книги из ГПНТБ / Линчевский Б.В. Применение вакуума в производстве стали

электродом в вакууме — до последнего времени распространения не получил.

Принцип действия дуговой печи с расходуемым электродом заключается в следующем: между электродом, которым служит материал, предназначенный для плавления, и затравкой, находя­ щейся в водоохлаждаемом кокиле, возникает дуговой разряд.

Рис. 52. Дуговые вакуумные печи с постоянным, нерасходуемым электродом:

1 — подача тока; 2 — питатель; 3 — огнеупорный поддон; 4 — вращающийся постоян­ ный электрод

Тепло, выделяющееся в результате дугового разряда, расплавля­ ет электрод, и он, проходя зону дугового разряда в виде отдель­ ных капель, постепенно наполняет тигель или кокиль. Этот тип печей отличается следующими особенностями [47].

1. Электрод должен иметь цилиндрическую форму и содер­ жать все необходимые легирующие элементы (в некоторых слу­ чаях электрод изготовляют непрерывно, путем прессования). Ма­ териал электрода определяет температуру дугового разряда. На­ пример, температура дуги на вольфрамовом электроде достигает 7470, на молибденовом — 6580, на железном — 3750, на мед­ ном — 2920° К и т. д. Степень перегрева металла зависит от тем­ пературы дуги, так как металл проходит в виде отдельных ка­ пель через область дугового разряда.

2. Печь с расходуемым электродом может работать как на

100

постоянном, так и на переменном токе. В последнем случае материал электрода должен обладать достаточной термоионной эмиссией для поддержания дуги в момент падения тока до нуля.

3.В процессе плавки металл не загрязняется ни материалом тигля, ни материалом электрода, а также не происходит погло­ щения газов из атмосферы. Это обстоятельство имеет решающее значение при переплаве высокореакционных металлов (титана, циркония и др.), а также и сплавов на основе железа.

4.Процесс можно вести не только в вакууме, но и инертной атмосфере. Такой метод плавки необходим для некоторых спла­ вов с высокой упругостью пара (сплавы на основе марганца и др).

5.Условия кристаллизации в медном водоохлаждаемом ко­ киле весьма благоприятны: включения и различные нераствори­ мые примеси отгоняются фронтом растущих кристаллов в верх­ нюю часть слитка, причем часть слитка, загрязненная всплывши­ ми включениями, обычно составляет лишь незначительную долю общего объема слитка.

Благодаря особенностям кристаллизации в медном кокиле, усадочная раковина в слитке очень мала.

Как указывалось, метод дуговой плавки может быть исполь­ зован для переплава не только высокореакционных металлов, но

истали. В конструктивном отношении печи в обоих случаях со­ вершенно идентичны. Существует несколько типов печей с расхо­ дуемым электродом, которые отличаются в основном конструк­ цией механизма подачи электродов (см. рис. 51).

Как видно из приведенных схем, электрод крепится к спе­ циальной водоохлаждаемой штанге, с помощью которой элек­ троду сообщается поступательное движение. Штанга проходит через ряд вакуумных уплотнений, соединенных с вакуумными насосами, что исключает возможность появления течи при дви­ жении электрода. Кокиль изготавливается из материала, обла­ дающего высокой тепло- и электропроводностью. Чаше всего для этой цели применяют медь и, в редких случаях, — молибден.

На современных дуговых печах дуга регулируется автомати­ чески. Наиболее современной системой является так называе­ мая гератронная система, контролирующая работу печи по паде­ нию напряжения при дуговом разряде и другим электрическим параметрам. Исполняющим механизмом гератронной системы ре­ гулирования являются реверсивные электромоторы, перемещаю­ щие электрод. Автоматика позволяет управлять движением элек­ трода со скоростью до 10 м!сек., а длина дуги может-поддержи­ ваться в пределах 12—18 мм [47, 48].

Печи с расходуемым электродом могут работать в вакууме или в инертной атмосфере, но в последнем случае давление в пе­ чи не превышает 3—5 мм рт. ст.

Обычно в инертной атмосфере плавятся только те металлы, упругость пара которых весьма высока. Плавка таких металлов

101

в вакууме практически невозможна, так как в этом случае поми­ мо значительных потерь металла возникает опасность появления блуждающего разряда, который может привести к перфорации кокиля и попаданию охлаждающей воды внутрь печи.

Плавка в глубоком вакууме, т. е. при давлении порядка не­ скольких микрон и ниже, более предпочтительна, так как только сочетание вакуума с высокой температурой способствует разло-

Корона

Плазма

г

Рис. 53. Горение дуги при различных давлениях аргона: [49]

а — неспокойная дуга, давление аргона 340 мм рт. ст.; б — спокойная дуга, давление аргона ИО мм рт. ст.; в — блуждающее катодное пятно, давление аргона 30 мм рг. ст.; е — давление аргона 4 мм рт. ст.

жению окислов, нитридов и карбидов, в результате чего умень­ шается общее содержание включений и их размеры.

Устойчивость горения дуги существенно зависит от давления, ибо дуговой разряд, как известно, происходит в результате пере­ носа энергии ионизированными частицами, поэтому с уменьше­ нием давления число частиц в единице объема уменьшается, и дуга становится нестабильной. Интересно установить, в каких пределах дуга горит устойчиво. По этому вопросу существуют различные мнения. Некоторые считают, что уже при давлении ниже 30 мм рт. ст. дуга горит неустойчиво, в связи с чем следует работать при давлении выше этого предела [49]. Согласно другим исследованиям [50], предел устойчивости дуги лежит в области 1—5 ц рт. ст. Следует, однако, отметить, что подобные расхожде­ ния связаны с ошибками при определении давления. Обычно ва­ куумметры устанавливают на значительном расстоянии от реак­ ционной зоны, поэтому они фиксируют давление, отличающееся иногда на 1 мм рт. ст. от истинного, например (как показали спе­ циальные исследования), при давлении в реакционной зоне око­ ло 1 мм рт. ст., в вакуумной камере оно составляет только 1 ц рт. ст.

102

На рис. 53 показан вид дуги при различных давлениях аргона, а на рис. 54 — при атмосферном давлении.

Как видно из рисунка, с уменьшением давления аргона до 340 мм рт. ст. горение дуги становится неустойчивым, появляет­ ся большое количество брызг; разбрызгивание является не толь­ ко результатом выделения газов из металла, сущест­ венное влияние оказывают и электромагнитные поля, отклоняющие капли метал­ ла в сторону. С увеличени­ ем силы тока капли умень­ шаются в размерах, попа­

ляется, т. е. происходит так называемый тлеющий разряд. Воз­ никновение тлеющего разряда очень опасно, так как в этом случае вследствие большого выделения тепла на аноде охлаждение ста­ новится недостаточным и медный кокиль может расплавиться. Причиной большинства взрывов в дуговых печах было именно возникновение тлеющего разряда [51].

Характер горения дуги в случае стального электрода пример­ но такой же. По Джонсону [50], степень блуждания катодного пятна на электроде мала при давлениях, близких к атмосферно­

0,5 мм рт. ст. столб дуги перестает блуждать, и опасность перфо­ рации кокиля уменьшается [59].

103

Стабильное горение дуги наблюдается и при давлениях около 1 ц рт. ст. По всей вероятности, при таких низких давлениях го­ рение дуги поддерживается не ионизированным газом, а парами металла, так как упругость паров большинства металлов при температуре дуги много выше, чем давление в камере.

Итак, можно считать установленным, что в глубоком вакууме дуга горит достаточно устойчиво в результате присутствия паров металлов '. Наиболее опасной зоной, с точки зрения появления тлеющего разряда, является интервал 0,5—30 мм рт. ст., поэтому обычно дуговые печи работают при давлении не более 10 р рт. ст. Для поддержания такого давления в печи необходимо использо­ вать мощные бустерные и диффузионные насосы.

Наиболее подходящим насосом для дуговых печей является механический бустерный насос — воздуходувка. Важно отметить, что насосы этого типа позволяют достигать высоких скоростей откачки во всем диапазоне давлений от 1 до 5 *10 12 мм рт. ст. Кроме того, даже при попадании воды в кокиль и образовании пара воздуходувки поддерживают в печи .низкое давление, что имеет существенное значение из-за соображений техники безопасности. Обеспечение безопасной работы дуговых печей с водоохлаждаемым кокилем является одной из важнейших и пока полностью не решенных проблем.

При прогаре кокиля и попадании воды в жидкий металл воз­ можно образование гремучей смеси в результате разложения во­ ды. Выделение значительной мощности в сравнительно неболь­ шом объеме кокиля также усугубляет опасность взрыва. По­ строить печь, способную выдержать взрыв гремучей смеси, прак­ тически невозможно, поэтому крупные печи снабжаются предо­ хранительным клапаном, который открывается при достижении в печи давления порядка нескольких атмосфер. Кроме того, для

можно, поэтому вокруг крупных печей устанавливается бетонная стенка, предохраняющая персонал от попадания осколков. На­ блюдение за процессом в этих печах ведется с помощью телеско­ пического устройства, экран которого вынесен в безопасное место.

Кристаллизация металла в водоохлаждаемом кокиле оказы­

1 Следует отметить, что дуговой разряд, несмотря на широкое его прак­ тическое использование, изучен недостаточно. Общая теория дуги пока отсут­ ствует, поэтому в практике приходится использовать лишь эмпирические ре­ зультаты.

104

вает существенное влияние на структуру слитка. Это влияние прежде всего проявляется в сильно развитой дендритной транс­ кристаллизации в направлении отвода тепла. Для того чтобы уменьшить столбчатое строение дендритов, которое, как извест­ но, отрицательно сказывается на некоторых свойствах стали, применяют магнитное перемешивание. ДАагнитное перемешива­ ние осуществляется с помощью соленоида, насаженного на ко­ киль. При пропускании через соленоид тока в жидком металле возникает крутящий момент, вследствие взаимодействия поля со­ леноида и дугового разряда.

Следует, однако, отметить, что вращение металла в магнит­ ном поле не устраняет полностью ни дендритной кристаллизации, ни сегрегации примесей. При выплавке высоколегированных сплавов сегрегация может быть довольно значительной, особен­ но, если в металле присутствуют компоненты, обладающие высо­ кой упругостью пара. Например, при среднем содержании мар­ ганца в сплаве около 8% на поверхности слитка его может быть 14—17%, а в середине только 4—6%.

Углерод, как правило, не удаляется в процессе переплава, но в некоторых высокоуглеродистых сплавах, содержащих 3—4% С, возможны небольшие потери его.

Концентрация никеля, кобальта, ниобия, тантала, титана, алюминия, молибдена, кремния и вольфрама практически не из­ меняется даже в самом глубоком вакууме [48].

В большинстве случаев содержание кислорода, азота и водо­ рода в процессе переплава уменьшается. Это происходит в ре­ зультате восстановления окислов углеродом, а также разложе­ ния нитридов при температуре дугового разряда. Как известно, температура восстановления окислов и разложения нитридов уменьшается по мере уменьшения давления. Уменьшение давле­ ния способствует очищению металла от газов. Степень очищения зависит от глубины вакуума и от состава металла, так как азот присутствует в стали в виде нитридов и в атомарном состоянии. Устойчивость нитридов различна, поэтому в некоторых случаях, например при переплаве хромоникелевых нержавеющих сталей, легированных титаном, содержание азота уменьшается незначи­ тельно, ибо он связан в прочные нитриды титана.

Водород удаляется при переплаве в вакууме в большей сте­ пени, чем азот, что объясняется, видимо, большей величиной коэффициента диффузии водорода в жидком металле.

Что касается кислорода, то следует отметить, что в присутст­ вии таких легко окисляющихся элементов, как титан, алюминий и т. п., активность кислорода резко уменьшается, поэтому при переплаве в вакууме стали, легированной указанными элемен­ тами, содержание кислорода снижается лишь в незначительной степени, а в некоторых случаях даже возрастает. Напротив, при переплаве углеродистых малолегированных сталей, например

105

шарикоподшипниковом, содержание кислорода уменьшается на

40—60%.

Изменение содержания газов при переплаве в дуговой ваку­ умной печи с расходуемым электродом приведено в табл. 25.

Таблица 25

Изменение содержания газов при переплаве в дуговой вакуумной печи

• Состав сплава А-286: 0,05% С: 1,35% Мп; 0,50% SI; 15,0% Сг: 26,0% Ni; 1,25% Мо; 2,07% Ti: 0,30% V.

* * Анализ методом Киндаля.

106

Следует отметить, что при применении в качестве электродов металла, выплавленного в вакуумной индукционной печи, можно

чениями исключено, так как футеровка отсутствует, а зона плав­ ления перемещается в вертикальном направлении и включения интенсивно всплывают. В табл. 27 представлена сравнительная оценка в баллах загрязненности стали, выплавленной на воздухе

* Состав стали 4340: 0,38—0,43% С; 0,60—0,80% Мп; 0,20- 0,35% Si; 1,65—2,0% Ni; 0,7—0.9% Сг; 0,2—0,3% Мо.

Большая чистота стали, полученной в результате вакуумного переплава, приводит к значительному улучшению свойств. В ка­ честве примера можно привести изменения свойств американской подшипниковой стали 4340 после переплава в вакууме (табл. 28).

Из таблицы видно, что содержание кислорода при переплаве шарикоподшипниковой стали резко снижается, что является следствием разрушения включений. В работе В. В. Кондакова и А. Ф. Вишкарева [4] показано, что в вакууме развивается на поверхности включения следующая реакция:

(МО)н в + [С]-»[Л4е] + СО.

107

ности раздела.

Авторы полагают, что процесс разрушения включений скла­ дывается из следующих элементарных стадий.

1.Диффузия углерода к поверхности включений.

2.Адсорбция углерода на поверхности.

3.Химическая реакция МеО + С^Ме + СО.

4.Образование пузырька СО и удаление его в газовую фазу. По всей вероятности, лимитирующим этапом процесса является диффузия. С этой точки зрения увеличение температуры, а также интенсивности перемешивания металла должно способствовать удалению включений, что в свою очередь должно положительно отразиться на свойствах стали.

Переплав в вакууме наиболее резко сказывается на уменьше­ нии величины оксидов. Исследования С. Ф. Белкова и других 1 показали, что при переплаве исчезают все крупные оксиды, чис­

1 Белков С. Ф., Л а р и о н о в а Д. С., Ц а р е в а А. А„ Ш е й н А. С. Доклад на 2-м совещании по применению вакуума в металлургии, 1958 г.

108

ло включений .минимального (первого) балла увеличивается с 10 до 70%, число крупных включений размером более 3-го балла сокращается с 65 до 10%, а включения с баллом больше 6 вовсе

•Включения определяли микроскопически по шкале завода «Электросталь» (ГОСТ).

Рис. 55. Сравнение переделов выносливости в поперечном и продольном направлениях заготовок стали 4340, выплав­ ленной в основной дуговой печи и в вакуумной дуговой

печи с расходуемым электродом:

/—плавка в вакууме, продольные образцы; 2 — то же, поперечные образцы; <3 — плавка на воздухе, продольные образцы; 4 — то же,

поперечные образцы

Следует отметить, что наиболее ощутимо изменяются в резуль­ тате вакуумного переплава такие свойства, как предел выносли­ вости и устойчивость против криппа.

На рис. 55 сравниваются пределы выносливости шарикопод­ шипниковой стали 4340, выплавленной в вакууме и в основной

109