробництва деталей вщпов1дального при- значення 1 шдвшцення вимог до литих вироб1в, усе част1ше стали вико- ристовувати ЕПГП для отримання литих деталей 31 сплавхв на основ1 шкелю, зал1за, кобальту. Одночасно проводили дослщження з плавки 1 рафшування в електронно-променевих гаршсажних установках алюмь шю й м [/и з метою розроблення тех пологи Гх електронно-променевого лиття. Використання ЕПГП вщкрило перспективу отримання високояюс- них литих вироб1в 13 жаромщних сплав1в, як1 використовують для ви­готовлення лопаток газотурбшних двигушв.

Схему електронно-променево! ливарно! установки на баз1 вакуум- ноГ шдукцшно'! печ1 УААФ-ЗМ, яку використовують у ливарних цехах машинобуд1вних шдприемств, зображено на рис. 6.40.

Ниш в досл1дних 1 промислових умовах, використовуючи техноло- г1ю ЕПГП, отримують ЛИТ1 вироби 31 СПЛаВ1В Нюбш, титану, цирконш та жаромщних сплавав на основ! шкелю, кобальту, мщк Вир1шена про­блема використання тд час електронно-променевого нагр1вання елект- ромагштного перем1шування (ЕМП) розплаву у плавильшй мюткосп. Так, у раз1 використання ЕМП маса розплаву в тигл1 збшьшуеться в 3 — 4 рази, питом1 витрати електроенергп зменшуються на 10 — 20 %, а втрати металу внаслщок випаровування скорочуються приблизно на 20 %. Основною перевагою плавки з використанням ЕМП е можливкть виплавки в електронно-променевих установках багатокомпонентних сплав1в, зокрема, як1 м1стять елементи, що швидко випаровуються.

Для ЕПГП характерш Т1 сам1 недолжи, яш були зазначеш рашше для ЕПУ — висок1 питом1 витрати електроенергп, складне 1 коштовне технолопчне устаткування.

Вартёсть технологичного устаткування вдалося зменшнти завдяки створенню електронно-променевих ливарних установок на базё исчсй ёнших типёв — вакуумно-ёндукцёйних га вакуумно-дугових ливаринч установок.

6.4.4. Електронно-лроменеве диспергування розплав1в та оплавления поверхш зливюв електронним променем

В Гнститутё електрозварюваиня ём. 6. О. Патона НАН Украши роз роблено спосёб покриття формоутворювальио'ё поверхш та нанесения на не!" диспергованого розплаву, в якому поеднуються переваги рафшу ючо! ЕПУ 1 технологи швидкёсного затвердёвання.

Суть способу полягае у створеннё спрямованого потоку дисиерговапо го розплаву вёдцентровим розбризкуванням рёдкого металу з поверхш обертовоГ витратноГ заготовки в умовах нагрёвання и електронним проме нем та нанесения крапель розчину на иёдкладку (рис. 6.41).

Витратну заготовку закрёплюють у держаку модуля обертання, а иёдкладку певних розмёрёв ё форми вставляють у затискач модуля не ремёщення. В технологёчнёй камерё встановлюють вакуум, включають привёд обертання витратно! заготовки ё подають живлення на елек тронно-променевё гармати. Однёею з гармат обёгрёвають поверхню вп тратноТ заготовки, ёншою — формоутворювальну поверхню, внаслёдок чого утворюеться спрямований потёк дрёбних крапель розплаву, яю