Металлургия черных и цветных металлов

Было установлено, что после вакуумирования количество включений типа МпО и Сг20з уменьшилось на 70—80 %, а си­ ликатов на 50%. Однако следует отметить одно отрицательное явление плавки в вакууме — взаимодействие материала тигля с расплавом, которое в ряде случаев затрудняет получение ме­ талла с низким содержанием кислорода. При взаимодействии материала тигля с жидким металлом в глубоком вакууме про­ исходит восстановление оксида, восстанавливаемый элемент растворяется в железе и, раскисляя его, загрязняет металл ча­ стицами оксида. В связи с этим при вакуумной индукционной плавке важное значение имеет выбор материала тигля, кото­ рый обычно изготавливают из трудновосстановимых оксидов — оксида магния или диоксида циркония. Наряду с уменьшением кислорода при плавке в вакууме возможно удаление серы (в виде газообразных соединений с кислородом или элементар­ ной серы).

Известно, что растворимость водорода и азота в чистом жидком железе подчиняется закону квадратного корня из их парциального давления в газовой фазе

[H] = /CH V PHT; IN]=/CN V PN,

Температурные зависимости растворимости выражаются со­ отношениями

lg [Н] = (-1900/7') -1,577 + V, lg рн.; lg [N] = (-850/Т )-0,905 + V, lg pN,.

Из этих выражений следует, что снижение парциальных дав­ лений водорода и азота, т. е. наличие вакуума способствует их удалению из жидкого железа и соответственно из расплавов на

То же самое имеет место и для азота. При PN, = 100 кПа его растворимость в жидком железе при 1873 К составляет 0,044 %, а при давлении 0,13 Па — 0,001 %.

Наличие примесей и легирующих элементов естественно от­ ражается на величине растворимости. Для реальных сталей и сплавов концентрация водорода и азота может быть оценена из следующих уравнений:

lg [Н] = (-1900/7')-1,577 + V, lg р н ,- SeS [X],

lg [N] = ( - 850/Г) -0,905 + V, lg P N , - [X],

где ен, ей — параметры взаимодействия примесей или ле­ гирующих элементов; X — концентрация примесей или легирую­ щих элементов, %•

Выплавляемые в вакууме стали и сплавы отличаются от вы­ плавленных обычным путем значительной чистотой по составу и обладают лучшими механическими свойствами, лучшей де­ формируемостью в холодном и горячем состоянии. Коррозион­ ностойкие и жаропрочные стали, выплавленные в вакууме, отличаются повышенной коррозионной устойчивостью и более высокими механическими свойствами, а подшипниковые и низ­ колегированные стали содержат меньше примесей и характери­ зуются более высокими противоусталостными свойствами.

Вакуумную плавку особенно широко применяют для произ­ водства высоколегированных жаропрочных и жаростойких ста­ лей и сплавов с повышенным содержанием химически активных элементов (алюминия, титата и циркония), которые невозможно получить в открытых печах.

В вакуумных индукционных печах полунепрерывного дей­ ствия (наиболее совершенной конструкции) загрузка шихты, разливка стали и выдача слитков происходят без нарушения вакуума в плавильной камере. Имеются подобного рода печи, выплавляющие до 50 т стали за одну плавку.

Плавление в вакуумных печах производится при давлении 1,3—0,13 Па. Иногда для тщательного контроля (регулирова­

вают давление внутри печи в несколько паскалей за счет выде­ ляющихся газов или в печь впускают инертный газ (аргон). Тигли в вакуумных печах обычно набивные, изготавливаемые чаще всего из оксида магния или диоксида циркония. Магнези­ товая футеровка имеет то преимущество, что восстанавливае­ мый из нее магний испаряется и не загрязняет металл части­ цами оксида. Возможность загрязнения металла оксидами .эле­ ментов и элементами, восстанавливаемыми из материала тигля, практически устраняется при вакуумной дуговой плавке с рас­ ходуемыми электродами, осуществляемой в медной водоохлаж­ даемой изложнице.

§ 8. Электропереплавные процессы

Ряд отраслей промышленности предъявляет особо высокие тре­ бования к качеству сталей и сплавов. Для их производства в настоящее время широко используют переплавные процессы, иногда объединяемые под общим названием спецэлектрометаллургия. Эти процессы представляют собой различные ме­ тоды электропереплава слитков или заготовок, которые полу­ чают обычными способами, т. е. в электродуговых и марте­ новских печах или в кислородных конвертерах. В результате переплава достигается существенное повышение качества ме­ талла за счет удаления из него газов и неметаллических вклю­

установки расходуемого электрода и сборки кристаллизатора печь закрывается и вакуумируется. По достижении необходи­ мого разрежения (1,33 Па) включается ток. Происходит зажи­ гание дуги между электродом и затравкой кристаллизатора, сопровождающееся оплавлением расходуемого электрода. Об­ разующиеся капли жидкого металла, падая вниз, подверга­ ются дегазирующему воздействию вакуума. Пониженное дав­ ление в печи благоприятствует удалению из жидкого металла водорода и азота.

Скорость плавления электрода регулируется автоматически, причем она зависит от состава металла, массы слитка и вели­ чины подводимой мощности. Скорость плавления должна быть соизмерима со скоростью кристаллизации слитка.

В медном кристаллизаторе вследствие интенсивного отвода тепла образуется твердая корочка формирующегося слитка. При этом слиток отходит от стенки кристаллизатора, что затрупняет отвод тепла через них, и кристаллизация металла из

ищими недостатками вакуумных печей

и др.

Электронно-лучевой переплав (ЭЛП) осуществляют в элек­ тронно-лучевых вакуумных печах (рис. VI.И). Нагрев и плав­ ление металла в этих печах происходят за счет энергии, выде­ ляющейся при резком торможении свободных электронов, пу­ чок которых направлен на металл. Получение электронов, разгон их до больших скоростей, концентрация электронов в пу­ чок (луч) и направление его в зону плавления осуществляются электронной пушкой.

Электронная пушка имеет два электрода (катод К и анод А). Катод выполняют из тугоплавкого металла в форме кольца, плоской или йилиндрической спирали, части сферы или какойлибо другой криволинейной поверхности. Анод обычно изготов­ ляют в виде диафрагмы с отверстием. При нагреве до высокой температуры в глубоком вакууме (0,0133—0,00133 Па) катод начинает испускать поток электронов. Создание направленного потока электронов обеспечивается приложением высокого на­ пряжения (до 40 кВ) постоянного тока между катодом и ано­ дом. Возникающее электрическое поле придает потоку электро­ нов, выходящему из отверстия анода, большую скорость. Кон­ центрация потока электронов в узкий пучок и направление его на металл (расходуемый электрод) осуществляют с помощью ряда фокусирующих и отклоняющих устройств Ф, основанных на взаимодействии летящих с большой скоростью электронов с электрическим или магнитным полем.

Рис. VI. 12. Схема плазменно-дуговой печи с керамиче­ ским тиглем:

Для обеспечения равномерного нагрева металла в кристал­ лизаторе в крупных электронно-лучевых печах используют не­ сколько электронных пушек. Плавку в электронно-лучевых пе­ чах проводят при более низких остаточных давлениях и при большем перегреве металла по сравнению с вакуумно-дуговой плавкой. Это обеспечивает более эффективное удалениепри­ месей и получение металла с малым содержанием газов и вы­ сокими эксплуатационными свойствами.

Недостатками электронно-лучевой плавки являются высо­ кая стоимость и сложность оборудования, а также изменение состава металла при переплаве шихты, содержащей легкоиспаряющиеся элементы.

Плазменно-дуговой переплав (ПДП) осуществляют в плаз­ менно-дуговых печах, в них выплавляют сталь из обычных ших­ товых материалов методом переплава. Применяют также печи, предназначенные для переплава, снабженные водоохлаждае­ мым кристаллизатором.

В настоящее время* получают все большее распространение плазменные печи с керамическим тиглем (рис. VI. 12). Эксплуа­ тируются печи вместимостью до 35 т и проектируются 50— 70-т печи. Конструктивно плазменная печь выполнена анало­ гично дуговым печам, т. е. с подъемом и поворотом свода

в сторону разливочного пролета. Кожух печи разъемный и пре­ дусматривает возможность быстрой смены футеровки вместе с верхней секцией кожуха. Футеровка выполнена из магнези­ тового или хромомагнезитового кирпича. Нагрев и расплавле­ ние шихты производят с помощью плазмотрона, за счет плаз­ менной дуги, возникающей между катодом и металлом. Ме­ талл соприкасается с подовым водоохлаждаемым анодом.

Источником тепла в плазменно-дуговых печах является низкотемпературная плазма, представляющая собой ионизиро­ ванный газ, нагретый до высоких температур (30 000 °С). Плазменно-дуговые печи обеспечивают высокую скорость плав­ ления, гибкое регулирование теплового режима, создание конт­ ролирующей атмосферы в широком диапазоне давлений. При плавке в нейтральной атмосфере в плазменно-дуговых печах создаются условия для достаточной дегазации металла, вы­ плавки металла с низким содержанием кислорода, водорода и азота; в значительной мере устраняется возможность испаре­ ния элементов, обладающих высоким давлением пара. При этом не требуется дорогостоящего вакуумного оборудования, что характерно для вакуумных печей.

Кроме указанных достоинств, плазменно-дуговые печи более просты по конструкции, чем вакуумные индукционные и элек­ тронно-лучевые печи, и капитальные затраты на их сооружение мало отличаются от затрат на строительство обычных электродуговых печей.

Опыт эксплуатации плазменных печей с керамическим тиг­ лем показал, что они могут успешно конкурировать и заменять открытые дуговые электропечи. Они обеспечивают решение та­ ких задач как: повышение качества металла, уменьшение угара шихты и экономия расхода легирующих и графитовых электро­ дов, резкое снижение уровня шума и улучшение экологических условий (исключение газо- и пылевыбросов), более полная ав­ томатизация и механизация технологического цикла плавки.

Кроме плазменно-дуговых печей с керамическим тиглем ши­ роко применяют печи с водоохлаждаемым кристаллизатором. Вместимость этих печей весьма разнообразна: от нескольких килограммов до 5 т. Так печь У-600, разработанная институ­ том им. Е. О. Патона, позволяет выплавлять 5-т слитки. В этих печах осуществляют капельный переплав заготовок, но воз­ можна также плавка гранулированной или пакетированной шихты.

Печи имеют один или несколько плазмотронов (печь У-600 6 шт.), различно расположенных относительно водоохлаждае­ мого кристаллизатора. Плазмотроны работают на постоянном или переменном токе. Наиболее широко применяют дуговые плазмотроны постоянного тока. Они состоят из одного или двух электродов, разрядной камеры и узла подачи плазмооб­

шение температуры и ионизацию газа по реакции Г=Г++е, т. е. в газовой фазе появляется положительно заряженные ионы и электроны.

Высокие температуры вызывают плавление конца элект­ рода. При капельном плавлении металла и далее при переме­ шивании его в кристаллизаторе происходит рафинирование ме­ талла от газов и неметаллических включений. Формирование слитка направленной кристаллизации осуществляется в водо­ охлаждаемом кристаллизаторе, обычно изготовляемом из меди и имеющем различную форму (цилиндрическую, квадратную, прямоугольную и т. д.).

Электрошлаковый переплав (ЭШ П)— один из наиболее простых, экономичных и широко распространенных способов получения высококачественных сталей и сплавов, не требую­ щих дорогого и сложного, в том числе и вакуумного, оборудо­ вания (рис. VI. 13). Способ электрошлакового переплава раз­ работан Институтом электросварки им. Патона АН УССР.

Предварительно выплавленный в дуговой электропечи и прокатанный металл используют в качестве расходуемого электрода. Применяют также кованый или непрерывнолитой металл. Источником тепла при электрошлаковом переплаве является шлаковая ванна, нагреваемая за счет прохождения

модействие жидкого металла со шлаком обеспечивают высо­ кую чистоту слитка от серы и неметаллических включений. На­

и исключает образование в слитке дефектов усадочного и лйквационного происхождения. Способом ПЭШО отливают круп­ ные кузнечные слитки массой от 50 до 200 т.

Вопросы для самопроверки

1.Какие преимущественно стали выплавляются в электрических печах?

2.Из каких основных частей состоит электродуговая печь?

3.Из каких огнеупоров выполняется футеровка электродуговой печи большой мощности?

4.Каковы характеристики графитированных электродов и технология их изготовления?

5.Какие устройства и приборы включает электрооборудование дуговой

печи?

6.Что представляет собой система отвода и очистки газов электродуго­ вой печи? Какова норма запыленности газов с точки зрения экологии?

7.В чем преимущества электродуговых печей постоянного тока?

8.Какие шихтовые материалы используют при электроплавке?

9.Какие особенности технологии плавки в мощных электропечах?

10.По каким реакциям удаляются фосфор и сера при электроплавке?

11.Как осуществляется плавка под белым и карбидным шлаком?

12.Определить годовую производительность 200-т электродуговой печи при длительности плавки 3 ч, числе рабочих суток 320 и выходе годных слит­ ков по отношению к массе жидкой стали 98 % ?

13.Почему в печах с кислой футеровкой используют шихтовые материалы, чистые от серы и фосфора?

14.За счет чего в вакуумных электрических печах достигается снижение

вметалле содержания кислорода, водорода и азота?

15.Оценить конечное содержание водорода в стали, предназначенной для

изготовления корда, подвергнутого циркуляционному вакуумированию. Со­ став жидкой стали, %: С 0,70, Si 0,3, Мп 0,5. Температура вакуумирования 1600°С. Глубина вакуума 15 Па.

eg = 0,06, е^' = 0,027, е$" = 0,001.

16.Что представляет собой вакуумно-дуговой переплав?

17.В чем состоит сущность электронно-лучевого переплава?

18.Каковы особенности плазменно-дугового переплава?

19.В чем состоит сущность электрошлакового переплава?

20.Определить эффективную температуру при ЭШП стали ШХГ5 в кри­

сталлизаторе диаметром 400 мм при силе тока 10 кА, напряжении на шлако­ вой ванне 60 В н глубине шлаковой ванны Яш=150 мм. 7,Лжн=1433 К; р°уд = =400 Вт/см; Гт.х-500 К.

Рекомендательный библиографический список

Воскобойников В. Г., Кудрин В. А., Якушев А. М. Общая металлургия.—

М.: Металлургия, 1985.— 480 с.

Григорян В. А., Белянчиков Jl. Н., Стомахин А. Я. Теоретические основы

электрошлаковых процессов.— М.: Металлургия, 1987.— 272 с.

Клюев М. М., Волков С. Е. Электрошлаковый переплав.—М; Металлур­

гия, 1984.— 208 с.