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

экранируемой электродом части поверхности жидкой ванны. Такой же вывод был сделан ранее и в рабо­ те [43]. Кажущееся неучастие в испарении остальной по­ верхности ванны и торца электрода связано, вероятнее всего, с ионизацией атомов марганца, находящихся в столбе дуги. Заряженные частицы удерживаются в электрическом поле, и вероятность выхода их за преде­ лы столба, по-вндимому, мала. Кроме того, может иг­ рать некоторую роль и частичная конденсация паров марганца на отдельных участках торца электрода, воз­ можная вследствие значительной разницы температур близкорасположенных поверхностей электрода и ванны.

Судить о том, насколько правильно характеризует

обширного экспериментального материала, относящего­ ся к вакуумному дуговому переплаву в кристаллизато­ рах диаметром от 200 до 460 мм (линейная плотность тока составляла от 140 до 250 А/см), а также анализ ма­ териалов опытов, специально проведенных в вакуумной индукционной печи.

На рис. 16 сопоставлена кинетика испарения марган­ ца из стали ЗОХГСНА при ВДП в кристаллизаторе диа­ метром 400 мм и в вакуумной индукционной печи с ем­ костью тигля 0,5 т. Приведенное время плавки [см. фор-

Т а б л и ц а 9

Расчетные значения констант скорости испарения марганца в условиях вакуумной индукционной и вакуумной дуговой плавки

=(140—250 А/см)

* Получено экстраполяцией.

52

мулу (21)] варьировалось в первом случае путем изме­ нения скорости плавления, а во втором — выдержки ме­ талла в тигле. Кроме того, опыты в индукционной печи провели 1 при двух разных температурах расплава. Бли­ зость кинетических характеристик испарения в двух про­ цессах несомненна.

Используя полученные результаты, рассчитали сред­ ние значения констант испарения марганца. В случае

куумной дуговой и индукционной плавок близки между собой, хотя при переплаве они оказались несколько ниже.

Эту разницу можно объяснить пониженной температу­ рой металла в периферийной части ванны, т. е. там, где и происходит в основном, согласно описанной выше ги­ потезе, испарение марганца. Еще одно подтверждение этой гипотезы можно усмотреть в характере изменения константы с ростом силы тока. Наблюдаемая при этом тенденция к уменьшению константы могла бы показать­ ся совершенно неожиданной, поскольку увеличение тока

1 При участии И. В. Халякпиа и Г. Н. Шиян

53

повышает температуру поверхностного слоя ванны й, следовательно, испарение должно ускоряться. Однако, поскольку марганец испаряется только в зазоре, где перегрев металла вообще невелик н сравнительно мало зависит от силы тока, то можно придти к заключению, что режим переплава не должен существенно сказывать­ ся на скорости испарения. В то же время от силы тока зависит, по-видимому, степень ионизации металлических паров в межэлектродном промежутке, и если ионизация влияет на эффект испарения, то с ростом силы тока сле­

предположения о том, что ионизация атомов марганца, находящихся между расходуемым электродом и поверх­ ностью ванны, препятствует их выходу за пределы этого промежутка и что результирующий эффект испарения зависит от площади незаэкранированной электродом по­

низма испарения марганца. Вопрос о лимитирующей ста­ дии процесса пока остается открытым, поскольку одни исследователи [31] полагают, что самой медленной сту­

1560— 1580°С [44], но оно основано па опытах, прове­ денных в вакуумной индукционной печи.

Заключение о том, какая стадия контролирует процесс испарения, можно сделать, рассчитав по уравнению Лэнгмюра теоретическую скорость испарения и сопоста­

Соизмеримость двух скоростей можно рассматривать как признак того, что акт испарения является одной из

54

лимитирующих стадий. В то же время такой стадией служит, по-видимому, и массоперенос. Об этом свиде­ тельствует, в частности, то обстоятельство, что фактиче­ ская скорость оказалась заметно меньше теоретической.

В условиях ВДП следует ожидать замедления обеих стадий процесса: массопереиоса в жидкой фазе, посколь­ ку в индукционной печи значительное влияние на пере­ нос вещества к поверхности оказывает электромагнитное перемешивание [44], далеко не всегда наблюдаемое при ВДП, и процесса испарения, поскольку в перифе­ рийной зоне жидкой ванны металл почти лишен пере­ грева над точкой плавления. Кстати, слабое перемеши­ вание также следует рассматривать в качестве одной из причин того, что константы скорости испарения при ва­ куумной дуговой плавке ниже, чем при вакуумной ин­ дукционной.

Роль диффузионного звена в испарении марганца пз расплава в вакуумной дуговой печи дополнительно про­ верили в серии опытов с искусственным вращением жид­ кого металла с помощью соленоида. Константа скорости испарения в этих опытах оказалась вдвое выше, чем при

обычном переплаве (табл. 10).

Таблица 10

Влияние динамического состояния жидкой ванны при ВДП на значения константы скорости испарения марганца (кристаллизатор диаметром 320 мм; сила тока 6,5 кА)

Наиболее очевидной причиной столь значительного роста константы следует, конечно, признать ускорение массопереноса в жидкой фазе — подвода атомов мар­ ганца к поверхности испарения. Но нельзя также исклю­ чать и других возможных причин, например перераспре­ деления в результате вращения температуры в поверх­ ностном слое ванны с некоторым ее увеличением в периферийной зоне, Кроме того, возможно, что магнит-

55

ііое поло, с помощью которого обеспечивается вращение, оказывает определенное влияние на степень ионизации металлических паров или на траекторию движения ионов, и это в свою очередь увеличивает суммарные по­

терн марганца.

На поведении марганца при переплаве сказывается и химический состав металла. Это обнаружено при сопо­ ставлении данных, относящихся к металлу с различным содержанием углерода [43]. Автор объясняет замедлеи-

Рнс. 17. Влияние содержания углерода в стали на констан­ ту испарения марганца К ^ п [43]:

/ — плавки с тсмператупоП плавления 1475—1500° С: // — то же. но с учетом влияния температуры па константу испаре­ ния

мое испарение марганца из стали с высоким содержани­ ем углерода двояко: с одной стороны, пониженной тем­ пературой плавления такого металла и, следовательно, уменьшением температуры ванны, а с другой стороны — влиянием углерода на коэффициент активности марган­ ца. Следует заметить, что при сравнении сталей с раз­ ным содержанием углерода, но с близкой температурой плавления (рис. 17) влияние углерода незначительно.

На основании статистических данных контроля про­ мышленных плавок в кристаллизаторе диаметром 400 мм при силе тока 7,5 кА нами подсчитаны константы скоро­ сти испарения для отдельных марок конструкционной стали:

в то же время для мягкого железа с содержанием мар-

56

ганца 0,2% константа скорости оказалась заметно выше, чем для остальных марок стали (8,8- ІО-3 см/с). Возмож­ но, это связано с повышенной температурой плавления железа.

/ — край; 2 — середина радиуса; 3 — центр слитка

Рассмотренные закономерности поведения марганца при ВДП позволяют анализировать некоторые частные случаи распределения этого элемента в слитках. Особый интерес в этом смысле представляют участки слитков, наплавляемые в нестационарном режиме, прежде всего нижняя и верхняя зоны. Содержание марганца в них, как правило, отличается от среднего (рис. 18), посколь-

ку даже при постоянной скорости плавления объем жид­ кой ванны и время пребывания металла в жидком со­ стоянии в начале и в конце плавки непостоянны.

Потери марганца из верхней части слитка резко воз­ растают в тех случаях, когда плавка заканчивается по­ степенным снижением силы тока, позволяющим умень­

57

шить глубину залегания усадочной раковины (рис. 1Ö). При этом существенно увеличивается время пребывания металла в жидком состоянии, в то время как объем ван­ ны уменьшается. Оба эти фактора способствуют усилен­ ному испарению марганца.

ИСПАРЕНИЕ МЕДИ

Среди ряда цветных металлов, обнаруживаемых обычно в качестве примесей в конструкционной стали, медь занимает особое положение. От остальных метал­ лических примесей ее отличает, во-первых, сравнительно высокая концентрация и, во-вторых, то, что современные стандарты на конструкционную сталь из всех примесей цветных металлов ограничивают, как правило, только содержание меди. Поэтому анализ поведения этого эле­ мента при вакуумной дуговой плавке представляет оп­ ределенный практический интерес.

Концентрация меди в расходуемых электродах обыч­ но составляет 0,1—0,3%, а после переплава она снижа­ ется на 10—30%. В кристаллизаторе диаметром 320 мм переплавили1 по девять электродов стали марки 50Х2НМ при двух значениях силы тока—-5,5 и 6,5 кА. Содержание меди уменьшилось в среднем па 30%. Для каждого варианта подсчитали по формуле (20) констан­ ту скорости испарения меди и для сравнения — констан­

Видно, что характер изменения константы для меди и марганца при увеличении силы тока существенно раз­ личен: константа скорости испарения меди растет, тогда как К мп уменьшается. Это различие вызвано, по-види­ мому, тем, что испарение меди в большей степени по

1 Исследование проведено совместно с И. В. Халякиным, А. Г. Шалимовым. Е. Б. Качановым.

58

сравнению с марганцем лимитируется стадией десорб­ ции атомов с поверхности расплава и, следовательно, константа скорости процесса больше зависит от темпера­ туры поверхности. В пользу такого предположения сви­ детельствует и повышенная активность меди в распла­ вах железа [45].

Рассматривая приведенные результаты, следует иметь в виду, что они относятся к конкретным условиям опыта со сталью определенного химического состава. Анализ данных промышленных плавок стали других ма­ рок с различным содержанием меди (от 0,1 до 1,0%) показывает, что значение константы испарения этого эле­

ном металле характеризуется значительно большим раз­ бросом, чем в слитке ВДП. Различен и уровень концен­ трации: более 50% плавок в исходном состоянии имеют содержание азота 0,012%, а после ВДП таких плавок ос­ тается < 1 0 % . В среднем содержание азота в результате

59

переплава понизилось примерно на 40%, т. е. в такой же

степени, как и марганца.

Однако, это аналогия поведения двух элементов явля­ ется чисто внешней. В' отличие от марганца азот пред­ ставляет собой с некоторыми оговорками неконденсиру­ емый в условиях высокотемпературного процесса газ. Его потенциал ионизации значительно выше, чем у мар­ ганца (14,5 и 7,4 эВ соответственно) [46], и, следова­ тельно, вероятность образования ионов из молекул азо­ та, оказавшихся в зоне дуги, следует признать ничтож­ ной. Поэтому вопрос о месте испарения азота и особен­ ностях механизма этого процесса заслуживает само­ стоятельного рассмотрения.

В описанных выше опытах по переплаву электродов различного сечения сопоставили содержание азота в ис­ ходном и переплавленном металле и по аналогии с мар­ ганцем подсчитали по формуле (19) константу скорости

Поскольку константа оказалась постоянной только при a s = l , то следует сделать вывод о преимущественном выделении азота со всей поверхности жидкой ванны. Та­ кое отличие от марганца, для которого эффективная по­ верхность испарения представляет собой лишь кольцевой участок ванны, незакрытый электродом, объясняется тем, что азот вследствие высокого потенциала ионизации не служит переносчиком зарядов в столбе дуги. В то же время центральные участки поверхности ванны имеют наиболее высокую температуру и с этой точки зрения

60