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

татом того, что при длинной дуге тепловые потери из зо­ ны плавления перекрывают увеличение мощности дуги, связанное с ростом напряжения. Повышенному излуче­ нию тепла на кристаллизатор благоприятствует и насту­

ограничиваться применением эмпирических формул, в ко­ торые напряжение не вводится. Предложено несколько вариантов'таких формул, в той или иной степени учиты­ вающих непостоянство удельной скорости плавления, рассчитанной на единицу силы тока. Для кристаллизато­ ров диаметром до 400—500 мм скорость плавления при обычно применяемых рабочих режимах лучше всего, на наш взгляд, выражать через силу тока:

а— константа, определяемая экстраполяцией опыт­ ных данных на нулевую скорость плавления. В действительности, как это показано, напри­ мер, М. Е. Альперовичем [30], плавление мо­

жет прекращаться при значениях силы тока, заметно превышающих а.

Для определения ka и а наряду с результатами ста­ тистической обработки данных, полученных на промыш­ ленных плавках стали разного химического состава, про-

31

вели ряд опытных плавок стали 12Х2Н4А в кристаллиза­ торах диаметром 200, 320, 400 и 460 мм. Отношение пло­ щадей сечения электрода и кристаллизатора (степень экранирования) во всех случаях было одинаковым и рав­ нялось 0,5. Диапазон применявшихся значений силы то­ ка переплава соответствовал линейной плотности тока I/DK от 140 до 400 А/см. Полученная линейная зависи-

Ѵп,г'/с

Таким образом, для стали 12Х2Н4А приведенная удельная скорость плавления kn оказалась равной 11,4 г/(кА-с). По средиестатическим данным эта кон­ станта имеет близкие значения и для многих других кон­ струкционных сталей, хотя сталь с повышенным содер­ жанием марганца, как правило, плавится сравнительно медленно:

32

Подобное влияние марганца на скорость плавления пизкоутлеродпстой стали наблюдалось и в лаборатор­ ном исследовании [31]. Снижение скорости было замет­ но во всем интервале концентраций — от 0,5% до 5,0% (рис. 9). Причины такой роли марганца пока не установ­ лены. Можно предположить, что уменьшение скорости плавления вызвано либо дополнительными потерями теп-

Содермание марганца 6злептроде, %

Рис. 9. Влияние содержания марганца в электродах на скорость плавления при ВДП в кристаллизаторе диамет­ ром 80 мм (цифры у кривых — сила тока, кЛ) [31]

ла на испарение, либо изменением условий эмиссии элек­ тронов в катодных пятнах.

Ранее мы уже отмечали ограниченную применимость эмпирического уравнения (9). Не следует, например, пытаться определять с его помощью скорость плавле­ ния в кристаллизаторах большого диаметра (800— 1000 мм и более), а также при очень низкой силе тока. Кроме того, необходимо иметь в виду, что иа скорость плавления влияет также и соотношение размеров элек­ трода и кристаллизатора, и то, что влияние этого факто­ ра чаще всего остается незамеченным, связано главным образом с его относительным постоянством.

В специальной серии опытов ' в широких пределах

1 При участии Ю. В. Кофмана и Р. Ф. Максутова.

лось, что скорость плавления тем больше, чем меньше сечение электрода (табл. 3).

Из табл. 3 видно, что удельная скорость плавления практически не меняется, если одновременно с размером электрода меняется и диаметр кристаллизатора, а отно­ шение площадей их остается постоянным. Ускоренное плавление тонких электродов, вероятно, связано с изме­ нением баланса тепла.

Т а б л и ц а 3

Влияние диаметра электрода и кристаллизатора на скорость плавления стали ЗОХГСНА

На основе анализа скорости плавления можно попы­ таться оценить распределение энергии дуги между рас­ ходуемым электродом и жидкой ванной. Судя по вели­ чине катодного падения напряжения, на торце расходуе­ мого электрода выделяется, как отмечалось ранее, по­ рядка 80—85% мощности дуги. Однако на плавление электрода идет далеко не вся эта энергия.

Выполним несложный расчет энергозатрат на плав­ ление электрода из обычной среднеуглеродистой стали. На нагрев до температуры плавления и расплавление 1 кг стали требуется 0,34 кВт-ч энергии. Так как приве­ денная удельная скорость плавления, отнесенная к 1 кА, составляет обычно 11,0— 11,4 г/(кА-с), то затрачиваемая на плавление мощность равна 11,2-3600X0,34-10-3 = = 13,7 кВт/кА. Если катодное падение равно 19 В, то вы­ деляющаяся в катодных пятнах мощность составляет 19 кВт/кА и, следовательно, на плавление расходуется примерно 70—75% этой мощности, или 55—60% полной мощности дуги. Остальная энергия, выделяющаяся на

34

36

Как уже указывалось, в результате перераспределе­ ния тепла жидкая ванна получает около половины энер­ гии дуги. Она расходуется на компенсацию потерь тепла с зеркала ванны, а также на перегрев жидкого металла.

Исследование температурного поля слитка пли хотя бы его жидкой части в условиях вакуумной дуговой плавки сопряжено с преодолением значительных техни­ ческих трудностей, поэтому не всегда дает падежные и воспроизводимые результаты.

Авторы [35], предпринимая попытку такого исследо­ вания, исходили, по-видимому, из представления, что должна существовать некоторая стабильная температу­ ра жидкой ванны. Поэтому они вводили в металл термо­ пару погружения и продолжали наплавлять слиток до тех пор, пока, по крайней мере, в течение 1 мин стрелка показывающего прибора не фиксировала одной и той же температуры, которую и принимали за температуру ван­ ны. Полученный таким образом перегрев был незначи­ тельным — на уровне 35-—50° С и очень слабо зависел от силы тока. Однако, учитывая заведомую неоднородность

дится значительная э. д. с. В связи с этим приняли сле­ дующую методику измерения. Перед окончанием плавки термопару с помощью специального устройства (рис. 11) опускали в зазоре между электродом и стенкой кристал­ лизатора до уровня ванны, прогревали в течение не­ скольких минут вблизи дуги, а затем опускали в жидкий металл и вводили под электрод. Глубину погружения регулировали, изменяя угол наклона чехла термопары.

самопишущего прибора скачком устанавливалась дейст­ вительная температура металла. После этого термопара фиксировала кривую охлаждения слитка в месте ее рас­

37

38

вііснмо от силы тока (в исследованных пределах, т. е. до 6 кА в кристаллизаторе диаметром 280 мм) не превышал

60°С (рис. 12).

Характер изменения температуры показывает, что по мерс приближения к фронту затвердевания ее гради­ ент уменьшается и что с повышением тока значение гра­ диента у фронта в осевой зоне слитка, несмотря на рост температуры поверхности, становится меньше. При силе

кой вампы. Наиболее вероятной причиной этого является то, что слиток в верхней своей части находится в контак­ те со стенкой кристаллизатора, обеспечивающем срав­ нительно быстрый отвод тепла '. В результате рост глу­ бины ванны с увеличением силы тока ведет к уменьше­ нию температурного градиента у фронта затвердевания в осевой зоне слитка.

В другой серии опытов 21 ставилась задача выявить влияние на перегрев поверхностного слоя размера кри­ сталлизатора, силы тока и температуры плавления пере­ плавляемого металла. Провели замеры температуры при переплаве стали ШХ15, жаропрочного сплава ХН77ТЮР в кристаллизаторах диаметром 130, 280 и 380 мм. Абсо­ лютные значения температуры (табл. 6) растут с увели­ чением силы тока, а при заданной силе тока — с умень­ шением диаметра слитка. Для стали ШХ15 при прочих равных условиях они выше, чем для ХН77ТЮР. Это дает основание сопоставлять степень перегрева металла над точкой плавления, которая, согласно предложенной Л. Н. Белянчиковым3 формуле, является экспоненциальной

туры примерно совпадает с высотой этого контактирующего пояска.

2 Работа проведена на ЗМЗ и в Челябинском НИИМ А. П. Ка­ рякиным.

3 Беляичиков Л. Н. Исследование технологических параметров

вакуумной дуговой плавки сплавов на железной основе. Автореф. канд. дне. М„ 1962.

39

Т а б л и ц а G

Влияние диаметра слитка, силы тока и материала электрода на температуру понерхности жидкой ванны

где Агфах— максимально возможный перегрев метал­ ла при D J I —^0;

ß— постоянная величина.

Если эта формула справедлива, то lgA^ должен ли­ нейно зависеть от D J1. График, построенный в соответ­ ствующих координатах (рис. 13), в общем подтверждает это, однако формула (10) нуждается в уточнении. Из формулы (10) следует, что отсутствие перегрева поверх­ ности слитка возможно лишь при 1 — 0. В то же время хорошо известно, что при некоторых значениях силы то­ ка, отличных от нуля (с увеличением размера слитка они растут), наплавляемый металл сразу же затверде­ вает, по существу, без образования жидкой ванны. Сле­ дует предположить, что перегрев в этом случае равен нулю. Это подтверждается и сделанным на рис. 14 со­ поставлением данных [36] о степени перегрева с глуби­ ной жидкой ванны в близких по размеру кристаллизато­ рах диаметром 260—280 мм. Обе величины приближа­ ются к нулю в одном и том же достаточно узком интер­ вале силы тока — порядка 2,5—3,0 кА. Правильнее, повидимому, искать зависимость перегрева не от абсолют­ ной величины силы тока, а от разности / — Іт ах, где /,„ах — максимальная сила тока, при которой не образу­

40