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

ется жидкой ванны. Такой подход особенно необходим при оценке возможного перегрева металла в кристалли­ заторах большого диаметра.

На распределении тепла в жидкой ванне сказывает­ ся, очевидно, и ее динамическое состояние. Хорошо изве­ стно, например, что вызываемое взаимодействием маг­ нитного поля с протекаю-

С,°Перегреб

ном уменьшении градиента, если ие полном его исчезно­ вении. Измерения температуры стали ШХ15 [38] на пе­

леноида снижает температуру поверхностного слоя жид­ кой ванны с 1580 до 1510° С, а величина температурного градиента у фронта затвердевания уменьшилась при этом с 6—7 до 2—3°С/см. Вероятной причиной такого снижения является ускорение передачи тепла за счет вы­ нужденной конвекции в самой жидкой вампе, а также на

41

границе раздела ее с двухфазной областью. Нельзя ис­ ключать и того, что продольное магнитное поле может непосредственно сказываться на распределении тепла дугового разряда и, следовательно, — на температуре жидкой ванны.

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООТВОДА ПРИ ВАКУУМНОЙ ДУГОВОЙ ПЛАВКЕ

Выделяемое в дуговом разряде тепло расходуется, как было показано, на плавление, перегрев и частичное ис­ парение металла, а также па возмещение потерь излу­ чением самой дуги II зеркала жидкой ванны. Из слитка одновременно отводится теплота затвердевания и часть аккумулированного тепла. Вся эта тепловая энергия пе­ редается через стенку кристаллизатора охлаждающей воде. От условий теплопередачи зависит баланс тепла и, следовательно, температура жидкой ванны, а главное — скорость кристаллизации металла.

Процесс теплоотвода по отношению к кристаллизато­ ру в целом нестационарен: в ходе наплавления слитка непрерывно меняется величина тепловых потоков и их распределение по высоте кристаллизатора. В то же вре­ мя по достижении слитком высоты, примерно равной его радиусу, можно выделить следующие три зоны тепло­ отвода: I — излучения дугового разряда и зеркала ван­ ны; II — непосредственного контакта корочки слитка со стенкой кристаллизатора, III — теплопередачи через за­ зор между слитком и кристаллизатором. Тепловые по­ токи в зонах I и II относительно постоянны, и заметно меняется лишь поток в зоне III, увеличивающийся по мере увеличения высоты слитка. Следует заметить, что при достаточно большой длине суммарная величина этого потока стабилизируется и может даже умень­ шаться.

Наибольшие тепловые нагрузки на кристаллизатор приходятся, естественно, в зонах I и II. Так, согласно дан­ ным [39], в кристаллизаторе диаметром 280 мм при пе­ реплаве стали ШХ15 в этих зонах отводилось при силе тока 3,3; 4,2 и 5,0 кА соответственно 35, 39 и 50 квт. Сум­ марная протяженность двух зон приблизительно равна 80— 100 мм. С учетом этого удельная тепловая нагрузка составляет примерно 430—520 тыс. ккал/(м2-ч). В зо­ не III, где теплопередача осуществляется от слитка

42

к кристаллизатору преимущественно излучением, эта нагрузка на порядок меньше.

Следовательно, даже если допустить, что уровень теплоотвода в зоне плавления и непосредственного кон­ такта является предельным, приходится признать, что тепловосприпимающая способность кристаллизатора на большей части его высоты используется неэффективно. Связано это с повышенным тепловым сопротивлением зазора, особенно заметным в условиях вакуума, а также с сопротивлением закристаллизовавшейся корочки слитка.

Ограниченная интенсивность теплоотвода делает не­ возможным быстрое затвердевание металла. Как будет показано в дальнейшем, скорость продвижения фронта кристаллизации в условиях ВДП мало отличается от скорости в обычных слитках, затвердевающих в излож­ нице сравнимого сечения, и особенности процесса затвер­ девания при ВДП состоят не в ускоренном отводе тепла, а в непрерывном подводе тепла к фронту кристаллиза­ ции из жидкого металла.

ГЛАВА 3

ИЗМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

И РАФИНИРОВАНИЕ СТАЛИ ПРИ ВАКУУМНОМ ПЕРЕПЛАВЕ

Низкое давление газов над расплавом в кристалли­ заторе вакуумной дуговой печи стимулирует развитие процессов, протекающих с образованием газообразных продуктов. К этим процессам, чаще всего положительно влияющим на качество металла, в первую очередь сле­ дует отнести выделение газов — азота, водорода и кис­ лорода. Последние удаляются преимущественно в виде окиси углерода, образующейся в результате восстанов­ ления оксидных включений. Наряду с этим и кислород, и в некоторой степени азот могут удаляться также путем механического всплывания или выделения твердых либо жидких частиц на поверхность расплава.

Протеканию всех этих процессов способствует значи­ тельная удельная поверхность пленки жидкого металла на электроде, а также жидкой ванны, и относительно не­ большая скорость плавления расходуемого электрода.

43

В то же время дуговая вакуумная плавка сопровож­ дается и некоторыми отрицательными явлениями. В ча­ стности, испарение компонентов, обладающих при температуре процесса высокой упругостью пара, может вести не только к рафинированию переплавляемого ма­ териала от примесей цветных металлов, но и существен­ но изменять содержание основных легирующих элемен­ тов. На практике это в наибольшей степени относится к марганцу, потери которого при ВДП нередко достига­ ют 30% и более, в то время как содержание других эле­ ментов, в частности, хрома, кремния, никеля, молибдена, вольфрама, титана, алюминия, по существу не меняет­ ся [40].

Многочисленными исследованиями установлено, что полнота удаления из металла газов и включений зави­ сит от многих факторов. В их числе технология выплав­ ки исходного металла, в особенности, способ раскисле­ ния, электрический и вакуумный режим переплава. Усло­ вия переплава существенно влияют также и на процессы испарения, поэтому необходим более подробный анализ закономерностей протекания этих процессов и их связи с технологией переплава.

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИСПАРЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ

И ДЕГАЗАЦИИ МЕТАЛЛА ПРИ ВДП

Переход компонента из расплава в газовую фазу — сложный многоступенчатый процесс. Его скорость в ус­ ловиях вакуума лимитируется либо массопереносом компонента из расплава к поверхности раздела ме­ талл — газ, либо собственно актом испарения (десорб­

ции) .

В случае, когда лимитирующей стадией является массоперенос, изменение концентрации элемента в рас­ плаве описывается кинетическим уравнением первого порядка [41]:

44

Поскольку в условиях вакуумной плавки равновес­ ная концентрация ряда элементов, например марганца, азота и водорода, значительно ниже фактически дости­ гаемой, уравнение (11) можно записать в более простой форме:

dx V

Процесс может быть описан аналогичным по форме уравнением и в том случае, когда самой медленной его стадией оказывается десорбция атомов с поверхности расплава:

dx V

Для двухатомных газов это уравнение неприменимо, так как для них должна была бы соблюдаться квадра­ тичная зависимость скорости испарения от концентра­ ции. Если в дальнейшем, анализируя процесс удаления азота и водорода, мы и станем пользоваться уравнением первого порядка, то лишь потому, что этот процесс, по мнению большинства исследователей, лимитируется не десорбцией, а массопереносом.

В уравнениях (12) и (13) различны, несмотря на оди­ наковую размерность (см/с), лишь удельные константы скорости /(д и Ки- Первая из них имеет физический смысл коэффициента массопереиоса и равна отношению коэф­ фициента диффузии D к толщине так называемого непромешиваемого (диффузионного) слоя б. Вторая кон­ станта, в соответствии с известным уравнением Лэнгмюра, может быть представлена в следующем виде:

где а — коэффициент, учитывающий частичное возвра­ щение испарившихся молекул или атомов в расплав;

р°— упругость пара элемента при данной темпера­ туре;

у— коэффициент активности;

р— плотность;

М — молекулярная масса; Т — температура металла; R — газовая постоянная.

45

и испарения — соизмеримы. При этом обе они в той или иной степени контролируют переход в газовую фазу. Эффективная суммарная константа скорости такого про­ цесса складывается из коэффициента массопереноса

После интегрирования и замены Ки и /Сд па К с урав­ нения (12) и (13) приобретают более удобный для прак­

где С0 и С — начальная и конечная концентрации компо­ нента. Отношение S/V в этом уравнении представляет собой удельную поверхность расплава.

Следует отметить, что непосредственное применение

т. е. скорость испарения на этих участках может сущест­ венно различаться. Наконец, существует мнение [43], что на эффекте испарения металлов может сказываться ионизирующее действие дугового разряда: в результате ионизации атомов в межэлектродном промежутке испа­ ряющая поверхность ограничивается зазором между электродом и стенкой кристаллизатора.

Во-вторых, недостаточно определенен и объем жидко­ го металла V. Отождествляя его с объемом жидкой ван­ ны, мы не учитываем возможность испарения на электро­ де. Кроме того, сама жидкая ванна непрерывно обнов­ ляется: часть металла затвердевает, вместо него в ван­ ну поступает расплав с электрода.

46

Неясно также, чем руководствоваться при определе­ нии времени испарения, которое в значительной степени зависит от других факторов, в частности от того, на ка­ кой поверхности преимущественно идет этот процесс.

Эти затруднения делают необходимым формальный подход к описанию рассматриваемых явлений, облегчаю­ щий анализ экспериментальных данных п позволяющий, в конечном счете, сделать ряд выводов о месте и меха­ низме испарения ряда компонентов при ВДП.

Временно отказавшись от поисков действительной поверхности испарения, примем, что площадь ее равна площади сечения кристаллизатора 5,;. Объем жидкой фазы и время процесса необходимо определять одновре­ менно. Так, если в качестве объема принять объем жид­ кой ванны, то в качестве т в формуле (16) должно фигу­ рировать время пребывания ванны в жидком состоянии.

что за время переплава тп он полностью проходит через

При подстановке в формулу (15) получим

Эффективная константа скорости К'с в этом выраже­ нии отличается от реальной константы прежде всего по­

ствляется лишь на части зеркала ванны, например в за­

зоре между стенкой кристаллизатора и электродом, то а5> 1 .

47

В результате получаем формулу для определения эф­ фекта испарения или дегазации при ВДП в следующем виде:

Несмотря па то что это соотношение окажется весь­ ма полезным при анализе поведения некоторых приме­ сей и газов в условиях переплава, оно все же не учиты­ вает влияния ряда технологических факторов столь же полно, как это удается например при вакуумной индук­ ционной плавке. Для индукционной печи более строго и точно определяются поверхность и время испарения, объем жидкого металла.

Еще одна особенность ВДП состоит в том, что изме­ нение отдельных факторов плавки неизбежно влечет за собой отклонения и по другим параметрам. Так, напри­ мер, увеличение силы тока одновременно повышает ско­ рость плавления электрода, температуру жидкой ванны и, по-видимому, степень ионизации паров в дуговом про­ межутке. Все это затрудняет выделение в чистом виде роли различных факторов и побуждает рассматривать константу скорости /Со лишь в качестве условно постоян­ ной величины, отражающей в обобщенном виде условия дистилляции примесей пли дегазации металла при ВДП.

Эти явные недостатки представленной модели процес­ са можно частично компенсировать сопоставлением ки­ нетических характеристик, полученных при анализе ва­ куумного дугового переплава, с аналогичными характе­ ристиками, найденными в условиях плавки в вакуумной индукционной печи. Сопоставимость результатов в этом случае может быть обеспечена, если применить для оценки эффективности процессов испарения и дегаза­ ции в обоих агрегатах выражение

где % — приведенное время плавки (с/см), равное в слу­ чае ВДП — , а в случае ВИП тS/V и учиты-

вающее, что значимость единицы времени ис­ парения тем выше, чем больше удельная по­ верхность расплава SJV.

48

Описанные закономерности целесообразно использо­ вать для анализа процессов испарения из металла при ВДП некоторых элементов, а также удаления раство­ ренных газов, прежде всего азота и водорода.

ИСПАРЕНИЕ МАРГАНЦА

Интенсивному испарению марганца при переплаве марганецсодержащей стали способствует высокая упру­ гость пара этого элемента в диапазоне температур, наб-

Рис. 15. Изменение содержания марганца в конструкционной стали при ВДП в кристаллизаторе диаметром 400 мм и силе тока 7,0—7,5 кА

людаемых обычно в зоне плавления. О доле марганца в составе выделяющегося из этой зоны пара можно су­ дить по содержанию его в конденсате на стенках кри­

правило, для одних и тех же условий переплава наблю­ дается линейная зависимость между исходным и конеч­ ным содержанием марганца. Такая зависимость показа­ на на рис. 15, на котором обобщены результаты плавок, проведенных в кристаллизаторе диаметром 400 мм при силе тока 7—7,5 кА. Среднее значение потерь независи-

мо от исходного содержания марганца, менявшегося в достаточно широких пределах, составило для указан­ ного варианта технологии ~ 40% . Как видно из табл. 7, эта величина заметно зависит от скорости плавления и

диаметра слитка.

Т а б л и ц а 7

С увеличением скорости плавки потери марганца за­ метно уменьшаются, а при одинаковой скорости с увели­ чением диаметра слитка — растут.

Анализ влияния всех этих факторов целесообразно, по-видимому, провести с использованием формальной модели, описанной в предыдущем параграфе. В ходе этого анализа необходимо уточнить, что следует пони­ мать под поверхностью испарения, а также попытаться выяснить, какая стадия процесса является лимитирую­ щей. Ответить на эти вопросы помогут результаты ис­ следований, проведенных с изменением в широком диа­ пазоне условий переплава, и сопоставление этих резуль­

т. е. потери этого элемента должны зависеть от площади поверхности испарения, учитываемой коэффициентом

50