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

дуговой печи. Условия испытания совершенно идентичные: элек­ троды изготавливали из металла одной и той же плавки. Предел прочности после термообработки составлял в обоих случаях 133 кг/льи2. Обращает на себя внимание резкое увеличение пре­ дела выносливости поперечных образцов (61 кг1мм2 вместо 39,2 кг/мм2). Это объясняется тем, что свойства в поперечном направлении чувствительны к сегрегации и в значительной мере определяются чистотой границ зерен. Быстрое охлаждение в во­ доохлаждаемом кокиле практически исключает сегрегацию.

Наконец, следует отметить уменьшение сегрегации серы в ме­ талле, выпла-вленном в вакуумной дуговой печи, и значитель­ ную химическую однородность в отношении таких элементов, как титан и молибден. В слитке диаметром 460 мм после переплава в вакуумной дуговой печи разброс по содержанию титана нахо­

разброс колеблется в пределах 0,5 и 0,3% соответственно [46]. Это обстоятельство имеет важное значение при выплавке слож­ нолегированных жаропрочных сталей.

Представляет существенный интерес сравнение двух наиболее распространенных методов плавки в вакууме: дугового вакуум­ ного переплава и плавки в индукционных вакуумных печах. Как видно из табл. 30, при дуговом переплаве скорость процесса и его температура значительно выше. Кроме того, преимущество дуго­

Недостатком дуговой плавки является то, что металл нахо­ дится в жидком состоянии весьма ограниченное время, поэтому не всегда удается добиться желаемой степени дегазации.

При плавке с расходуемым электродом нельзя точно регули­ ровать состав металла, поэтому приходится применять только электроды с однородным и точно известным химическим соста­ вом. Добавки по ходу дугового переплава приводят к неравно­ мерному распределению легирующих. Кроме того, при дуговом переплаве значительно угарают элементы с высокой упругостью

110

пара, поэтому содержание их в электроде должно быть избыточ­ ным, в то время как в процессе индукционной плавки можно контролировать состав сплава даже по алюминию и титану в пределах ±0,12%.

Сравнение особенностей обоих методов приведено в табл. 31. К числу недостатков дуговых вакуумных печей нужно отнести также необходимость изготовления электродов цилиндрической

Таблица 3)

Сравнение индукционной и дуговой вакуумной плавок [47, 48]

1.Позволяет улучшить меха­ 1. Улучшает механические свойства сплавов нические свойства металла

2.Способствует дегазации и 2. Способствует дегазации, исключает заг­

исплавов

3.Позволяет осуществить тща­ 3. Исключает или сводит до минимума се­

формы и невозможность отливки фасонных деталей. Кроме того, в печах с малым внутренним диаметром металл застывает столь быстро, что не все газы успевают удалиться из него.

Некоторые из этих недостатков устранены в дуговых печах с нерасплавляемым электродом и в печах с автотиглем. Следует оговориться, что для стали и вообще сплавов на железной или никелевой основе изготовление цилиндрического электрода не встречает затруднений. Между тем использование нерасплавляемого электрода, изготовленного из вольфрама с небольшой при­ месью тория или из графита, существенно загрязняет металл. Поэтому печи с нерасплавляемым электродом постепенно вытес­ няются описанными выше печами с расходуемым электродом.

Что касается печей с автотиглем, то их конструкция преду­ сматривает возможность использования как расходуемых, так и

111

нерасплавляемых электродов. Конструкция дуговой вакуумной печи с автотиглем приведена на рис. 56.

Плавление ведут с помощью трех электродов из торированного вольфрама 1. Питатель 2 позволяет добавлять по ходу плав-

Рис. 56. Лабораторная дуговая вакуумная печь с автотиглем:

/ — электрод; 2 — питатель; 3— тигель; 4 — механизм подачи электродов; 5 — шлюз для изложниц

ки необходимые легирующие. Жидкий металл находится на внутренней поверхности медного водоохлаждаемого кокиля, имеющего форму чаши. Кокиль может быть изготовлен и из дру­ гих материалов, например — нержавеющей стали или графита. Непосредственно к поверхности чаши примыкает корка затвер­ девшего металла (гарниссаж) 3. Эта корка, толщину которой можно регулировать расходом охлаждающей воды и мощностью дугового разряда, играет роль тигля.

Автотигель может работать при высоких температурах, так как стенки его изготавливаются из керамических материалов или

112

из графита; однако чаще применяются водоохлаждаемые медные или стальные чаши. В автотигле можно довольно долго выдержи­ вать металл в жидком состоянии, во всяком случае до тех пор, пока не будут произведены химические анализы. Это — очень важная особенность плав­ ки в автотигле, так как в дуговых печах других ти­ пов плавку по существу ведут вслепую, основы­ ваясь только на анализе исходных сырых материа­ лов.

Печь такого типа обес­ печивает достаточно пол­ ное удаление газов, бла­ годаря более длительной выдержке металла в жид­ ком состоянии и легиро­ ванию в наиболее подхо­ дящий момент плавки. Пока еще дуговые печи с автотиглем используют только для плавки титана и его сплавов, обладаю­ щих низкой теплопровод­ ностью (0,038 кал!см сек, °C). При такой теплопро­ водности можно длитель­ ное время поддерживать металл в жидком состоя­ нии. Значительно труднее осуществить в автотигле плавку стали и сплавов с

ляется возможность получения в них литых деталей. Как уже упоминалось выше, печи с автотиглем могут работать с расхо­ дуемыми и с нерасходуемыми электродами, или с теми и други­ ми одновременно.

В печах с садкой 5—10 кг применяется один электрод с тори-

рованным вольфрамовым наконечником, в более крупных печах, с садкой до 20 кг, используют три вольфрамовых электрода. По сообщению Хама и Сиоли [53], в печах, которые эксплуа­ тируются в одной из лабораторий США, подины сделаны водо­ охлаждаемыми; одна из печей имеет медную водоохлаждаемую

производственная печь с автотиглем. На этой печи можно прово­ дить несколько плавок подряд без охлаждения печи и без нару­ шения вакуума. Как видно из чертежа, изложницы или формы укрепляются на транспортере и перемещаются по мере надобно­ сти из одной вспомогательной камеры в другую. Камеры пред­ ставляют собой вакуумный шлюз, из которого можно извлечс отливку, не нарушая вакуума в печи.

Втех случаях, когда приготовление расходуемого электрода затруднительно или невозможно, печи с автотиглем являются единственным агрегатом, позволяющим получить слиток или фасонную отливку, не загрязняя металл включениями из огнеу­ порной футеровки.

Взаключение следует сказать о перспективах развития дуго­ вой вакуумной плавки.

Наиболее важной задачей в настоящее время является уве­ личение производительности печей и упрощение их конструкций.

Теоретически скорость плавления определяется силой тока. Например, установлено, что при плавке титана на 1000 а в мин. плавится 0,5 кг металла.

В будущем, видимо, будут созданы печи непрерывного дей­ ствия с постепенно наращиваемым электродом. В этой же печи можно будет осуществлять вторичный переплав, который при­ меняется для очистки титана, и затем извлекать слиток через вакуумный шлюз. Конструкция такого шлюза показана на рис. 58.

Создание печей непрерывного действия позволит увеличить эффективное время эксплуатации печи. Сейчас время, в течение которого происходит плавление, составляет не более 40% от об­ щего времени плавки, а остальные 60% приходятся на загрузку, выгрузку, на откачку и другие вспомогательные операции. В пе­ чах непрерывного действия эффективное время возрастет почти до 100%.

Второй важной задачей является создание печей большого диаметра. По сообщению Джонсона [50], уже в настоящее время есть возможность построить печь диаметром до 2,5 м, в которой можно будет выплавлять слитки для изготовления роторов тур­ бин и других крупногабаритных деталей. Как известно, отливка таких изделий представляет собой сложную технологическую проблему, ибо к физической и химической однородности металла в данном случае предъявляются особо жесткие требования.

114

ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ В ВАКУУМЕ

При восстановлении окислов, руд или концентратов на воз­ духе продукт восстановления неизбежно загрязняется азотом и кислородом, поэтому в некоторых случаях, особенно когда про­ дуктом восстановления является металл, обладающий высоким сродством к кислороду и азоту, как например, хром или вана­ дий, желательно вести восстановление в вакууме. Однако этим не исчерпывается роль вакуума.

Исследования показали, что в вакууме процессы восстановле­ ния протекают полнее, с большей скоростью и при температуре на несколько сот градусов ниже, чем при атмосферном давлении. В практическом отношении наиболее важно восстановление окислов углеродом, ибо углерод является самым дешевым вос­ становителем. До последнего времени считалось, что таким пу­ тем можно получать лишь металлы, не образующие прочных кар­ бидов (например, медь или никель).

Развитие вакуумной техники позволяет увеличить число ме­ таллов, которые могут быть получены методами углетермии, т. е. восстановлением углеродом при высоких температурах. О влия­ нии вакуума на процесс восстановления окислов углеродом мож­ но судить по данным рис. 59, где показана зависимость темпера­ туры окисления низших карбидов некоторых тугоплавких ме­ таллов от давления.

Низшие карбиды являются наиболее прочными соединениями в системах металл — углерод. Поэтому они определяют условия протекания всего суммарного процесса восстановления окислов твердым углеродом.

Из рис. 59 следует, что в вакууме можно существенно снизить температуру процесса.

Непрерывное удаление продуктов реакции сдвигает равнове­ сие в сторону образования металла. Иными словами, понижение давления оказывает действие, аналогичное увеличению темпера­ туры.

В настоящее время технически возможно получать при высо­ ких температурах вакуум порядка нескольких микронов рт. ст., а в некоторых случаях и меньше.

Ш6

Для восстановления углеродом окислов хрома достаточно иметь температуру 1350—1400° и давление 0,1 —1,0 мм рт. ст.

Для получения ванадия при восстановлении углеродом необ­ ходима температура не менее 1650° и давление 1 ц рт. ст.

Получение титана и циркония путем восстановления окислов углеродом практически вряд ли возможно, так как для этого необходимо поддерживать слишком высокую температуру при очень низких давлениях.

Изучение механизма и кинетики восстановления окислов уг­ леродом в вакууме показывает, что отличительной особенностью взаимодействий в вакууме является возможность протекания реакций до получения металла, в то время как в обычных усло­ виях (при атмосферном давлении) восстановление окислов ту­ гоплавких металлов углеродом заканчивается образованием карбидов. По всей вероятности, в вакууме создаются особые ус­ ловия, препятствующие развитию карбидной фазы: в вакууме снижается температура начала реакции окисления низших кар­ бидов, которая определяет как скорость, так и возможность раз­ вития процесса в целом и, кроме того, промежуточные продукты (карбиды) образуются в виде дисперсных образований, что об­ легчает восстановление [54]. Эти особенности процесса делают возможным углетермическое получение даже металлов, образую-

117

щих устойчивые карбиды. К числу таких металлов, как известно, относятся, кроме марганца, хрома, ванадия, титана и циркония, также тантал, ниобий, железо, уран, гафний, торий и другие [54].

Следует отметить, что углетермическое восстановление метал­ лов из окислов возможно только в том случае, если упругость пара металла при температуре восстановления и скорость испа­ рения его достаточно малы. В противном случае часть металла теряется в виде конденсата, загрязненного углеродом и кислоро­ дом, так как при понижении температуры реакция

/Ие + С.-'/Ие+СО.

смещается влево, и металл окисляется.

Поэтому углетермическое восстановление металлов, имеющих высокую упругость пара при температуре восстановления калия, натрия, лития, кальция, бария, стронция, бериллия, алюминия, магния, цинка, кадмия и др., невозможно по названным выше причинам. Но и из числа металлов с относительно низкой упру­ гостью пара этим методом можно получить лишь хром, ванадий, ниобий и тантал.

Получение хрома путем углетермического восстановления оки­ си хрома может быть с успехом осуществлено в простейшей на­ гревательной вакуумной печи, позволяющей поддерживать тем­ пературу не более 1300—1350° и разрежение порядка 0,1—1,0 мм рт. ст. При достаточном избытке окиси хрома (10—15%) получа­ ют губку восстановленного хрома, содержащего не более 0,05— 0,03% С.

Следует подчеркнуть, что если шихта не содержит избытка окислителя, то для получения продукта со столь же низким со­ держанием углерода необходима более высокая температура, в связи с чем возрастают потери хрома путем испарения.

Состав углетермического хрома показан в табл. 32.

Обращает на себя внимание высокое содержание кислорода в углетермическом хроме, что является следствием работы с из­ бытком окислителя. Однако и электролитический хром непо-

118

средственно после извлечения из ванны содержит иногда до 0,9— 1,0% кислорода и должен подвергаться рафинированию в водо­ роде.

Таким образом, углетермическое получение хрома технически вполне осуществимо, но этот метод имеет два недостатка: во-пер­ вых, часть хрома испаряется, а, во-вторых, в полученном продук­ те содержится большее количество кислорода, чем в электроли­ тическом хроме. Тем не менее, несмотря на указанные недостатки, углетермическое восстановление окиси хрома в вакууме являет­ ся перспективным методом получения больших количеств метал­ лического хрома, ибо, в отличие от электролиза из водных рас­ творов, для осуществления этого способа не требуется дефицит­ ных материалов и расходуется значительно меньше электроэнер­ гии.

Особый интерес представляет получение методами вакуумной углетермии ковкого ванадия, впервые осуществленное в 1953— 1955 гг. А. Ю. Поляковым [55]. Как известно, ванадий обладает исключительно высокими механическими свойствами, значитель­ ной устойчивостью против коррозии при сравнительно неболь­ шой плотности. Сочетание этих свойств обеспечивает возмож­ ность использования ванадия в качестве конструкционного мате­ риала. Следует также отметить, что ванадий по отношению мо­ дуля упругости к плотности не отличается от стали и значительно превосходит титан. Основной предпосылкой широкого примене­ ния ванадия в технике является создание дешевого, массового

чать пластичный ковкий металл из-за загрязнения его азотом, который содержится в кальции в значительных количествах. Очи­ стка же кальция от азота, требующая многократной дистилля­ ции и являющаяся сложным и дорогим процессом, не обеспечи­ вает все же получения кальция с содержанием азота менее 0,006%, как этого требует технология получения ковкого вана­ дия. Исходным сырьем для получения пластичного ванадия слу­ жит его пятиокись или трехокись. Трехокись предпочтительней, так как при ее использовании уменьшается количество выделяю­ щихся при взаимодействии с углеродом газов, а восстановление пятиокиси ванадия водородом до трехокиси успешно протекает уже при 500—600°. Как видно из рис. 59 углетермическое восста­ новление трехокиси ванадия должно иметь место при температу­ ре 1600—1700° и разрежении порядка 1 микрона рт. ст.

В действительности нужно иметь еще более низкое давление. Использование углерода в качестве восстановителя имеет важное преимущество по сравнению с кальцием, заключающе­ еся в том, что восстановительная способность углерода с умень­ шением давления возрастает. Современная техника располагает

119