книги из ГПНТБ / Сергеев, А. Б. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали

21

Приведенные данные свидетельствуют о том, что нор­ му натекания перед началом плавки целесообразно уста­ навливать с учетом времени откачки. Так, согласно рис. 2, эта норма может быть установлена равной 200 л-мкм/с после 15 мин откачки или 50 л-мкм/с после откачки в течение 30 мин.

Электрический режим переплава

Собственно процесс переплава можно разделить на три этапа: наведение жидкой ванны, стабильное плав­ ление и выведение усадочной раковины. Плавка начина­ ется с зажигания дуги между торцом электрода и укла­ дываемой на поддон затравочной шайбой или стружкой. Режим начальной стадии плавки обычно выбирают та­ ким образом, чтобы обеспечить быстрое образование жидкой ванны. С этой целью силу тока повышают на 20—30% по сравнению с номинальной.

Рабочее значение силы тока определяется прежде всего диаметром кристаллизатора и материалом элек­ трода. Зависимость силы тока от диаметра при измене­ нии последнего в небольших пределах можно считать прямо пропорциональной. Так, для кристаллизаторов диаметром 300—600 мм оптимальные значения силы то­ ка при переплаве конструкционной стали соответствуют линейной плотности порядка 150—200 А на 1 см диамет­ ра. В то же время при переходе от малых и средних кри­

рост оптимальной силы тока, как правило, несколько опережает увеличение диаметра, а для высоколегирован­ ных жаропрочных сплавов существует обратная тен­ денция.

При назначении электрического режима учитывают и состав переплавляемого металла, его склонность к об­ разованию тех или иных ликвационных дефектов: стали, склонные к ликвации, переплавляют при относительно низких значениях силы тока.

С самого начала плавки важно поддерживать опти­ мальную длину дугового промежутка. Это обеспечивает постоянство формы оплавления торца электрода и рас­ пределения энергии в зоне дуги — необходимое условие получения однородного слитка. В технологических инст­ рукциях обычно задают вместо длины дуги напряжение,

22

однако все чаще регламентируется не этот вторичный параметр, а длина дугового промежутка. Ее более точ­ ному регулированию в необходимых пределах и воспроиз­ водимости от плавки к плавке способствует усовершенст­ вованная методика замера напряжения на дуге [16, 25], состоящая в том, что напряжение измеряют не между двумя разноименными шинами, а между верхним тор­ цом расходуемого электрода и фланцем кристаллизато­ ра. При этом в измеряемую разность потенциалов не входит непостоянное падение напряжения на ряде уча­ стков короткой сети, в том числе в зажиме электродо­ держателя, и эта разность очень мало отличается от истинного напряжения на дуге.

Режим заключительной части плавки выбирают та­ ким образом, чтобы обеспечить минимальную обрезь от верха слитка. При этом учитывают наряду с влиянием режима на расположение усадочной раковины повышен­ ный угар марганца, наблюдаемый при снижении силы тока переплава. В результате верхнюю часть слитка, годную по макроструктуре, не удается использовать вследствие неравномерного распределения марганца. В связи с этим выведение усадочной раковины путем по­ степенного снижения силы тока или резкого снижения силы тока с обогревом дугой малой мощности практику­ ется только при переплаве сталей и сплавов с низким или же с ненормированным содержанием марганца. Для большинства конструкционных сталей целесообразно за­ канчивать плавку на рабочей силе тока. Возможно так­ же выведение усадочной раковины с подачей в печь аргона.

После окончания плавки слиток некоторое время ох­ лаждается в вакууме. Продолжительность выдержки сле­ дует определять, исходя из примерного количества жид­ кого металла в верхней части слитка к моменту выклю­ чения. После выведения усадки выдержку слитков диаметром 300—500 мм можно ограничить 5—15 мни.

Верхняя часть слитка, извлеченного из кристаллиза­ тора, обычно нагрета до 900— 1000° С, поэтому слитки стали и сплавов, склонных к образованию трещин, сразу же помещают в футерованный неотапливаемый колодец, обеспечивая тем самым замедленное охлаждение. За­ тем слитки обдирают на токарных стайках на глубину 5—20 мм в зависимости от диаметра. Конструкционную сталь перед обдиркой, как правило, подвергают умягча­

23

ющему отжигу. Дальнейший передел слитков ВДП (ков­ ка или прокатка) не отличается от передела обычных слитков.

СТРУКТУРА СЕБЕСТОИМОСТИ СТАЛИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПЕЧЕЙ

Повышенная стоимость металла, переплавленного в вакуумной дуговой печи, несмотря на очевидное улуч­ шение качества по сравнению с металлом обычной вы­ плавки, может в ряде случаев сдерживать его исполь­ зование в машиностроении. Прежде всего это относится к машинам и изделиям, в стоимости которых сравнитель­ но велика доля, приходящаяся на материалы. В то лее время известно множество примеров, когда эта доля очень мала и не превышает нескольких процентов, а наи­ более существенной статьей себестоимости является об­ работка. При этом повышенные затраты на производство металла уже не могут играть определяющей роли. При­ менение относительно дорогого металла, иногда даже дважды переплавленного в вакуумной дуговой печи, мо­ жет быть вызвано тем, что на конечных стадиях сложной многоступенчатой обработки изделий выявляются раз­ ного рода дефекты, связанные с наличием в металле во­ лосовин, грубых неметаллических включений, пор и т. п. Однако, несмотря на все это, остается актуальной проб­ лема уменьшения затрат и в сфере металлургического производства, т. е. снижения себестоимости стали.

Известно, что себестоимость продукции зависит от многих факторов, в том числе от масштабов производ­ ства и его технической оснащенности. Поэтому следует рассматривать лишь как приблизительное приводимое ниже соотношение основных затрат в структуре цеховой себестоимости слитков стали ВДП. Экономические пока­ затели производства среднелегированной конструкцион­ ной стали 1 в цехе среднего масштаба приведены ниже:

1 Подробный анализ себестоимости жаропрочного сплава можно найти в работе [26].

24

Следовательно, большая часть затрат при производ­ стве слитков среднелегнрованной стали методом ВДП приходится на изготовление расходуемых электродов, а на остальные статьи (назовем условно их совокуп­ ность «расходами по переделу») приходится примерно 30—40%. В то же время стоит отметить, что этот показа­ тель еще ниже для сложнолегированных сталей и осо­ бенно для сплавов на никелевой основе:

приятия по снижению себестоимости отдельных сталей и сплавов могут оказаться совершенно различными. При производстве дорогостоящих сложнолегированных ста­ лей и сплавов основное внимание необходимо уделять снижению затрат на производство расходуемых электро­ дов и повышению выхода годного. Для недорогих сталей могут оказаться эффективными и мероприятия по сни­ жению расходов по переделу, особенно повышение про­ изводительности печей.

Часовую производительность непрерывно работаю­ щей вакуумной дуговой печи можно представить в сле­

25

Причем для конструкционной стали можно принять, что Ші= 36,4/ кг/ч, где / — сила тока, кА.

Сделаем еще ряд допущении, полезных для последу­ ющего анализа. Условимся, что переплав в различных по диаметру D K кристаллизаторах ведется при одинаковой линейной плотности тока //Д ;= 200 А/см и что отноше­ ние длины слитка к его диаметру постоянно и равно 4. Вспомогательное время для разных кристаллизаторов будем считать линейной функцией диаметра:

В результате и числитель, и знаменатель в формуле (2) удается выразить через диаметр слитка, и она приобре­ тает следующий вид:

Если учесть значимость отдельных слагаемых знаме­ нателя, то окажется, что при больших D K производитель­ ность примерно прямо пропорциональна диаметру. На графике (рис. 4) наряду с влиянием диаметра кристал­ лизатора на производительность показано также измене­ ние выхода годного, представляющего собой отношение

массы ободранного слитка без головной и донной обрези к массе чернового слитка. При подсчете выхода годно­ го приняли, что головная и донная обрезь пропорцио­ нальна диаметру кристал­ лизатора и составляет соот­ ветственно 0,4DK и 0,2D„, а

глубина обдирки слитка во всех случаях одинакова и

0,75 СМ. Эти

>

В 00Щ 6М бЛИЗКИ К реаЛЬНЫМ,

а полученные результаты

26

свидетельствуют о том, что увеличение диаметра слитка ведет лишь к небольшому приросту выхода годного ме­ талла. Дополнительные возможности его повышения мо­ жно усмотреть в увеличении длины слитков, а также в дальнейшем сокращении потерь металла в виде обрези

и стружки.

Таким образом, при данной конструкции печей и тех­ нологий переплава основные технико-экономические по­ казатели— производительность агрегата и выход годно­ го-— зависят главным образом от диаметра кри­ сталлизатора. Экономически целесообразно применять кристаллизаторы возможно большего размера, ограни­ чиваемого, однако, возможностями передельного обору­ дования, увеличением затрат на деформацию слитков, особенностями свойств стали и сплавов некоторых марок и другими факторами.

Г Л А В А 2

НАГРЕВ И ПЛАВЛЕНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ ВДП

Как и для всякого металлургического способа про­ изводства, основой ВДП является нагрев и плавление металлического электрода. Характер и скорость этих процессов определяются специфическими свойствами, а также мощностью источника тепла — электродугового разряда.

ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ РАЗРЯД В ВАКУУМЕ

При вакуумном переплаве в связи с низким остаточ­ ным давлением газов и форма дугового разряда, и ос­ новные его параметры заметно отличаются от соответ­ ствующих характеристик обычной электрической дуги, наблюдаемой при атмосферном давлении. Ряд особенно­ стей «вакуумной» дуги способствует осуществлению основных функций ее при ВДП. Прежде всего это высо­ кая концентрация энергии на катоде, которая обеспечи­ вает преимущественное выделение тепла там, где оно более всего необходимо — на торце плавящегося элек­ трода (при обычно применяемой прямой полярности дуги). О том, что на катоде выделяется до 80—85% энер­ гии дуги, можно судить хотя бы по величине катодного падения напряжения, составляющего, как' известно, при

27

переплаве стали около 19 В [27], в то время как полное напряжение на дуге обычно составляет 23—25 В. Другая особенность катодного тепловыделения состоит в том, что оно сосредоточено лишь в отдельных участках срав­ нительно небольшого размера — так называемых катод­ ных пятнах. Плотность тока в них на несколько поряд­ ков превышает средние значения, рассчитанные для электрода в делом. По разным данным, она составляет на стали до 5 -ІО3 А/см2. Это не может не вызвать силь­ ного локального перегрева металла в зоне каждого ка­ тодного пятна. Температура в них достигает точки кипе­ ния переплавляемого материала (для стали 2700—

3000° С).

Высокая концентрация энергии в отдельных участках поверхности катода вызывает бурное вскипание металла и тем самым автоматически создается среда, необходи­ мая для поддержания дугового разряда. Именно поэтому дуговой разряд в вакууме правильнее называть разря­ дом в разреженных металлических парах.

В отличие от катодного падения напряжения анодное падение невелико. Для стали оно не превышает 1— 1,5 В. Сравнительно мало и падение напряжения в столбе дуги. Этим особенностям соответствует форма анодного пятна и столба дуги. Четко выраженного анодного пятна не наблюдается. Обычно оно растянуто по большой площа­ ди и занимает всю поверхность жидкой ванны под элек­ тродом. Это свойство дуги способствует относительно равномерному обогреву верха слитка, в том числе и его периферийной зоны, в процессе плавки.

В отличие от обычного дугового разряда в дуге низ­ кого давления не удается выделить и так называемого «шнура». Столб дуги занимает по существу все прост­ ранство, ограниченное торцом электрода и ванной. Светимость столба по сравнению с катодными пятнами и даже жидкой ванной невелика. Это связано с тем, что в столбе выделяется лишь небольшая доля мощности дуги. Падение напряжения в нем составляет обычно несколько вольт, и четкая зависимость между длиной дуги и напряжением наблюдается лишь при относитель­ но короткой дуге—порядка 2—4 см [28]. Падение на­ пряжения в столбе дуги зависит также и от силы тока, однако вследствие того, что сопротивление столба неве­ лико (ІО-4— 10_3 Ом), эта зависимость выражена слабо.

28

СКОРОСТЬ ПЛАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА

Электрическое сопротивление расходуемых электро­ дов, переплавляемых в промышленных печах, как пра­ вило, ничтожно, поэтому даже при большой силе тока в них выделяется незначительное количество тепла. Зона

Такое сосредоточение энергии в зоне плавления сви­ детельствует о том, что скорость переплава должна быть пропорциональна мощности дугового разряда:

Однако, поскольку напряжение дуги в разреженных металлических парах слабо зависит от силы тока, мож­ но с небольшой погрешностью заменить в выражении

(6) Nд величиной силы тока /:

Погрешность эта оказывает тем большее влияние, чем меньше размер электрода, так как в этом случае возрастает кажущееся сопротивление столба дуги, и на­ пряжение на дуге в большей степени зависит от силы тока. Вследствие этого на практике прямая пропорцио­ нальность между скоростью плавления и силой тока со­ блюдается далеко не всегда. Чаще всего удельная ско-

29

рость плавления, рассчитанная на 1 кА силы тока, с ро­ стом последнего увеличивается (табл. 2).

С ростом силы тока с 4,5 до 8 кА удельная скорость возросла на 10%. Примерно в такой же степени при из­ менении силы тока в этих пределах увеличивается и на­ пряжение дуги, поэтому можно предположить, что удель­ ная скорость плавления непостоянна из-за того, что мощ­ ность дуги растет быстрее, чем сила тока. Другую воз-

Таблица 2

Влияние силы тока на скорость плавления стали 40ХН2СМА при ВДП в кристаллизаторе диаметром 320 мм

(электрод 200X200 мм)

можную причину этого можно усмотреть в изменении ба­ ланса тепла в торцовой зоне электрода. Как видно из рис. 5, по мере роста скорости плавления зона интенсив­ ного прогрева вблизи торца становится меньше, и, следо­ вательно, должны уменьшаться тепловые потери. При этом можно ожидать роста удельной скорости плавле­ ния, рассчитанной на 1 кА силы тока.

Тем не менее, обычно стремятся все же выразить ско­ рость плавления через силу тока. Напряжение дуги из­ меряется, как правило, со значительной погрешностью, и, кроме того, с его ростом увеличивается не только мощность, но также и длина дуги, а это сопровождается увеличением потерь тепла из зоны плавления. В резуль­ тате, несмотря на увеличение мощности дуги, может на­ блюдаться снижение скорости плавления. В качествен­ ной форме такая неоднозначная зависимость скорости от напряжения на дуге показана на рис. 6. Левая ветвь соответствует предельно коротким дугам. Увеличение на­ пряжения в этой области не влечет за собой значитель­ ного роста тепловых потерь, так как форма оплавляемо­ го торца остается постоянной, типичной для короткой дуги (рис. 7 а). Правая ветвь на рис. 5 является резуль­

30