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

го они вываливаются из дозатора в совок или другое промежу­ точное устройство, необходимое для спокойного введения мате­ риалов в жидкую ванну. Иногда делают неподвижной вертушку, а вращающимся дно. В некоторых вариантах секционная вер­ тушка заменена стаканчиками с открывающимися донышками; при повороте всего устройства очередной стаканчик оказывает­ ся над отверстием, донышко откидывается и стаканчик опорож­ няется. Недостаток дозаторов данного типа заключается в за­ труднениях с поворотом вращающихся частей, связанных с нали­ чием мелких кусочков металлов, тормозящих нормальное дви­ жение. Проще в работе неподвижные дозаторы, которые в виде отдельных магазинов установлены внутри корпуса печи. Затво­ рами днищ магазинов управляют снаружи.

Дозаторы, расположенные снаружи печи, присоединены к корпусу печи шлюзом с вакуумным шибером. После зарядки до­ затора необходимым ферросплавом крышку камеры дозатора герметически закрывают, камеру откачивают, открывают ваку­ умный шибер, отсоединяющий камеру дозатора от печи, и высы­ пают содержимое в совок. Дозаторы этого типа выгодно отли­ чаются от дозаторов, помещаемых внутри печи, тем, что в них отсутствуют движущиеся части, часто застревающие при пере­ мещении ферросплавов, а также большей оперативной свободой. В ходе плавки можно изменять количество и вид легирующих компонентов, чего нельзя делать при работе с внутренними до­ заторами.

Температура металла в тигле вакуумной индукционной печи измеряется либо термопарой погружения, либо оптическим пи­ рометром.

Термопара погружения может быть введена в печь через шлюзовое устройство, позволяющее менять защитные колпачки и производить ремонт термопары по ходу плавки; иногда тер­ мопару укрепляют внутри печи на держателе, приводимом в действие снаружи печи специальным вакуумным вводом. Спо­ соб измерения температуры бесконтактным пирометром не нуж­ дается в дополнительных вводах через корпус печи, которые всегда представляют возможность для возникновения течи. Используемые в настоящее время фотоэлектрические цветовые пирометры, основанные на принципе измерения отношения ин­ тенсивностей красно-синего излучения, дают достаточно надеж­ ные и более точные показания, чем обычные оптические пиро­ метры. Для хорошей работы пирометра гляделка, через которую визируют пирометр, должна иметь приспособления защиты от налета конденсата или щетку для очистки от осевших загряз­ нений.

Для успешного проведения плавки большое значение имеют тигель и материалы, из которых он изготовлен. Выше было по­ казано, как футеровка может влиять на загрязненность метал-

80

ла. В настоящее время наиболее употребительны футеровки из основных или нейтральных окислов алюминия, магния, цирко­ ния, тория, бериллия.

Хорошую стойкость (30—50 плавок) показали тигли из плав­ леной окиси магния. Для изготовления этих тиглей использова­ ли смесь, состоящую из различных по крупности зерен магне­ зии: 41,5% зерен от 1 до 2 мм; 22,3% от 0,2 до 0,5 м; 21,2% от

0,06 до 0.12 мм и 15% зерен размером менее 0,06 мм. Плотность такой смеси составляет 2,65 г/см3. Тигель, набитый из плавле­ ной магнезии, сначала обжигали с помощью графитового шаб­ лона при 600—800° на воздухе, затем при разрежении до 20 мм рт. ст. шаблон нагревали до 1700°; в дальнейшем доводили температуру на внутренней поверхности шаблона до 2500°. Та­ кой нагрев требовался для спекания чистой MgO, плавящейся при 2800°. Во время спекания давление повышали до 200 мм рт. ст. Перед открыванием печи ее продували азотом, во избежание взрыва газа, состоящего на 60% из СО и на 40% из Н2. Внутрен­ няя поверхность тигля была светло-серой или белой, гладкой без повреждений. Поверхностный слой содержал 62% MgO, 17% Mg, 3% С, менее 0,02% Fe и 0,23% Si.

В таких тиглях плавили, в частности, чистое железо. После двухчасовой выдержки в вакууме 10-3—10* 4 мм рт. ст., заметно­ го повышения содержания кислорода в металле не наблюда­ лось [34].

Хорошей стойкостью обладают также тигли емкостью до 20 кг из двуокиси циркония. Двуокись циркония предваритель­ но переплавляют в дуговой печи, затем ее дробят и порошок двуокиси циркония набивают вокруг графитового шаблона, да­ лее ведут спекание на воздухе при очень высокой температуре до оплавления поверхностного слоя. После извлечения графита поверхность тигля должна быть глазурованной.

Рекомендуется также набивать тигли смесью MgO с А12О3 в соотношении 60:40 или 70:30.

При изготовлении тиглей необходимо исключать из состава огнеупорных масс газящие или влажные материалы, реагирую­ щие с металлом.

Для лабораторной печи емкостью 5—6 кг тигель готовят сле­ дующим образом: индукционную катушку изнутри обмазывают жидким стеклом, которое служит футляром для засыпки из окиси алюминия. В качестве огнеупорного материала для тепловой изо­ ляции используют химически чистую окись алюминия (99,6% А120з), размолотую до 325 меш. При проведении плавок окись алюминия у стенок тигля не спекается и служит хорошим изоли­ рующим слоем. Сверху воротник делают из глиноземистого це­ мента. Внутрь индуктора вставляют литой тигель из окиси алю­ миния А12О3. Тигли внутри индуктора устанавливают на кирпи­ че либо из стабилизированной двуокиси циркония, либо из глино-

ление пыли. Необходимо всегда помнить, что залогом успешной работы вакуумной печи является гигиена вакуума, т. е. тщатель­ ная очистка печи от пыли и конденсата и регулярный осмотр все­ го вакуумного оборудования.

В заключение следует сказать об экономике вакуумной плав­ ки. Данные по этому вопросу очень разрозненны и ограниченны. По данным работы [35] стоимость тонны металла, выплавленного в 450-кг вакуумной печи полунепрерывного действия на 2200 дол­ ларов больше, чем стоимость тонны металла, выплавленного в обычных условиях; по другим данным, удорожание при выплав­ ке в вакууме может доходить до 150%.

Интересно сравнить калькуляцию стоимости стали, выплав­ ленной в открытой и вакуумной печах (на 1 кг металла), в ус­ ловных единицах:

Эти данные характеризуют работу 450-кг печи производитель­ ностью 900 т в год.

Общие расходы на электроэнергию для вакуумной печи по сравнению с открытой, увеличиваются на 50% в результате по­ требления электроэнергии вакуумными насосами. Стоимость обычной печи составляет 120000 долларов, стоимость вакуумной печи — 300 000 долларов, причем продолжительность амортиза­ ции для той и для другой печи принята 5 лет. Накладные расхо­ ды в обоих случаях приняты равными 100% от общей суммы рас­ ходов. Эти данные лишь примерно показывают соотношение не­ которых составляющих себестоимости для вакуумной и для открытой плавки. Основную статью в стоимости металла состав­ ляет стоимость самой вакуумной печи. При определении эконо­ мичности вакуумных печей необходимо помнить, что большие за­ траты на оборудование могут с лихвой окупаться при производ­ стве в печах специальных сплавов, которые трудно или вовсе не­ возможно производить в открытых печах.

6»

ВЛИЯНИЕ ВЫПЛАВКИ В ВАКУУМЕ НА СВОЙСТВА МЕТАЛЛА

Рассмотрим влияние выплавки в вакуумных индукционных печах на свойства шарикоподшипниковой, конструкционной, не­ ржавеющей стали и жаропрочных сплавов

Рис. 43. Зависимость предела усталости от числа циклов до разрушения:

Как известно, большое значение имеет однородность механи­ ческих свойств металла по всем направлениям.

В обычных сталях механические показатели поперечных и продольных образцов сильно отличаются друг от друга. Для ста­ ли марки 4340* после выплавки в вакууме предел усталости в продольном направлении увеличился с 63 кг!мм2 до 79,8 кг1мм2.

* Сталь марки 4340 имеет следующий состав: 0,38—0,43% С; 0,6— 0,8% Мп; 0,20—0,35«/о Si; 1,65—2,00% Ni; 0,7—0.9% Сг; 0,2—0,3% Мо.

84

Предел усталости в поперечном направлении после выплавки в вакууме почти не отличается от величины усталости в про­ дольном направлении, в то время как сталь, выплавленная в от­ крытой печи, обычно характеризуется значительной разницей между этими показателями. На рис. 43 представлена зависимость предела усталости от числа циклов до разрушения для стали 4340 [37] на продольных и поперечных образцах. При ковке слитков той же марки стали развесом по 900 кг, выплавленных в вакуумной печи, допустимое обжатие в поперечном направлении увеличивается с 15 до 31%. Имеются и другие указания на то, что после выплавки в вакууме металл становится более однород­ ным. Так, сплав с 12% Ст после обычной плавки имел относитель­ ное удлинение в продольном направлении 15%, а в поперечном — 5%; после вакуумной плавки эти показатели соответственно со­ ставили 20 и 14—19% [38].

Вакуумирование стали при выплавке в индукционных печах положительно сказывается на увеличении предела прочности ме­ талла. В этом отношении подробным исследованиям была под­ вергнута шарикоподшипниковая сталь. Как известно, длитель­ ность работы ответственных подшипников в точных приборах имеет большое значение, так как выход подшипников из строя приводит к серьезным авариям. Часто поломка подшипника вы­ зывается тем, что неметаллические включения, расположенные близко к поверхности, под влиянием знакопеременной нагрузки выкрашиваются. Это вызывает местные напряжения в металле, превышающие допустимые величины. После выплавки в вакууме шарикоподшипниковой стали величина знакопеременной нагруз­ ки может быть увеличена на 50%. По некоторым данным возрас­ тание допустимых нагрузок для подшипников из такой стали объясняется уменьшением содержания неметаллических включе­ ний после вакуумной плавки. Металлографическая оценка шли­ фов шарикоподшипниковой стали по шкале JK показала, что в вакуумной стали количество мелких включений оценивается в 1 —1,5 балла, а для обычной стали — в 2,5 балла.

На рис. 44 сравниваются свойства шарикоподшипниковой ста­ ли 52100,* выплавленной на воздухе и в вакуумной печи. Значи­ тельно улучшаются рабочие характеристики подшипников, изго­ товленных из стали с 1% V, 5% Сг, 5% Мо, 0,65% С, выплавлен­ ной в вакуумной печи. Если подшипники из рядовой стали имели стойкость 150 час. при нагреве до 200°, то из стали того же соста­ ва, но выплавленной в вакууме, удалось изготовить подшипники, работающие при 400° при той же нагрузке, причем стойкость их увеличилась в 7 раз — до 1080 час. [39]. Ударная вязкость стали 52100, выплавленной в вакууме, возрастает в 2 раза, а темпера­ тура порога хрупкости снижается со 100 до 35° [48].

* Состав стали 52100: 0,95—1,10% С; 1,3—1,6% Сг; 0,25—0,45% Мп; 0,2—0,75% Si.

85

Положительные результаты достигнуты и при выплавке в ва­ кууме стали других марок, в частности хромоникелевой стали.

Например, после переплава в вакууме хромоникелевой стали типа 16-16 предел прочности при 700° и выдержке в течение 1000 и 5000 час. составил соответственно 14,5 и 10,0 кг/лш21; для обыч­ ной стали и этот предел составляет соответственно 10 и 7 кг!мм2.

Как известно, одним из наиболее существенных недостатков хромоникелевой нержавеющей стали является ее склонность к интеркристаллитной коррозии.

Радикальным средством борьбы против интеркристаллитной коррозии является уменьшение содержания углерода ниже пре­ дела растворимости его в аустените, т. е. ниже 0,02%, однако выплавка нержавеющей стали с таким содержанием углерода в дуговых печах, даже с применением кислорода, представляет значительные трудности в связи с отсутствием феррохрома, содержащего менее 0,06% С. Производство безуглеродистого феррохрома, получаемого восстановлением в вакууме, в промыш­ ленном масштабе у нас пока не освоено '. Малоуглеродистую не­ ржавеющую сталь можно получить путем переплава отходов ря­ довой нержавеющей стали в вакуумных индукционных печах2.

Плавки проводили в тиглях из двуокиси циркония. На рис. 45 представлен ход обезуглероживания металла в течение плавки при давлении 1—2 мм и 0,02 мм рт. ст. Кинетика обезуглерожи­ вания, как это следует из рис. 45, не зависит от давления в печи. Для получения стали, содержащей менее 0,02% С, требуется вы­ держка не менее 50 мин. при температуре не ниже 1600°. Столь

1 Содержание углерода в «вакуумном» феррохроме составляет менее

0,02—0,03% С.

2 Б. В. Линчевский, А. М. Самарин, Доклад на 2-й конференции по применению вакуума в металлургии, 1958 г.

86

длительная выдержка объясняется отчасти тем, что переплавля­ ли отходы раскисленной стали. Расплавление вели в открытой печи с целью окисления металла. В первой половине плавки ме­ талл очень сильно кипит, некоторая часть металла выплескива­ ется из тигля. К концу плавки кипение уменьшается, однако со-

снижается до 0,0020% при незначительном снижении концентра­ ции углерода, а в дальнейшем концентрация кислорода возраста­ ет. Причем при плавке в магнезитовых тиглях содержание кисло рода в нержавеющей хромоникелевой стали может достигнуть предела растворимости его в этих сталях. Как указывает Дж. Мур [41], в начальном периоде плавки скорость реакции обез углероживания больше скорости реакции взаимодействия метал­ ла с футеровкой, но затем скорость насыщения металла кислоро­ дом из тигля превышает скорость удаления кислорода путем об­ разования окиси углерода и концентрация кислорода возрастает.

Лучший способ получения стали с минимальным содержани­ ем кислорода — раскисление силикомарганцем с алюминием; ко­ нечное содержание кислорода в металле при таком раскислении оказалось равным 0,004—0,006%. Содержание азота при плавке в тиглях из двуокиси циркония изменялось очень незначительно^ а при плавке в тиглях из MgO содержание азота уменьшалось на

40—50%.

88

На механические свойства нержавеющей стали в значитель­ ной степени влияют углерод и кислород. Снижение в результате вакуумной плавки содержания этих элементов благоприятно ска­ зывается на пластичности стали. На рис. 47 показано влияние содержания кислорода на ударную вязкость малоуглеродистой нержавеющей стали; уже при небольшом повышении концентра­ ции кислорода ударная вязкость резко падает. Нержавеющая сталь, выплавленная в вакууме, обладает высокими антикорро­ зионными свойствами. Испытания на интеркристаллитную кор­ розию показали, что сталь, содержащая менее 0,025% С, лишь незначительно, на 1—4%, меняет свое электросопротивление, а потери в весе при кипячении в растворе концентрированной азот­ ной .кислоты составляют от 0,2 до 0,6 г/м2 ■ час (образцы после от­ жига при 650°); в то же время в стали с повышенным содержани­ ем углерода (до 0,1%) изменение электросопротивления в отож­ женных образцах достигает величин порядка сотен процентов, а потери в весе 25—30 г/м2 ■ час\ стойкость отожженной стали с вы­ соким содержанием углерода в 100—150 раз ниже стойкости ста­ ли, выплавленной в вакууме.

На рис. 48 представлена кинетика коррозионного разрушения образцов стали, выплавленной в вакууме, и обычной стали

1Х18Н9.

Особое значение низкоуглеродистая беститанистая сталь име­ ет для изготовления электродов. Дело в том, что большая часть титана при сварке (в случае электрода из стали типа *1Х18Н9 выгорает и не переходит из сварочного электрода в металл свар­ ного шва, в связи с чем швы сварных соединений, если их не под­ вергнуть соответствующей термической обработке, приобретают склонность к межкристаллитной коррозии. Применение свароч­ ных электродов с содержанием углерода менее 0,02% позволит производить высококачественную сварку с коррозионноустойчи­ вым швом. Поэтому, если метод выплавки нержавеющей стали в вакуумных индукционных печах из-за его сложности нельзя ре­ комендовать в качестве способа массового производства низкоуглеродистой стали, то его можно использовать для металла элек­ тродной проволоки и особо ответственных деталей.

Втабл. 20 представлено влияние выплавки в вакууме на ме­ ханические свойства высокопрочной нержавеющей стали [41].

Температурный порог хрупкости этой стали при выплавке в вакууме снижается с 100—125 до —50°, а ударная вязкость воз­ растает с 0,2 до 10—15 к.гм/см2.

Впоследнее время появились сообщения о выплавке в ваку­ уме нержавеющих хромистых, хромомарганцовистых и других

сталей.

Ваттные потери в вакуумной трансформаторной стали (только в результате изменений химического состава) на 15—20% ниже, чем в стали, выплавленной в открытой печи. В 2—8 раз увеличи­ вается магнитная проницаемость, в 2,5 раза уменьшается коэр-

89-