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

В табл. 15 приведено содержание газов в металле после от­ ливки крупных слитков в вакууме [21].

Таблица 15

Изменение содержания газов в металле в результате вакуумирования

Из таблицы видно, что в процессе дегазации удаляется до 85% растворенного в металле водорода. Содержание кислорода изменяется значительно меньше — на 20—30%. Почти не удаля­ ется из металла азот, что связано, очевидно, с образованием в легированной стали стойких нитридов.

На удаление водорода из металла, по-видимому, решающее влияние оказывают следующие факторы;

а)давление в камере при разливке; б) относительная влажность атмосферы внутри камеры, ко­

торая определяется степенью просушки облицовочных огнеупо­ ров, изложницы, надставки, ковши;

в) состав стали, влияющий как на растворимость водорода, так и на скорость его диффузии;

г) абсолютное количество газов в стали перед вакуумной об­ работкой;

д) способ вакуумной обработки.

Относительно последнего фактора следует сказать, что недо­ статок данных по различным вариантам вакуумной обработки в сравнимых условиях (одинаковое давление, температура ме­ талла, общий вес металла и продолжительность вакуумирова­ ния) не позволяет пока еще сделать окончательный вывод о пре­ имуществах того или иного варианта.

На заводе Бетлехем Стил при сравнении результатов опреде­ ления водорода из головной части слитка, отлитого в вакууме и

•из металла, взятого в промежуточном ковше, установлено, что

61

концентрация водорода уменьшается в среднем на 60% (с 3,6 сл13/100 г до 1,35 сл13/100 г), при содержании водорода в ста­ ли, выпускаемой из печи, 3,7 сл13/100 г [27]. При увеличении дав­

снижает количество выделяющегося водорода. Изменение содер­

ковша в ковш происходит, очевидно, некоторое насыщение ме­ талла водородом из футеровки ковша.

На рис. 34 построена теоретическая кривая растворимости

водорода в стали по закону Свертса [% Н]=К]/-Рн/ где ^н2 — парциальное давление водорода над металлом.

Несмотря на то, что обработка металла в вакууме на первый взгляд является процессом, далеким от состояния равновесия, опытные данные различных исследований хорошо совпадают с теоретической прямой. Очевидно, что высокая скорость диффу­ зии водорода приводит содержание водорода в металле в соот­ ветствие с его растворимостью при парциальном давлении водо­ рода в камере.

При разливке в вакууме, кроме общего снижения концентра­ ции водорода, происходит более равномерное распределение водо­ рода по сечению слитка. В заготовках, полученных из обычных слитков, концентрация водорода максимальна в центре заготов­ ки и минимальна у ее края. В заготовке из слитка, отлитого в вакууме, как показано на рис. 35, содержание .водорода почти одинаково по всему сечению заготовки. Неравномерность рас-

62

Рис. 34. Растворимость водорода в стали по тео­ ретическим и экспериментальным данным:

• —по данным А. Такса; ■ — по данным Л. М. Новика. А. М. Самарина, А. И. Лукутина; Д — по данным А. Столла; о — по данным Хоррнака и Ореховского

Содержание водорода /0~\ %

Рис. 35. Распределение водорода по сечению крупных поковок:

/ — обычная сталь; 2— сталь, подвергнутая вакуумированию

63/

64

обычной стали, изготовленных из верхней части слитка, обнару­ живается часто пористость и ликвационная неоднородность.

По данным Зд. Эмингера [26], при разливке в вакууме слит­ ков стали Ст.З и хромоникелемолибденовой (1,4% Сг; 1,4% Ni; 0,25% Мо), значительно сокращается зона столбчатых дендри­ тов и получает большое распространение зона мелких, равноос­ ных кристаллов. Чем дольше слиток находится в вакууме, тем шире зона неориентированных кристаллов, при этом ликвация в слитках, отлитых в вакууме, уменьшается, ликвационный квад­ рат становится шире и перемещается к наружной поверхности слитка.

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ И ФЛОКЕНЫ

Для слитков легированной стали [27], отлитых в вакууме, средний балл по неметаллическим включениям составил 0,06, а для обычных слитков— 1,6 по той же оценочной шкале .* После отливки в вакууме уменьшается количество и размер силикат­ ных включений. На заводе в Бохуме после вакуумной обработ­ ки количество окисных неметаллических включений снижается с 0,040 до 0,012%, в составе включений содержание SiOa и А12О3 уменьшается, а концентрация МпО становится ничтожно малой. Микроисследование рельсов из вакуумированной стали показало, что количество окисных включений уменьшилось с 1,5—2,5 до 0,5—1,5 балла, содержание сульфидных включений осталось почти неизменным.

Одним из наиболее пагубных пороков легированной стали являются флокены. Как правило, после вакуумной обработки флокеночувствительность стали резко падает.

Так, из 100 слитков легированной флокеночувствительной стали, отлитых в вакууме [27] и подвергнутых ультразвуковому контролю, не оказалось ни одного, пораженного флокенами.

Влегированных сталях, предназначенных для изготовления роторных и других ответственных поковок, после отливки и ох­ лаждения на воздухе флокены были найдены во всех пробах, а после вакуумной разливки при тех же условиях охлаждения флокены отсутствовали. Испытания на флокеночувствительность заключались в ультразвуковом контроле и травлении изломов гонких дисков для обнаружения трещин.

Врельсах из мартеновской стали после проката из 2-т слит­ ков и охлаждения на воздухе в 25 случаях из 100 обнаружили флокены, а после вакуумной обработки в тех же условиях ох­ лаждения образование флокенов снизилось в 5 раз. Это умень­ шение флокеночувствительности соответствовало уменьшению содержания водорода с 6,5 до 3,4 с.и1*3/100 а, дальнейшее пониже­

1 Включения оценивали по специальной шкале в баллах от 0 до 3. Вклю­ чения на шлифах разделяли на группы и оценивали их по выбранной шкале.

66

ние содержания водорода до 2 с.и3/100 г практически полностью устранило появление флокенов.

Во избежание появления закалочных трещин на поковках из самозакаливающихся сталей их необходимо отжигать. Продол­ жительность отжига поковок из вакуумированной стали значи­ тельно меньше, чем стали, разлитой на воздухе.

СВОЙСТВА СТАЛИ

Снижение содержания водорода, кислорода, количества окис­ ных включений, снижение флокеночувствительности не может не привести к улучшению механических, электрических и других свойств стали, обработанной в вакууме.

В табл. 18 показано изменение механических свойств стали после отливки крупных слитков в вакууме диаметром 1800 мм

[21].

и вакуумированной никелемолибденованадиевой стали.

Следует остановиться на механических свойствах рельсов из бессемеровского металла, подвергнутого вакуумированию. Как известно, бессемеровские рельсы дешевле рельсов из мартенов­ ской стали, но уступают им по качеству и вследствие этого име­ ют значительно меньшее применение.

Вакуумная обработка в ковше заметно улучшает качество бессемеровских рельсов. После нормализации рельсы из обра­ ботанной под вакуумом стали имеют относительное удлинение на 3%, а относительное сужение на 8—10% выше, чем рельсы из не вакуумированной стали. Ударная вязкость после присадки алюминия (300—500 а/т) достигает 5,0—5,5 кгм/см2 (что на 1^- 1,5 кгм/см2 выше, чем для рельсов из обычного металла), а при

—40° 2,5—4,0 кгм/см2 (на 1,5—3 кгм/см2 выше, чем для рельсов из обычного металла) [17].

67

ВАКУУМНЫЕ ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕЧИ

В настоящее время индукционная вакуумная лечь является одним из основных агрегатов вакуумной металлургии. В послед­ ние годы у ’индукционных печей появился серьезный соперник — дуговые вакуумные печи с более высокой производительностью. Однако в этих печах в основном можно лишь переплавлять ме­ талл данного состава.

В индукционных же печах можно не только переплавлять, но и выплавлять сплавы любого состава. По ходу плавки в ти­ гель индукционной печи можно добавлять легирующие, прово­ дить раскисление, измерять температуру, брать пробы металла, производить разливку при заданной температуре в изложницы или в литейные формы, можно вести плавку под любой атмосфе­ рой.

Индукционная вакуумная печь состоит из следующих основ­ ных узлов: плавильной камеры, где расположен плавильный ти­ гель и индукционная катушка; изложницы для разливки метал­ ла; вакуумной откачной системы; устройства для загрузки ших­ ты, раскислителей и легирующих, приборов контроля. Вакуум в современных вакуумных печах создается паромасляными диф­ фузионными или бустерными насосами; механическими бустер­ ными насосами, а также механическими насосами.

Непосредственно к печному корпусу через патрубки диамет­ ром до 1 м присоединяются бустерные или диффузионные насо­ сы. Создание предварительного разрежения в паромасляных на­ сосах производится механическими бустерными насосами и фор­ вакуумными насосами или только форвакуумными насосами. Откачка камеры печи от атмосферного давления до разрежения порядка 10-1— 10-2 мм рт. ст., как правило, производится фор­ вакуумными насосами; более глубокий вакуум порядка 10-3 — 10~4 мм рт. ст. достигается при помощи бустерных насосов. Час­ то большие печи имеют вспомогательные механические насосы, которые откачивают отсоединенные от печи разогретые бустер­ ные насосы, в то время как основные механические насосы ве­ дут откачку печи от атмосферного до рабочего давления. Круп­ ные откачные вакуумные системы, как правило, имеют ловушки для улавливания влаги и паров масла, фильтры, задерживаю-

69