Вакуумная металлургия

Пока остается также открытым и вопрос о сегрегации карбидов при плавке в водоохлаждаемой изложнице быстрорежущей стали и других сплавов с высоким содержанием углерода и легирующих элементов. Высо­ коуглеродистые малолегированные стали, как, например, 52 100, не склонны к карбидной сегрегации. При содержании в стали более 1,5% Мп необходимо принимать специальные меры для уменьшения потерь марганца за счет испарения при переплаве в вакууме. Сталь, содержащая менее 2,0% Мп, теряет его в количестве от 15 до 25%; это обстоятельство необходимо учитывать при выборе стали для переплава. Концентрация никеля, хрома, кобальта, ниобия, тантала, титана, алюминия, молибдена, кремния и вольфрама при переплаве в вакууме не изменяется (в отношении вольфрама это не установлено), точно так же как и сегрегация, которая не получает большого развития при переплаве как стали, так и чистых титана, циркония или их сплавов.

Карбиды вольфрама плохо растворяются в металле, и в настоящее время полагают, что ухудшение свойств металла при его легировании ферровольфрамом при плавке на воздухе может быть устранено повтор­ ным переплавом в вакууме. В большинстве случаев поверхность слитков почти всех марок стали, а также циркония, титана и гафния вполне удовлетворительна, особенно если учесть, что эта поверхность затвер­ девает мгновенно или за очень короткий промежуток времени.

При хлоридном процессе, который применяется для получения титана, циркония и гафния, в них остаются следы хлоридов магния и натрия. В первое время, когда титан и цирконий выплавляли из губки, получен­ ной по методу Кролля или путем восстановления натрием, поверхность слитков была очень плохой. Частично это объяснялось низкой плот­ ностью тока при плавлении брикетов титановой губки, а также влиянием хлоридов на дуговой разряд. Какой из этих факторов оказывал решаю­ щее значение, сказать трудно. Поверхность стальных слитков, особенно некоторых марок, например 52100, 4340, обладающих высокой склон­ ностью к закаливаемости, была очень хорошей. Действительно, стали 52100, 4340 и им подобные можно было ковать без какой-либо предвари­ тельной обдирки, за исключением местной зачистки дефектов на поверх­ ности слитка. Слабо окислительная атмосфера во время ковки предохра­ няет металл от обезуглероживания, а небольшое количество образовав­ шейся окалины можно легко удалить.

Можно было бы ожидать, что при плавке в водоохлаждаемой излож­ нице упомянутых выше металлов и сплавов возникнет ряд серьезных проблем, связанных с вопросами образования трещин и других пороков в слитках, однако оказалось, что это бывает не во всех случаях, включая и быстрорежущие стали, все циркониевые, титановые сплавы и большинство закаливаемых на воздухе инструментальных сталей. Действительно, единственный случай, для которого поверхностные трещины в слитках являются проблемой, — это некоторые суперсплавы (сплавы с повышен­ ными свойствами), которые подвергаются выкрашиванию в горячем состоянии. Вообще говоря, поверхность слитков стали и высокореак­ ционных металлов — титана, циркония, гафния — лучше обрабатывать путем обдирки на шлифовальных кругах.

Иногда предпочитают обдирать слитки на токарных станках, так как в этом случае легко обнаруживаются свищи и другие пороки, однако необходимо заметить, что любой метод обработки определяется главным образом наличием соответствующего оборудования. Слитки не следует никогда обрезать до тех пор, пока они не прокованы или не про­ катаны. Несмотря на то, что усадочную раковину можно довольно легко устранить с помощью определенных технологических приемов, неболь­

шие раковины, имеющие диаметр порядка 25 мм, расположенные примерно на 25—30 мм от верха слитка, всегда присутствуют в слитках этих ме­ таллов. По мере увеличения размеров слитка отношение площади охлажде­ ния к объему металла уменьшается, в связи с чем затрудняется контроль за образованием усадочной раковины. В процессе свободной ковки под молотом свищи и трещины в слитках титана и циркония хорошо завари­ ваются. При прокатке слитков на обжимных станах сердцевина слитка деформируется в меньшей степени, чем при свободной ковке, поэтому при прокатке на дефекты внутреннего строения слитка необходимо

нечного продукта из титана упала до 11 долларов за килограмм. В течение последних 10 лет цена этих металлов, по-видимому, будет оставаться очень высокой, поэтому увеличение отходов недопустимо.

Для того чтобы избежать образования пороков в слитке, необходимо найти оптимальный метод переплава каждого сплава, но следует также учитывать и другие факторы, в частности возможность образования включений. Наиболее простой путь получения качественного металла заключается в обрезке прокатанной или прокованной полосы с обоих концов. Резка в горячем состоянии должна продолжаться до тех пор, пока не исчезнут раковины, что, по существу, может означать удаление всех всплывших наверх включений. Потери металла в этом случае со­ ставляют минимум 1 % и максимум — 10%. При этом для каждого сплава или для каждой марки стали нужно найти оптимальные условия плавки. Следует отметить как неожиданный факт, что при переплаве в вакууме содержание газов во многих сплавах приближается к равновесному. Парциальное давление водорода при плавке титана и его сплавов состав­ ляет примерно 10 мк рт. ст. при содержании его 0,002%, а при содержании водорода 0,005% — около 500 мк рт. ст. В связи с этим можно с большой степенью точности установить содержание водорода в жидком титане. Установлено также, что это соотношение выдерживается и при производ­ стве титана в промышленном масштабе.

Как известно, состояние равновесия может быть достигнуто двояким образом: во-первых, путем насыщения чистого титана водородом при определенном давлении и, во-вторых, путем удаления водорода из титана, насыщенного водородом при том же давлении. Конечное содержание во­ дорода должно быть в обоих случаях одинаковым. Поскольку парциальное давление кислорода над титаном иногда достигает 10—50 или 10—100 мк рт. ст., сам титан создает вакуум значительно лучше, чем какой-либо насос. При плавке титана приобретает большое значение методика обна­ ружения течи. При достаточно мощной откачной системе в печи может быть достигнуто давление порядка 500 мк рт. ст. даже в том случае, если отверстие, через которое натекает воздух, будет достаточно велико и титан будет насыщаться кислородом и азотом из воздуха. Надежды на возможность удаления кислорода из титана, циркония и гафния за счет образования окиси углерода оказались нереальными.

Дегазация стали является более сложным процессом, чем дегазация тугоплавких металлов: только водород удаляется легко. В малоуглероди­ стых сталях, не содержащих алюминия или титана, углерод, содержа­ щийся в стали, взаимодействует с кислородом и окислами с образованием окиси углерода, которая откачивается из системы. Парциальное давление азота в этих условиях выражается заметной величиной, поэтому в про­ цессе дуговой плавки его необходимо удалять. Реакция образования окиси углерода, по-видимому, достигает равновесия в вакуумной дуговой печи. Для уточнения вопроса о дегазации стали в больших и малых

дуговых печах было исследовано свыше 20 плавок низколегированных

сталей.

На фиг. 1 представлены результаты непосредственных измерений давления в печи без учета увеличения давления в дуге в связи с ограни­ ченным пространством для прохода газа между дугой и измерительным

юооо

во 1000

ас

а?

*

см

=5

а:

Фиг . 1. Влияние давления плавки на содержание кислорода и азота в низколегированной стали, содержащей 0,2—0,4% углерода, и влияние давления на содержание водорода в титане.

устройством. Если ввести поправку, учитывающую ограниченную пло­ щадь прохода газа между электродом и тиглем, то содержание газа будет примерно соответствовать значениям, обычным для сталеплавильной практики.

Было бы убедительным при определении равновесия провести опыт и установить, достигается ли одна и та -же растворимость кислорода в металле, когда окись углерода вводится в свободный от газов металл и в случае, когда из металла удаляется СО.

Предположение о достижении равновесия по ходу плавки очень удобно, так как можно предсказывать направление протекания реакции с участием газообразных компонентов. Это позволяет также определить мощность и производительность насосов. В присутствии алюминия и титана картина усложняется: эти элементы сильно снижают парциальное

давление окиси углерода в жидкой стали. Окись алюминия может восста­ навливаться углеродом, но для этого необходимы очень низкие давления, если желательно получить то же содержание газа. Хром, растворенный в стали, понижает активность углерода и кислорода, что в свою очередь уменьшает величину давления, необходимого для снижения содержания кислорода.

При переплаве в вакууме малоуглеродистых хромистых сталей или сплавов типа А-286 недостаточно понизить содержание углерода для заметного выделения газов. Влияние газов, выделяющихся при обезугле­ роживании металла, на общее количество газов, проходящих через вакуум­ ные насосы при переплаве таких сплавов, как А-286, очень заметно. Вакуумные насосы во время переплава можно было бы выключить, если бы не было натекания. С другой стороны, в низколегированных сталях 52100, 4340 или 4620, раскисленных алюминием, содержание газов умень­ шается в процессе переплава в вакуумных дуговых печах, так как давле­ ние, создаваемое в печи, вполне достаточно для очищения стали от раство­ ренных газов. Однако в США пока имеется лишь несколько печей, которые позволяют поддерживать в рабочем пространстве разрежение в пределах 20 мк рт. ст. или ниже.

Переплав в вакуумных дуговых печах применяется также и для удаления хлоридов из циркония и титана. Хлориды магния и натрия не откачиваются насосами, а конденсируются на холодных частях установки, а также в вакуумпроводе. Губка может содержать до 0,5% хлорида магния, который распределяется вокруг зерен губки. Хлориды магния и натрия, которые конденсируются на холодных частях установки, отли­ чаются высокими влагопоглощающими свойствами, поэтому как только печь открывают, хлориды абсорбируют значительные количества влаги из воздуха. Их весовое количество в связи с этим может удвоиться. Если не принять соответствующих мер, то значительная часть воды может снова перейти во время плавки вместе с хлоридом в титан или цирконий. Вода, попадая в металл, разлагается на кислород и водород, причем последний выделяется при нагреве в вакууме, а кислород, напро­ тив, остается в металле. Даже в течение непродолжительного периода плавки, который занимает всего несколько минут, содержание кисло­ рода в металле может заметно возрасти.

Важной, но пока нерешенной проблемой при переплаве стали явля­ ется десульфурация стали, выплавленной на воздухе. В процессе пере­ плава в вакууме низкомарганцовистой стали содержание серы снижается с 0,015 до 0,013%, в то время как отпечаток на серу слитка показывает весьма значительное изменение содержания серы. В настоящее время все же лучше всего переплавлять металл с заведомо низким содержанием серы. Неметаллические включения в стали, в частности нитриды титана, глинозем и силикаты, а также различные окислы глобулярной формы всплывают в процессе плавки. Некоторые из этих включений могут быть обнаружены в виде шлака в верхней части слитка. Например, при пере­ плаве высокохромистых сталей одним из доказательств всплывания включений является появление в верхней части слитка пленки окислов хрома, которая, как известно, обладает характерным зеленым цветом.

Сталь, переплавленная в вакуумных дуговых печах, уступает по чистоте металлу, полученному в индукционных вакуумных печах, но плавка в дуговой печи позволяет постоянно, от плавки к плавке, получать чистый металл, значительно лучший, чем самые отборные плавки на воздухе.

Двойной переплав стали в вакууме вполне обоснован; такой пере­ плав титана и циркония производится регулярно, причем стоимость его

невысока. Сталь, выплавленная на воздухе и обладающая какими-либо дефектами, может быть дважды переплавлена в вакууме с целью полу­ чения здорового слитка; при этом его структура получается лучшей, чем у металла высшего качества. В нижеследующей таблице сравнива­ ется содержание газов, степень чистоты по шкале JK и другие ха­ рактеристики стали 4340, выплавленной на воздухе, после первого и второго переплава в вакууме. Данные, приведенные в таблице, имеют обобщающий характер, поскольку сравнивается не одна и та же плавка в процессе ее передела, а различные плавки.

Сравнение свойств стали 4340, выплавленной на воздухе и после повторного вакуумного переплава

(Таблица составлена по данным 4 плавок)

в вакууме, до промышленного применения этого метода еще далеко. Более полные данные для стали 4340 получены фирмой <3лиджени лудлум» на слитках крупного сечения. Установлено, что после переплава в вакууме наблюдается значительное улучшение механических свойств.

Для того чтобы получить высокое качество металла и после первич­ ного переплава в вакууме, следует работать с электродами, обладаю­ щими достаточной степенью чистоты. Необходимо принимать во внимание, что марганец в процессе плавки в вакууме испаряется; следует также стремиться к минимальному содержанию серы в электродах.

Наиболее важной особенностью переплава в вакууме является то обстоятельство, что окислы, силикаты, нитриды алюминия и титана, а также другие включения перераспределяются в процессе переплава либо частично всплывают (флотируются).

Д ж. Х эм

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы достигнуты большие успехи в плавке металлов с высокой реакционной способностью. В связи с тем, что индукционные печи обладают рядом существенных недостатков, широкое распростране­ ние получила плавка в дуговых печах. Одним из вариантов дуговой плавки в охлаждаемой изложнице является плавка в автотигле, представляющем собой тигель, образованный из корки расплавляемого металла. Возмож­ ность плавки в автотигле обеспечивается регулированием подводимой мощности и отводом тепла через корку твердого металла. Вообще говоря, все печи с охлаждаемыми изложницами являются печами с автотиглем, так как брызги и капли жидкого металла, падая на холодную поверхность изложницы, мгновенно затвердевают, образуя тонкую корку (настыль) металла, которая отделяет ванну от стенки изложницы. Однако сделать обратное заключение, а именно что печи с автотиглем являются печами с изложницей, нельзя. В печах с автотиглем корпус последнего изго­ товляется из стали, графита или огнеупорных материалов, в связи с чем он может выдерживать значительные температуры.

Разливка металла в печах с автотиглем может быть осуществлена либо через дно тигля, либо путем его наклона. Такие печи могут быть двух типов: с расходуемыми и нерасходуемыми электродами. По­ скольку металл, предназначаемый для разливки, находится к ее началу

вжидком состоянии, однородность сплава не зависит от однородности электрода или от точности работы приспособлений, подающих легирую­ щие добавки. Поэтому даже в мощных печах можно гарантировать полное перемешивание металла. Другое важное преимущество печей с автотиглем заключается в том, что они могут быть использованы для получения отливок различной формы. Печи с автотиглем значительно сложнее, чем обычные печи с водоохлаждаемым тиглем, поэтому они используются только

втех случаях, когда применение дуговых вакуумных печей невозможно. Получение слитков чистых металлов в автотиглях вряд ли может быть чем-либо оправдано, так как изготовление расходуемого электрода и про­ изводство однородного по составу слитка не является в данном случае серьезной проблемой. Кроме того, плавка в автотиглях характеризуется большими литейными потерями за счет усадки и т. п. Однако в тех слу­ чаях, когда из исходной шихты невозможно или затруднительно изготовить однородный по составу расходуемый электрод, плавка в автотиглях имеет существенные преимущества перед другими методами, так как примене­ ние ее гарантирует однородное распределение легирующих элементов.

Наиболее важными преимуществами метода плавкй в автотиглях являются: 1) возможность добавок скрапа различной величины; 2) воз­ можность выдерживать жидкий металл в тигле столько времени, сколько необходимо для проведения химического анализа с целью корректирова­ ния состава металла до заливки его в форму (это особенно важно в тех случаях, когда точный анализ исходной шихты неизвестен).

При изготовлении точного литья из металлов и сплавов, обладаю­ щих высокой реакционной способностью, описываемый метод плавки в автотйгле является единственно возможным, так как огнеупорные тигли часто не пригодны для плавки таких металлов.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ПЕЧИ

На фиг. 1 показано внутреннее устройство простейшего типа печи с автотиглем диаметром 225 мм. К внешней поверхности медной излож­ ницы припаян медный змеевик, по которому циркулирует охлаж­ дающая вода. Тигель можно наклонять для выпуска металла. Вольфра­ мовый электрод в конце плавки перемещают вперед для расплавления

Фиг . 1. Внутреннее устройство простейшего типа печи с автотиглем.

и удаления металла, закристаллизовавшегося в сливном носке. Печь используется в первую очередь для экспериментального производства точного литья из титана. Электрод представляет собой торированный воль­ фрамовый стержень диаметром 12^7 мм и длиной 62 мм, срок службы которого составляет около 15 плавок. На продолжительность службы электрода влияют брызги металла и содержание хлорида магния в титане. Обычно плавку ведут в контролируемой атмосфере аргона, гелия или в их смеси при давлении 200—250 мм рт. ст.

Расход воды для охлаждения электрода составляет 2—4 л/мин. Потери тепла с охлаждающей водой не превышают 5% от общей мощности печи. Количество металла, которое можно расплавить в этой печи без чрезмерного перегрева воды, значительно увеличивается, если после разливки удалить корку металла и (или) поместить тонкий слой

Устройство для подачи электрода с зубчаткой и передаточной цепью смонтировано в верхней части трубчатого 1,5-метрового кожуха (на фи­ гуре не показано).

Водоохлаждаемый медный стержень проходит через вакуумное уплотнение в верхней части корпуса. Это позволяет вести плавку

Фи г. 3. Внутреннее устройство дуговой печи, показанной на фиг. 2.

ввакууме с расходуемым электродом или в атмосфере аргона; кроме

того, печь может работать либо с автотиглем, либо как дуговая печь с медной водоохлаждаемой изложницей, которая устанавливается в нижней части печной камеры (автотигель поворачивается на 180° вокруг своей оси и удаляется). В этой печи можно отливать слитки или отливки, используя расходуемые или нерасходуемые электроды.

При проведении исследований иногда весьма важно отливать в атмо­ сфере аргона тонкие длинные слитки из металла, выплавленного в авто­ тигле. Слитки затем используются в качестве расходуемых электродов