Вакуумная металлургия

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В ВАКУУМНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ

У. Д ж о н с

КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Плавка металла в вакуумных индукционных печах в США получила промышленное развитие только в последние годы. Однако первые по­ пытки внедрения вакуума в металлургические процессы следует отнести к 20—30 гг. текущего столетия, когда в Германии были проделаны в этом направлении значительные работы. Основное внимание было направлено тогда на дегазацию металла в вакууме, и поэтому задачи вакуумной метал­ лургии того периода несколько отличаются от задач настоящего вре­ мени.

Давления в первых печах были гораздо выше по сравнению с печами современных конструкций. Насосы не были приспособлены для откачки больших объемов газа при очень низком давлении. Несмотря на это, в ваку­ уме были выплавлены тонны подшипниковой и инструментальной стали с повышенными свойствами.

годы

Фиг. I. Эксплуатационные температуры деталей из жаропрочных сплавов.

Дальнейший прогресс в этой области (с 30-х гг.) сдерживался отставанием в развитии высокопроизводительных масляных вакуумных диффузионных насосов. После второй мировой войны быстрое раз­ витие вакуумной техники значительно продвинуло использование в металлургии вакуума и сделало этот новый процесс более практически

возможным.

Стимулом расширения использования вакуума в промышленности послужило широкое применение авиационных газовых турбин, а следо­ вательно и жаропрочных материалов, работающих при высоких темпера­ турах. На фиг. 1 представлено повышение эксплуатационных температур жаропрочных сплавов за последние 15 лет. Совершенно очевидно, что внедрение вакуума в металлургию сильно способствовало (примерно с 1952 г.) улучшению жаропрочных свойств сплавов. Надо полагать, что

дальнейшее расширение вакуумной металлургии, несомненно, окажет более благотворное влияние на повышение жаропрочности этих мате­ риалов.

Цель плавки в вакууме

Настоящая работа посвящается главным образом рассмотрению технологии плавки в вакууме, но не анализу результатов применения вакуумной плавки, поэтому вначале желательно выявить преимущества использования этого процесса. Сплавы, которые могут быть выплавлены в вакууме, значительно чище по составу и прочнее сплавов, выплавляемых

обычным способом. Увеличение степени чистоты подшипниковых сталей, например, способствует удлинению срока службы подшипников в ответственных агрегатах. Различие в чистоте подшипниковой стали, выплавленной в вакууме и на воздухе, дается в баллах по шкале JK Американского общества испытания материалов; например сталь 52 100, выплавленная в вакууме, имеет 1—1,5 балла тонких включений ABCD, а та же сталь, выплавленная на воздухе, — 2,5 балла тонких и 2 балла крупных включений (результаты оценки при помощи 100 металлографи­ ческих полей).

Различие также существует и в частоте макровключений, которые хорошо видны на изломе образца (фиг. 2). Такой контроль чистоты при­ годен и для материалов, выплавляемых в вакууме. Все же существую! такие марки сплавов, которые трудно, а иногда и совсем невозможно получить с высокой степенью чистоты, например низколегированные стали с высоким содержанием кремния и марганца, вследствие большого количества включений.

Одним из важных преимуществ сплавов, выплавляемых в вакууме, является улучшение их механических свойств. Получение более высокой пластичности и повышенного предела усталости этих сплавов объясняется уменьшением их загрязнения. Увеличение длительной прочности и предела

ползучести при высокой температуре есть результат упрочняющего дей­ ствия, оказываемого алюминием, титаном или цирконием, которые при плавке стали в вакууме не загрязняют ее окислами или нитридами. Улучшение свойств сплава М-252, выплавленного в вакууме, показано на фиг. 3 и 4.

Плавка в вакууме дает возможность получать новые, более прочные металлы по сравнению с существующими марками сплавов. Сплавы

выплавленного на воздухе и в вакууме.

иа железной, никелевой или кобальтовой основах содержат большие

в ближайшее время новые сплавы, отвечающие растущим современным требованиям.

Наконец, важным достоинством производства металлов в вакууме является высокая степень однородности свойств слитков—как для одной, так и в пределах нескольких плавок. Это в некоторой степени можно отнести за счет высокого качества шихты и большой тщательности про­ ведения вакуумного технологического процесса. Однако большинство преимуществ такого производства металлов заключается в вакуумной плавке, так как последняя исключает ряд трудно учитываемых пере­ менных факторов плавки на воздухе.

Оборудование

Оборудование, необходимее для индукционной вакуумной плавки, состоит из индукционной печи, смонтированной внутри корпуса, при­ соединенного к вакуумным насосам, и источника электропитания. Су­ ществует много различных конструкций и модификаций вакуумных печей, выплавляющих качественный металл, но обсуждение особенностей их не является целью настоящей работы. Имеются вакуумные печи, которые в состоянии выплавлять регулярно до 1350 кг металла за плавку.

(Детройт).

нии 4 мк рт. ст. и двух механических форвакуумных насосов. Корпус печи откачивается до давления 0,5 мк рт. ст. При нахождении в тигле жидкого металла поддерживается вакуум порядка 1 мк рт. ст. Питание к печи подается от установки мощностью 350 ква при напряжении 440 в и частоте 960 гц через соосные силовые вводы, что обеспечивает непрерыв­ ную подачу мощности независимо от положения печи.

Главной особенностью этой печи является возможность проведения многих плавок без нарушения вакуума в плавильной зоне. Она может, например, работать в течение недели, не сообщаясь с атмосферным воз­ духом, что улучшает производительность установки и качество готового металла.

Давление при вакуумной плавке

Вопрос о необходимости достижения глубокого вакуума порядка не­ скольких микронов в процессе плавки в индукционных печах неоднократно обсуждался. С точки зрения экономичности процесса глубокий вакуум имеет серьезное значение. Но получение весьма низких давлений значи­ тельно удорожает процесс, поскольку возрастают расходы на вакуумные насосы и увеличивается продолжительность плавки. С теоретической же точки зрения низкие давления необходимы для полноты протекания хими­ ческих реакций, и поэтому развитие вакуумной техники шло по линии создания машин для получения более глубокого вакуума.

На фиг. 10 представлены величины давлений при разливке двух спла­ вов. На этой диаграмме дается также сравнение свойств сплава на кобаль­ товой основе GE-1570 (2 плавки выполнены при давлении 400—800 мк рт. ст., остальные при 20—70 мк рт. ст.). Металл, выплавленный при более

концентрация кислорода оказалась больше 0,026%; то же самое количе­ ство кислорода получено при давлении во время плавки, равном примерно 1 мм рт. ст. При достижении более глубокого вакуума концентрация кислоро­ да в металле уменьшается до 0,002%, содержание азота также уменьшается.

Время до разрыва.часы

Фиг. 12. Зависимость времени до разрыва от скорости натекания при испытании образца из сплава юдимет-500 на длительную прочность при 870° и напряжении 17,5 кг/мма.

Газы в плавильной камере

Как уже отмечалось, в вакуумных печах всегда имеется то или иное количество различных газов в период цикла плавки. Какие это газы и как они возникают, — было темой неоднократных дискуссий.

На одной из печей были получены некоторые сведения с помощью масс-спектрографа. Это — прибор контрольного типа, позволяющий пронз-

водить анализы в широкой области давлений через определенные интер­ валы времени.

Для измерения относительных количеств отдельных газов оказалось невозможным упростить присоединение масс-спектрографа к вакуумной печи. Давление в плавильной камере было настолько низким, что газ не поступал в прибор.

Техника отбора проб заключалась в следующем: печь отключали на 1 мин. от насосов, и повышение давления в ней давало возможность производить анализ газа. На фиг. 15 показаны результаты масс-спектро- графического анализа во время плавки и разливки сплава GE-1300 (прира­ щение давления вследствие выделения газов). Анализы производились через

Фиг . 15. Масс-спектрографический анализ газов при плавке и разливке сплава GE-1300.

каждые 7 мин. в процессе плавки. На фиг. 16 для сравнения показана кри­ вая изменения общего давления плавки, измеренного альфатроном.

Кривые фиг. 15 и 16, построенные с момента включения тока, показы­ вают сначала дегазацию, а затем резкое увеличение давления СО и начало реакции обезуглероживания. Этот ранний период характеризуется боль­ шим количеством выделяемого газа и повышением общего давления, замеренного альфатроном до 20 мк рт. ст. Примерно через 1,5 часа обезу­ глероживание первой загрузки шихты заканчивается, после чего произ­ водится вторичная ее завалка. В этот момент давление СО снова подни­ мается, но поскольку в ванну поступает не так много металла, как в пер­ вый раз, то и пик подъема давления невысокий. Далее давление СО посте­ пенно понижается в течение 1 часа до соответствующей величины, вводятся добавки в ванну, после чего СО в атмосфере почти не обнаруживается. Содержание азота с начала плавки остается на низком уровне, но после вторичной загрузки металла давление азота возрастает до заметной величины. Повышение содержания азота может объясняться введением в плавку хрома, содержащего до 0,06% азота. После вторичной загрузки шихты возрастает и содержание кислорода, что может быть следствием содержания в хромистом металле до 0,04% кислорода.

Количество этих двух газов, подлежащих удалению из плавки, прогрессивно уменьшается вплоть до момента введения добавок.

На основании этих данных важно отметить, однако, что добавки вводятся очень рано и что содержание кислорода и азота не достигает же­ лаемого уровня. После введения добавок содержание свободного азота быстро уменьшается, что свидетельствует о соединении его с титаном, цирконием или алюминием. Количество кислорода и водорода после вве­ дения добавок на короткое время возрастает, что связано с появлением в газовой фазе водяных паров.

Эти в высшей степени вредные реакции, возникающие при введении добавок, не позволяют использовать их в присущей им форме для упрочне­ ния, а образуемые ими соединения рассматриваются как нежелательные

Фиг. 16. Изменение давления в печи в про­ цессе плавки сплава GE-1300.

включения, которые оказывают вредное влияние на свойства материалов. Водород, обнаруживаемый масс-спектрографом, по-видимому, образуется в результате диссоциации водяных паров или из материалов шихты. При разливке наблюдается заметное возрастание давления вследствие выделения газов из разливочных устройств или из изложниц, поэтому их необходимо прокаливать перед использованием.

Применение масс-спектрографа в вакуумных печах является сравни­ тельно новым методом анализа газов, поэтому здесь дается лишь общее представление о том, в каком направлении может идти его использование в будущем для точного контроля плавки в вакуумных печах.

Сырые материалы

Для переплава в вакуумных печах применяются сырые материалы очень высокой чистоты, которая имеет огромное значение для контроля и управления процессом плавки. Скрап для переплава в вакуумных печах должен накапливаться в виде отходов собственного производства. Однако полное его использование требует значительного времени, что во многих случаях делает экономическую значимость такого процесса сомнительной. Электролитические, а также и другие по­ добные материалы, как показывает масс-спектрографический анализ, содержат большие количества газов, удаление которых вызывает не­ которые трудности и затрату времени. Огромное внимание уделяется включениям, которые могут попадать в расплав вместе с сырыми материя-