Разновидность конструкций ВИП. Влияние герметичности установки на качество продукта.

Стали, выплавляемые в вип

1. Коррозионностойкие стали

Основной целью выплавки коррозионностойких сталей является получение металла с низким содержанием углерода 0,01 - 0,02 % С и неметаллических включений, особенно нитридных и азота.

Получение низкого содержания углерода в коррозионностойких сталях и различных хромоникелевых сплавах является важной задачей. Низкоуглеродистые коррозионностойкие стали обладают высокими антикоррозионными свойствами и высокой пластичностью. В последние годы значительно возросла потребность, в частности, в области электронного приборостроения в таких сталях, где требуется содержание углерода в металле < 0,02 % С при содержании азота не более 0,03 %. Для изготовления тонкостенных труб требуются хромоникелевые стали со стабильной аустенитной структурой, содержащие 0,010 - 0,015 % С.

Металл с низким содержанием углерода можно получать путем использования шихты с низким исходным содержанием углерода, например, специально выплавленной заготовки мягкого железа, безуглеродистого или металлического хрома. Однако при выплавке таких сталей в открытых печах для получения 0,03 - 0,04 % С приходится считаться с большими потерями хрома (5 - 7 %) вследствие сильного переокисления ванны. Для того чтобы избежать возможного контакта электродов с ванной в электродуговых печах приходится работать на длинных дугах, а это приводит к преждевременному износу футеровки.

Сплавление же чистых шихтовых материалов в индукционных открытых печах сопровождается насыщением металла азотом и загрязнением его кислородом и окисными неметаллическими включениями. Поэтому единственным способом получения низкоуглеродистых нержавеющих сталей является их выплавка в вакуумных индукционных печах.

В вакуумных индукционных печах можно получить низкоуглеродистую сталь без загрязнения ее кислородом, азотом, водородом. Для выплавки можно использовать чистые шихтовые материалы и отходы низкоуглеродистого металла, учитывая, что в вакууме можно проводить и обезуглероживание ванны.

2. Жаропрочные сплавы

Жаропрочные сплавы, выплавляемые в ВИП, разливают либо в малые слитки для последующей деформации, либо в крупные слитки, которые часто после соответствующей обработки переплавляют в вакуумных дуговых печах или используют в качестве шихтовой заготовки для мелких вакуумных индукционных печей, в которых отливают различные фасонные детали.

  При выплавке и разливке жаропрочных  сплавов серьезную трудность представляет образование окисной плены на зеркале металла. При выплавке этих сплавов на воздухе плена является причиной брака при дальнейшей обработке слитков и отливок из-за грязной макроструктуры, низкой жаропрочности, хрупкого разрушения при ковке. Плены часто располагаются по границам зерен и снижают пластичность металла при рабочих температурах.

Особенности рафинирования металла при вакуумной обработке стали

Для дегазации и рафинирования от летучих примесей достаточен перегрев на 50 – 100 ^оС выше температуры ликвидуса. При более сильном перегреве интенсивность испарения возрастает, но при этом значительно разрушается футеровка тигля.

2.1 Удаление азота и водорода

Удаление водорода и азота из жидких расплавов может происходить в результате протекания следующих процессов:

- всплывания нитридных неметаллических включений; в случаях, если существуют условия для их образования в жидкой ванне;

- выделения пузырьков водорода и азота; при высоких концентрациях этих газов при создании условий для их зарождения на границе жидко-твердой фазы или на поверхности неметаллических включений;

Десорбция неметаллических включений с поверхности металлической ванны, к которой растворенный газ подводится диффузионным или конвективным путем. Растворы водорода и азота в жидком железе подчиняются закону Сивертса:

[%H] = KH ; (2.1.1)

[%N] = KN . (2.1.2)

Где KH и KN – константы растворимости водорода и азота в расплаве, т. е. растворимость при определенной температуре и соответственном парциальном давлении водорода или азота, равном 1 атм.

При выплавке сталей и сплавов в любом вакуумном агрегате на скорость процесса удаления влияют поверхностно активные элементы, давление над расплавом, удельная поверхность раздела газ-металл, температура металла, интенсивность перемешивания расплава, содержание нитридообразующих элементов (для азота).

2.2 Удаление кислорода

При плавке в вакуумной индукционной печи простая выдержка металла в печи, благодаря раскислению углеродом, приводит к понижению содержания кислорода с 0,011 % до 0,008 %. После введения в расплав раскислителей, содержание кислорода понизилось до 0,002 % и в дальнейшем оставалось почти неизменным на уровне, близком к равновесным значениям. Но такой эффект в ВИП наблюдается при использовании сильных раскислителей, например Al, то есть после раскисления ванны углеродом присаживают металлический раскислитель и понижают содержание кислорода в ванне. При введении кремния, марганца, такого эффекта не наблюдается.

2.3 Удаление неметаллических включений

Неметаллические включения удаляются путем всплывания. Процесс удаления включений всплыванием состоит из двух стадий:

-всплывание включений и конвективный перенос к поверхности;

-переход включений из однофазной среды на границу раздела фаз.

Всплыванию частиц в ВИП способствует перемешивание металла. Всплывание включений описывается известным уравнением Стокса:

(2.3.1)

Где w – скорость всплывания частицы, см/с;

η – динамическая вязкость среды, Па/с;

ρс , ρч – плотность среды (металла) и частицы, г/см3;

d – диаметр частицы, см;

g – ускорение силы тяжести, см/с.

Так же при рафинировании в вакууме неметаллические включения восстанавливаются растворенным углеродом.

В вакууме раскислительная способность углерода возрастает, и становится возможным процесс разрушения неметаллических включений по формуле:

(2.3.9)

2.4 Удаление цветных примесей

Процесс испарения примесей – один из характерных способов рафинирования при вакуумных способах получения сталей и сплавов. Процесс испарения летучих примесей, как правило, никогда не достигает равновесия. Процесс испарения примеси из металла может в общем случае лимитироваться одним из трех последовательных звеньев этого процесса − массопереносом в металле, десорбцией с поверхности и массопереносом в газовой фазе.

Жидкий металл находится, как правило, в непрерывном движении, что способствует выравниванию его состава. Поэтому можно считать, что первая стадия – перенос атомов примеси к поверхностному слою – не лимитирует процесс испарения.

Элементы, обладающие высокой упругостью пара, такие, как свинец и висмут, наиболее медленной стадией процесса перехода из жидкого металла в газовую атмосферу имеют диффузионный перенос в металле. Элементы, обладающие пониженной упругостью пара, характеризуются преобладающим влиянием ступени испарения.

Основной величиной, определяющей поведение металлов в вакууме, является упругость пара этих металлов. Величиной упругости пара определяется давление, при котором можно проводить плавку данного металла. Парциальные упругости пара компонентов сплава определяют изменение его химического состава при выплавке в вакууме. Степень дегазации металлов, а так же некоторые их физические и механические свойства зависят от давления в вакуумной печи.

Вакуумная индукционная плавка (ВИП) является одним из самых рас­пространенных процессов индукционной плавки как в промышлен­ности, так и в области лабораторного эксперимента. Развитие ВИП идет по трем направлениям:

• выплавка металла для слитков, предназначенных для после­дующего передела методами обработки металлов давлением;

• производство литых изделий (в частности, турбинных лопаток) способами как точного, так и центробежного литья;

• выплавка электродов и заготовок для последующего переплава (ВДП, ЭЛП, ЭШП и др.).

На заводах черной металлургии, когда поставлена цель получить металл наивысшего качества, ВИП используются в основном для выплавки заготовок для дальнейшего переплава.

Методом ВИП выплавляют в основном две группы марок стали:

• жаропрочные сплавы на никелевой основе (это главный сорта­мент ВИП);

• особонизкоуглеродистые коррозионностойкие стали.

Стали занимают меньший объем и если коррозионностойкие ста­ли можно сразу передавать из ВИП на прокатку, то жаропрочные сплавы нельзя, так как структура слитка, получаемого при выплавке стали и сплавов ВИП, обладает теми же дефектами, что и обычный слиток, так как разливка производится в обычную изложницу.

Цель процесса - получить высокачественный металл, т.е. металл, который отвечает требованиям, предъявляемым к служеб­ным свойствам металла - прочности, вязкости и т.д. Эти свойства определяются наличием в металле вредных примесей, к которым от­носятся газы, примеси цветных металлов, сера, фосфор и т.д. За счет использования разрежения в печи ряд процессов рафинирования получает заметное развитие, а ряд - суще­ственное.

Основные преимущества ВИП следующие:

• отсутствие электродов;

• возможность глубокой дегазации металла;

• низкое содержание оксидных и нитридных неметаллических включений;

• рафинирование металла от вредных примесей цветных металлов за счет дистилляции;

• высокая однородность за счет хорошей циркуляции металла;

• получение металла в узких пределах по химическому составу;

• при большой вместимости - малый угар легирующих элементов;

• возможность интенсификации процесса: продувка газами, ЭМП, обработка шлаками;

• высокая производительность и др.

К основным недостаткам ВИП можно отнести:

1. Взаимодействие металла с огнеупорной футеровкой. Оксиды, из которых изготавливают тигли, могут реагировать с углеродом или другими компонентами расплава.

Таким образом, металл может загрязняться оксидами и растворен­ным кислородом. При этом в металл могут переходить Si, Al, Zn и другие, восстановленные из соответствующих оксидов металлы. Вос­становленные Mg и Са, имеющие высокое давление насыщенного пара и плохо растворяющиеся в железе и никеле, могут испаряться.

Взаимодействие металла с футеровкой отсутствует при так назы­ваемой «плавке в холодном тигле», когда тигель изготовлен из элек­трически изолированных водоохлаждаемых медных трубок.

2. Получение слитков с дефектами, характерными для обычного слитка, и зерном более крупным, чем в обычном слитке из-за боль­шей чистоты металла по неметаллическим включениям, которые служат центром кристаллизации. Это приводит к ухудшению дефор­мируемости ряда сплавов и требует последующего переплава метал­ла с целью улучшения его структуры.

3. Низкая стойкость тиглей.

4. Металлоактивные шлаки.

5. Высокая стоимость оборудования.

Основными потребителями металла ВИП являются авиационная, химическая, атомная, ракетная, космическая, радиоэлектронная про­мышленность, энергетическое машиностроение. В связи с этим осно­вой сортамента ВИП являются жаропрочные и прецизионные сплавы на основе никеля, кобальта, железа, а также низко- и особонизкоуглеродистые коррозионностойкие и конструкционные стали.