Вакуумная металлургия

на практике почти не применяются. Действительно, стоимость электро­ оборудования для печей переменного тока составляет несколько больше А/з стоимости соответствующего оборудования для печей постоянного тока; эта экономия, однако, снижается расходами на устройство тройного электродного фидера, необходимого для питания трехфазной печи. Кроме того, изготовление трех электродов является делом довольно трудным, так как они должны быть длиннее и тоньше, чем один электрод для печи постоянного тока. Что же касается возможности изготовления слитков прямоугольного сечения, то такие слитки могут быть получены и в печах постоянного тока (фиг. 9).

Фиг. 9. Прямоугольный слиток титана.

Производительность дуговых печей

Производительность дуговой вакуумной печи в основном зависит от^времени простоя, которое может быть значительно снижено хорошей организацией операции загрузки и использованием быстроходных ва­ куумных насосов. Однако сократить время остывания слитка не удается. В результате действительное время плавки составляет 40—50% от общего времени рабочего цикла печи. Общий к. п. д. печи можно значительно увеличить при помощи:

а) подачи горячего слитка в камеру печи сразу же после окончания первой плавки и изолирования печной камеры от атмосферы перекрытием вентиля;

б) обеспечения слитка и изложницы после окончания второй плавки вакуумным колпаком и последующего извлечения их из печи. Это позволяет увеличить действительное время плавки до 80% от общего времени. Такая печь изготовляется в настоящее время в Западной Германии. Ее пре­ имуществом является не только уменьшение времени плавки, но и более полное использование мощности питающей установки; кроме того, эта конструкция печи позволяет избавиться от громоздких селекторных переключателей, рассчитанных на большие токи. Экономически целе­ сообразно для таких печей иметь автономный источник электропитания.

Рабочий цикл

Электроды для дуговых печей изготовляются обычным способом из заготовок прессованной губки. Затем они собираются в инертной атмосфере с помощью расходуемого электрода или свариваются в штабики сварочным аппаратом с электродом с вольфрамовым наконечником. Штабик приваривается к концу электрода; эта операция производится либо в сварочном аппарате, либо непосредственно в дуговой печи. Для получения слитка титана весом 1—2 т обычно применяют два губчатых расходуемых электрода. Электроды переплавляются в один или в два слитка, которые затем свариваются в дуговой печи в вакууме. Обычно штабик приваривается к слитку первой плавки и подается внутрь печи. После этого устанавливается вторая изложница, в печи создается вакуум

и той же печи, так как использование двух различных печей не дает никаких преимуществ.

ДУГОВЫЕ ПЕЧИ С РАСХОДУЕМЫМ ЭЛЕКТРОДОМ ДЛЯ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ

Р. П а р к е

ВВЕДЕНИЕ

За последние 10 лет достигнуты значительные успехи в освоении плавки в дуговых печах с расходуемым электродом многих металлов и сплавов. Усилия металлургов были направлены главным образом на разработку процессов, позволяющих получать значительные количества тугоплавких металлов, пригодных для использования в качестве кон­ струкционных материалов.

Получение больших количеств тугоплавких металлов является в настоящее время одной из важнейших задач техники, так как дальнейший прогресс тепловых двигателей зависит от возможности промышленного получения сплавов, обладающих более высокой температурой плавления, чем железо, никель или кобальт. В частности, в настоящее время уже создано оборудование, позволяющее получать слитки молибдена весом до 1 т.

Особенности процесса

Металл, выплавленный в печах с расходуемым электродом, имеет две характерные особенности, первая из которых заключается в полном устранении такого распространенного дефекта, как осевая пористость, или сегрегация. Второй особенностью является очистка металла в про­ цессе плавки. Получение здорового слитка, удаление примесей, а также возможность производства крупных слитков обусловили широкое раз­ витие этого метода. В настоящее время с помощью дуговой плавки полу­ чают не только жаропрочные сплавы, но также и материалы для электро­ технической, атомной и других отраслей промышленности.

Определение содержания примесей в процессе дуговой плавки

срасходуемым электродом

Вэтой работе основное внимание будет уделено плавке молибдена

вдуговых печах с расходуемым электродом, поскольку этот процесс более применим к молибдену и в меньшей степени к танталу и вольфраму. Вообще вопросам получения литого молибдена посвящено наибольшее количество исследований, если не считать работ, относящихся к плавке титана и железа.

Вметаллургии тугоплавких металлов основное внимание должно уделяться, во-первых, вопросам получения достаточно крупных (для последующей обработки) слитков и обеспечения требуемых размеров продукции, а во-вторых, очищению металла от вредных примесей.

Выполнение требований в отношении мощности оборудования зави­ сит, в частности, от конструкции дуговых печей, что имеет очень важное значение. Однако в данной статье этот вопрос будет затронут лишь частично. Главное внимание будет уделено методам контроля и регулиро­

вания содержания примесей, так как эта задача является основной в металлургии тугоплавких металлов.

Обрабатываемость и эксплуатационные свойства тугоплавких

ких тысячных долей процента кислорода пластичность молибдена уменьшается.

Для получения тантала, обладающего определенной пластичностью, содержание водорода в нем должно быть ниже 0,01%, а кислорода — 0,03%. Пластичность и обрабатываемость вольфрама также резко умень­ шаются даже при наличии небольших количеств углерода или кисло­ рода, но критическая концентрация названных элементов точно неиз­ вестна.

Наконец, следует упомянуть еще одну причину, заставляющую обращать особое внимание на чистоту металла: невозможность получения слитка, обладающего структурой с очень мелким зерном. Следует отме­ тить, что в слитке практически невозможно получить столь же тонкую структуру, как и в металле, изготовленном методами порошковой метал­ лургии.

Литой металл имеет грубую крупнозернистую структуру. Например,

вслитке молибдена зерна имеют обычно 6—12 мм в диаметре и 50—100 мм

вдлину. При таких крупных зернах и при относительно малой их поверх­ ности, приходящейся на единицу объема, наблюдается значительная склонность к интеркристаллитному излому.

Весьма малое количество другой фазы, выпадающей по границам зерен во время кристаллизации или несколько позже, резко увеличивает склонность металла к интеркристаллитным трещинам. Это является следствием перехода второй фазы, выпавшей по границам зерен, в жидкое состояние при температуре горячей обработки. Другой возможной при­ чиной увеличения хрупкости является низкое сопротивление скалыва­ нию второй фазы. Эти примеры подчеркивают особую важность чистоты продукта.

Следует отметить, что в большинстве случаев нам неизвестно влия­ ние примесей на свойства металла. Необходимо провести еще много исследований, чтобы установить влияние примесей на свойства и их оптимальное содержание в тугоплавких металлах. Мы располагаем некото­ рыми данными относительно влияния углерода и кислорода на свойства молибдена. Эти данные говорят о том, что содержание кислорода в молибде­ не должно быть возможно более низким, во всяком случае менее 0,001%. Содержание углерода может колебаться от 0,005 до 0,05% в зависимости от назначения металла. В частности, для изготовления отдельных кон­ струкций применяют металл, содержащий около 0,05% углерода. Если молибден используется для изготовления тонкой проволоки, содержание

Содержание углерода связано с содержанием кислорода и опреде­ ляется развитием реакций в жидкой фазе. Низкое содержание кислорода является желательным для обеспечения хорошей обрабатываемости, поэтому следует стремиться к максимально возможному с точки зрения удовлетворения других требований увеличению содержания углерода. В тех случаях, когда металл используется в электронных устройствах, вакуумных приборах и т. д., основным требованием является низкое содержание газов. Одним из серьезных факторов, влияющих на процесс

очищения металла, является ограниченное время протекания процесса. Продолжительность рафинирования ограничивается минимальной ско­ ростью плавки в данных условиях, а эта скорость в свою очередь опре­ деляется величиной тока, размерами изложницы, диаметром электрода, давлением и атмосферой, в которой происходит плавка.

В основном скорость плавки определяется необходимостью улучше­ ния поверхности слитка. Низкая скорость плавки, с одной стороны, способствует удлинению периода рафинирования, но, с другой — умень­ шается приток тепла для поддержания высокого температурного гра­ диента у стенок изложницы.

Следовательно, существуют веские доводы в пользу более кратко­ временного процесса рафинирования. Для проведения хорошей очистки металла необходимо:

1. Применение очень чистых штабиков, полученных и сохраняемых в вакууме. В соответствии с современными возможностями содержание кислорода в молибденовом порошке можно уменьшить до 0,02%, а предел содержания кислорода в слитке — до 0,0001%. Если содержание кисло­ рода в исходном материале уменьшить вдвое, т. е. до 0,01%, можно снизить расходы на вакуумную систему на 50%.

2.Использование откачной системы при плавке с малым натеканием.

3.Соответствие производительности откачной системы газовыделению при данной скорости плавки и обеспечение необходимой очистки металла от вредных примесей. (В первом приближении мощность, затрачиваемая на очистку металла, обратно пропорциональна давлению.)

4.Правильный выбор диаметра электрода. Его электросопротивление не должно влиять на нагрев. Для надежного регулирования дуги и улучшения теплопередачи в ванну температура электрода должна быть меньше половины температуры плавления металла.

5.Последовательное уменьшение скорости теплопередачи для без­ опасности работы установки (использование полированной поверхности тигля и толстых стенок).

Степень очистки металла в процессе дуговой плавки с расходуемым электродом можно контролировать по материальному балансу плавки. Применительно к молибдену можно допустить, что кислород и углерод удаляются только в виде СО, а азот — в виде двухатомного газа. Для использования материального баланса как средства контроля необходимо знать скорость плавления, состав исходного порошка, состав получен­ ного металла, давление в процессе плавки, а также зависимость дав­ ления от скорости откачки вакуумной системы.

Например, при плавке молибдена со скоростью, равной 1,50 кг!мин,

до 0,0002%, водорода — с 0,0002 до 0%. Столь значительное изменение

что в этом случае может быть достигнуто разрежение порядка 7 мк рт. ст. Непосредственные измерения показали 5—6 мк рт. ст.

Приведенные выше данные получил Ноэсен в исследовательской лаборатории фирмы «Дженерал электрик». Им также изучено относи­ тельное рафинирование в различных ступенях процесса, причем он уста­ новил, что при переплавке электрода, содержащего 99,5% Мо (остальное Ti), 79% от общего количества азота удаляется во время спекания элек­ трода, а остальное — из расплава (а также во время дугового разряда); в то же время 90% кислорода удаляется из электрода, а остальное —

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение следует остановиться на ряде проблем, имеющих первостепенное значение для дальнейшего развития процесса дуговой плавки в вакууме.

Прежде всего следует усовершенствовать методы уменьшения содер­ жания остаточных элементов в металле, для чего необходимо увеличить подачу тепла от дуги в ванну, использовать атомарный водород для раскисления металла и иметь в виду применение многократного переплава в качестве зонной плавки.

Важной задачей является также регулирование горения дуги для предупреждения возможности плавления тигля. Требует уточнения также и вопрос о преимуществах печей, работающих на постоянном токе, по сравнению с печами на переменном токе.

ДУГОВАЯ ПЛАВКА СТАЛИ В ПЕЧАХ С РАСХОДУЕМЫМ ЭЛЕКТРОДОМ

Дж. Д ж о н с т о н

Дуговая плавка в печах с расходуемым электродом является в настоя­ щее время основным методом промышленного получения циркония, титана и гафния. Применение нерасходуемых электродов, изготовленных из вольфрама или графита, неизбежно сопровождается загрязнением металла материалом электрода. В вакууме лишь водород и хлор могут быть удалены из упомянутых выше высокореакционных металлов. '

Этот метод применим и для получения в промышленных масштаба* стали с малым содержанием неметаллических включений и газов. Сталь, переплавленная в вакуумных печах, обладает большей пластичностью; при ковке повышается выход годного по сравнению с аналогичным по составу металлом, выплавляемым на воздухе. Переплав в дуговых печах является простым и производительным методом, и в связи с расширением масштабов производства стоимость его в будущем, по-видимому, значи­ тельно снизится.

Конструкции дуговых вакуумных печей засекречены, поэтому схе­ матично можно представить печь как установку из двух соединенных патрубков. Внутри нижнего патрубка находится водоохлаждаемая медная изложница, а в верхнем размещен электрод. С помощью мощных вакуумных насосов в печи создается разрежение. Электрод соединяется

содним из полюсов генератора, изложница — с другим полюсом. При плавке в вакууме капли нагретого металла непрерывным потоком падают

сэлектрода на слиток; в аргоне металл проходит через зону дугового разряда в виде крупных шариков. Дуговой разряд поддерживается в печи благодаря термической ионизации газа и металлических паров. Скорость плавления в дуговых вакуумных печах намного выше, чем в обычных, и составляет примерно от 6,75 до 33,75 кг/мин при диаметре печи 400 мм.

При такой скорости по окончании плавки слиток затвердевает только наполовину. Неправильно было бы представлять себе кристаллизацию слитка слоями, один за другим. Такие металлы, как титан, цирконий, гафний, сталь и другие, обладают очень низкой теплопроводностью, поэтому после образования первичной корки толщиной в несколько десятков миллиметров кристаллизация слитка слоями прекращается. Усадка слитка и образование воздушного зазора между стенками излож­ ницы и слитком еще более ухудшают условия теплопередачи. При этом следует учитывать, что скорость охлаждения определяется потоком тепла сквозь слиток, поэтому жидкая часть слитка в процессе плавки принимает все более и более коническую форму. Процесс охлаждения протекает в основном при радиальном отводе тепла и частично при отводе тепла в вертикальном направлении. Этот вид теплопередачи имеет подчиненное значение с момента, когда расстояние между ванной жидкого металла

идном изложницы становится соизмеримым с радиусом последней.

Кконцу плавки потребление мощности может быть постепенно снижено, чтобы обеспечить дуговой обогрев прибыльной части слитка