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

] Mo

KN

(23)

g [W]

2,3w„

тах 1 с хромоникелевой нержавеющей

сталью с титаном

и без него.

И характер зависимости логарифма степени

деазотации

от приведенного времени

(рис. 22), и абсо­

удаления азота

[N]0/[N1 при вакумной индукционной (1) и

ваку­

умной дуговой

(2) плавке конструкционной стали различных

марок

О

40

80

f20

160 т', с/см

дукционной плавке (1—3)

и вакуумном

дуговом переплаве (4):

а — 000X18HI2 и 0Х11Н4;

б — X18HI0T;

/ — 1520—1540; 2 — 1600;

3 — 1640° С

Стали

Способ плавки

Параметр технологии К

см/с

N

000Х18Н12

вип

7= 1520° С

2,6

7= 1600° С

4,5

/=1640° С

5,8

00X11Н4

вд п

/=5,5 кА

3,7

7 = 6 ,5кА

4,4

/ = 8,0 кА

4,0

Х18Н10Т

вип

7=1540° С

3,5

/=1600° С

4,6

/=1640° С

8,2

вд п

7=6,5 кА

4,0

нием в этих условиях температуры

поверхности жидкой

ванны.

Т а б л и ц а 13

Влияние динамического состояния жидкой ванны

при ВДП на значения константы скорости

удаления азота

Стали

Вариант переплава

TCfsj-ИЯ, см/с

12Х2Н4А

Без вращения

3,3

С вращением

3,75

40ХН2СМА

Без вращения

5,3

С вращением

5,9

И звестію

[47, 5 0 ],

что па скорость поглощ ения или

удаления

азота в тигле

вакуум ной

индукционной

печи

оказы вает

сущ ественное

влияние присутствие в металле

поверхностно

активны х

элем ентов,

кислорода

и

серы .

П р ед п о л агается , что

такое влияние

связан о с

ум ен ьш е­

нием числа вакансий

на границе раздела ф аз вследствие

4

8

12

Гб

20

24

28

32

[S3, % -ГО3

Р и с . 23. В л и я н и е с о д е р ж а н и я се р ы н а

у д а л е н и е а з о т а из

п и з к о у гл е р о д и с т о г о ж е л е з а п ри в а к у у м н о м д у г о в о м п е р е п л а ­

ве в к р и с т а л л и з а т о р е д и а м е т р о м 400 м м

(с и л а т о к а 7,5 к А )

при р а з н о м с о д е р ж а н и и к и сл о р о д а

в э л е к т р о д а х :

/ — 0,003— 0,005% ;

2

— 0,006— 0,009% ;

3 —

0,01— 0,020%

родов с

содер ж ан и ем кислорода о т 0,003 до 0,020%

и серы

от 0,006 до 0 ,03 2 % . Электроды

были переплавлены в кри ­

сталли заторе ди ам етром 400

мм при

силе тока 7,5 кА .

В результате этих опытов

бы ла

подтверж дена

о б н а ­

руж ен н ая

и в предварительном исследовании [49]

зав и ­

сим ость

степени

деазотации

м еталла

от

содер ж ан и я

в

нем серы

(рис.

2 3 ).

П р и

изменении

последнего в преде­

л а х от 0,006 до

0,024— 0,026%

среднее значение констан ­

ты скорости удален и я азота

ум еньш илось

с 5 ,6 -1 0

_3

до

1 ,4 -10

_3

см/с. П р и

более

вы сокой

концентрации

серы

ном сл учае обн аруж и ть не

уд ал ось .

О бъ ясн яется это тем ,

что исходны й м еталл

всех

плавок

был раскислен крем ­

нием и алю м инием и,

следовательно, концентрация к и с ­

5— 995

65

переплаве либо

восстан авли вали сь , либо

вы делялись на

поверхность ж идкой ванны .

описы ваю щ его процесс

И з основного

уравнения (23),

деазотации при

В Д П , следует,

что для

м аксим ального

м альную скорость наплавления слитка

w„.

О д н а к о , эта

рекомендация

с учетом

вы сказанны х

вы ш е соображ ен и й

н уж д ается в

серьезной

оговорке: для

некоторы х сталей

Р и с .

24.

Р а с п р е д е л е н и е

а з о т а

по сеч е н и ю с л и т к а д и а

м е т р о м

400

м м

с т а л и 0Х11Ы 4 (н а

оси

а б с ц и с с — в ы со т а с л и т к а ,

с м ):

У — к р а й ;

2 —

се р е д и н а р а д и у с а ;

3 —

ц ен тр с л и т к а

ростом константы скорости этого п роцесса.

ог­

Т а к ж е , как и для м ар ган ц а ,

сущ ествует ещ е одно

раничение при использовании ф орм улы (23). С

ее

по ­

мощ ью м ож но предсказы вать эф ф ект деазотации

только

при установивш ем ся процессе

плавки . В ниж ней

и в ер х ­

ней части слитка

концентрация

азота

отличается

от

средней

(рис. 2 4 ),

и это

связано

с

изменением

объема

ванны и времени пребы вания

м еталла в ж и дком

со сто я ­

нии.

Н ап ом н и м в связи с этим ,

что отсутствие названны х

ф акторов в

ф орм уле (23)

вовсе

не озн ачает, что

они

не

влияю т

на процесс удалени я азота:

их

удал ось

и скл ю ­

чить

из

ф орм улы лиш ь бл агодаря

стационарности п р о ­

ц есса

п ереплава — постоянству формы

ж и дкой ванны

и

скорости

ее

перем ещ ения

вдоль

сли тка. И зм ен ен и е л ю ­

бого из этих

ф акторов влечет за

собой

соответствую щ ие

отклонения концентрации азота.

азотаци и .

О д н ак о , как было п оказан о , д а ж е для

н е р ж а ­

вею щ ей стали д о бавк а 0,5%

Т і почти

не ск аза л а сь на

скорости

этого п роцесса. Тем

меньш его

влияния

нитри­

ли .

П р и обы чны х для

нее со д ер ж ан и ях азота и титана

или д р уги х элем ентов,

о бл ад аю щ и х

повыш енны м ср о дст ­

вом

к азоту, плавление электрода

со п р о вож д ается , по-

ридных

вклю чений

не сказы вается

на

конечном

эф ф екте

деазотац ии .

УДАЛЕНИЕ ВОДОРОДА

водорода

И ссл ед ован и е

законом ерностей

поведения

в процессе

вакуум ного дугового переплава

сопряж ен о со

значительны ми трудностям и . П о

сущ еству

невозм ож но

организовать отбор и закали ван и е

проб

из

р асп л ав а

без значительны х

потерь вы деляю щ егося в

вак у у м е во ­

д о р о д а ,

в

то ж е время

результаты

ан али за

проб, вы ре­

занны х

из

р асхо д уем ы х

электродов

и из переплавлен н о ­

го м ет ал л а , часто

оказы ваю тся несопоставим ы м и всл ед ­

ствие различий в схем е передела м еталл а.

получен ­

Т ем

не

менее,

основы ваясь на

р езул ьтатах ,

ганца

и азота , м ож но попы таться сделать некоторы е вы ­

воды

относительно удалени я водорода в усл ови ях В Д П .

И зм енение его концентрации в результате переплава

м ож н о , по-ви дим ом у,

с достаточны м основанием

описать

ф орм улой , аналогичной (23):

Кп

(24)

]g

ГНІо

2 .3 и*,

И звестн о , что

[H]

водорода

ди ф ф узи онная подвиж ность

в расплавленной

стали значительно

вы ш е, чем ,

н ап р и ­

м ер, у м ар ган ц а

или

азота.

В связи

с этим

константа

5*

67

скорости удаления

водорода

из

р асп л ав а

при

прочих

■ равных у сл ови ях

дол ж н а

быть

значительно

вы ш е

соот­

ветствую щ их

констант

для

др уги х

элем ентов.

П о

д а н ­

ным, приведенным в работе

[4 8 ],

при

тем п ер атур е

р а с ­

плава

1600°С

константа

скорости

удален и я

водорода

составляет

2

,

0

/ -ІО

-2

см/с.

Е сл и

сопоставить

другие

ре­

зультаты

из той

ж е работы ,

то о к аж ет ся ,

что

при

тем п е­

ратуре

1550— 1600° С

и

при

идентичности

остальн ы х

у с ­

ловии

плавки ж ел еза

и х р о ­

мистой

стали

6константа для

водорода

в

— 7 раз

бол ь ­

ш е,

чем для азота.

Р ан ее это

было отмечено А . Н .

М о р о ­

зовым

[4 7 ].

удаления

во­

Количестбоиспытании

О

степени

(наполненная частота),%

дорода при вакуум н ом д у го ­

вом переплаве м ож но

кос­

м ягк о м

ж е л е з е

при

в а к у у м н о й

и н ­

венно

судить

по

со д е р ж а ­

нию его в м еталле,

получен ­

Р и с .

25.

С о д е р ж а н и е

в о д о р о д а

в

ном этим

методом

и п осред ­

двойу к ц и(2)о н нполйа в к(/)е

(ист автаиксту уимчнеско йи еддуагно ­­

ны е по

50 п л а в к а м )

ством

вакуум ной

индукци ­

онной

плавки .

В

тех

и д р у ­

тию

мягкого

ж ел еза .

гих

печах

вы плавили

п а р ­

П о сл е

деф орм ации

сл и т ­

ков

от

них

отобрали

пробы

для

определения

со д е р ­

ж ан и я

водорода.

П риведенное время дегазаци и ^ - т

для

В И П

и —

для

В Д П )

в

обоих

сл у ч ая х

было

примерно

одинаковы м ,

поэтому

сравнение

конечных

концентраций

могло характери зовать соотнош ение

м еж ду константами

скорости для двух процессов.

по сущ еству одинаковы ­

Эти

концентрации

оказали сь

ми (рис. 2 5), причем

в м еталле

больш инства

плавок со ­

д ер ж ал о сь

(1-у 2 ) Х Ю -4 %

водорода,

т. е.,

по-видим ом у,

константы

скорости

удаления

его

при

вакуум н ой

д у го ­

вой и индукционной плавке близки м еж д у собой .

сталей

Е сл и

принять

для

В Д П

конструкционны х

удельную

константу

скорости

деазотации

равной

3 -1 0

-3

см/с, что

отвечает

некоторым

усредненны м

у сл о ­

виям переплава стали разного со става ,

то константу у д а ­

величиной

(1 ± 2 )

• ІО-2

см/с.

П р и

этом

о казы вается , что

в результате п ереплава

в вакуум н ой дуговой

печи содер ­

ж ан и е водорода дол ж н о

снизиться

по

сравнению

с и с­

ходны м

более чем

на порядок, что и н аблю дается

в д ей ­

ствительности.

УДАЛЕНИЕ КИСЛОРОДА

И ОКИСНЫХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ

со п р о ­

П ер еп л ав м еталл а в

вакуум ной

дуговой

печи

в ож д ается

эф ф ективны м удалени ем

ки слорода.

С о д е р ­

ж ан и е

его

в

электростали ,

применяемой

обы чно для

изготовления

р асходуем ы х

электродов ,

колеблется

в зн а ­

чительных п ределах и, как ви­

дно из рис.

26,

для больш инст­

ва

- плавок

составл яет

от

2

-

•ІО

3

до

8 -1 0 “ 3% . Э то го

коли ­

чества достаточно , чтобы п о л у ­

чать при м еталлограф и ческом

контроле

деф орм и рованного

м еталла

оценку нем еталли чес­

ких вклю чений по ш кал е Г О С Т

1778— 62 на

уровне до

3— 4

Количествоиспытаний

К онцентраци я кислорода в

(истопленная частота), %

бал л ов .

на воз­

м еталле, вы плавленном

Р н с .

26. С о д е р ж а н и е

к и сл о -

д у х е , превы ш ает

равновесную

р о д а

в к о н ст р у(2)к ц и о н н о й с т а ­

с им ею щ им ися

в р асп л аве р а с ­

п л а в л е н н о м

со ст о я н и и

кислителям и при тем п ературах

л и в

и сх о д н о м (/)

и п е р е ­

( ст а т и ст и70ч е скп лиаев к адма)н н ы е по

сталеварения

и

обусловлена

главны м

образом

присутстви ­

окисления, не усп евш и х вы деляться за время плавки ,

р а з ­

ливки

и затвердевания сл и тка . И сточником загрязнения

стали

сл у ж а т т ак ж е

частицы

ш л ака

и огнеупоров,

з а п у ­

тавш иеся

в м еталле

в ходе' вы пуска

и разливки .

П о сл е п ер еп лава

в вакуум е содерж ан и е кислорода не

превы ш ает 0,003% (рис. 26)

и в противополож ность

азо ­

ту сравнительно сл аб о зави сит от содер ж ан и я

кислорода

в р асхо д уем ы х эл ектр о д ах . С л ед ует зам етить,

что в бол ь ­

ш инстве

вакуумны х- п л авок

содерж и тся около

0

,

0 0 1

%

к и слорода, что у ж е

соизм ерим о с точностью его опреде­

ления методом вакуум -п лавл ен и я (± 0 ,0 0 0 5 % ) -

П олучению

столь

низкой

концентрации кислорода

способствую т

преж де

всего благоприятны е усл ови я

р а ­

финирования

м еталла

и отсутствие дополнительны х

и с­

точников его загрязнения при переплаве.

у стан о в ­

М ногочисленны ми

исследованиям и [51 — 53]

лено, что раф инирование стали

от кислорода в

в а к у у м ­

процессов: раскисления м еталла

углеродом и

м ехан и че ­

ского

выделения

включений

на

поверхность

р а сп л а в а .

О б щ а я

картина

раф инирования достаточно сл о ж н а , так

как углерод взаим одействует

не

только с ки слородом ,

растворенны м в м еталле, но п с нем еталлическим и вк л ю ­

щении стали

от кислорода.

В связи с

этим , переходя к

ан али зу его

поведения при

В Д П , мы

вы нуж дены

о тк а ­

заться от каких-либо попыток м атем атического

о п и са ­

ния,

аналогичного приведенному в преды дущ и х р азд ел а х .

В

твердой

стали , со держ ащ ей сильные раскислители ,

сится

и к

рассм атриваем ы м

здесь м ар кам

конструкц и ­

онного

м еталл а . П реим ущ ественны й м еханизм и полнота

очищ ения

м еталла долж ны ,

следовательно,

определять­

величиной

м еж ф азного натяж ения на границе

раздела

м еталл — вклю чение и другим и ф акторам и .

В

то ж е

врем я , как п оказал и , в частности, и ссл ед ова ­

ния

Д . Я .

П оволоцкого и др . [54— 5 6 ], состав

н ем етал ­

тельств,

в том числе

от окисленности м еталла перед

вводом

р аск и сл яю щ и х

добавок , от равномерности р а с ­