Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

то возможности оперативного вмешательства и корректировки со­ става металла по ходу плавки ограничены. В связи с этим при ВИП обычно необходимы точный предварительный расчет и тщательное

взвешивание шихты.

К шихтовым материалам для ВИП предъявляют высокие тре­ бования. Поскольку в процессе плавки отсутствуют условия для заметного удаления фосфора и серы, шихтовые материалы тщательно анализируют на содержание этих вредных примесей. При выплавке жаропрочных сталей и сплавов, занимающих большой удельный вес в сортаменте металла, выплавляемого в индукционных вакуум­ ных печах, в исходных материалах должно быть ограничено содер­ жание цветных металлических примесей. Вакуумные плавки поз­

этому все шихтовые материалы желательно подвергать предваритель­ ной дегазации при температуре 800—900° С и давлении 133,3 — 13,33 Па (1,0—0,1 мм рт. ст.) в течение 5—6 ч. Прокаливают шихту в вакуумных электрических печах сопротивления.

Окисляющиеся компоненты шихты после прокаливания под­ вергают осветлению для удаления с поверхности окалины и ржав­ чины. Ржавчина и окалина удаляются механическим способом в ре­ зультате соударения кусков шихты друг о друга во вращающемся барабане. Продегазированную и осветленную шихту можно хранить лишь в течение ограниченного времени, так как при хранении вновь происходит ее окисление и насыщение газами и влагой.

Составляющие шихты тщательно взвешивают и загружают в кор­ зины. При загрузке тигля сверху при помощи корзины порядок укладки шихты в корзину должен соответствовать наиболее целе­ сообразному расположению шихты в тигле. Корзины на специаль­ ных тележках передают в печной пролет и краном устанавливают в камеру загрузки печей полунепрерывного действия или выгру­ жают из них шихту в тигель печей периодического действия.

После замены тигля, перед плавкой металла ответственного наз­ начения, проводят, как и на открытых индукционных печах, обжи­ говую и две-три промывных плавки, одну из которых проводят на воздухе и одну-две — под вакуумом. На вакуумных промывных плавках не только подготавливают тигель к выплавке стали опре­ деленной марки, но и устанавливают технологический вакуум, который для большинства печей составляет 0,67 Па (5 • 10"3 мм рт.ст.), проверяют вакуумную систему и натекание в вакуумные камеры.

Расплавление ведут на максимальной мощности. В процессе разогрева и плавления шихты удаляется основное количество вноси­ мых шихтой газов. При температуре до 300—400° С происходит де­ сорбция газов, испарение и разложение загрязнений, вносимых металлом. При 700—1000° С удаляется практически полностью во­ дород, а в момент расплавления выделяется основная масса окиси

386

углерода и азота. Вследствие неравномерности нагрева садки все эти процессы перекрывают друг друга и в момент расплавления воз­ можно бурное газовыделение и вскипание металла с образованием

вверхней части тигля труднорасплавляемых «воротников». Поэтому

вслучае бурного газовыделеиия целесообразно на время повысить давление в плавильной камере, перекрывая затворы на вакуум-про­ водах, ведущих к насосам. В результате выделения газов давление

вкамере быстро возрастает и интенсивность газовыделеиия умень­ шается. Уменьшить интенсивность выделения газов можно также уменьшением подводимой к печи мощности, но это приводит к уве­ личению продолжительности плавки и поэтому не всегда целесооб­ разно. После расплавления всей садки мощность вновь увеличивают,

адавление уменьшают до минимального.

Для дегазации и рафинирования расплава от летучих примесей достаточен перегрев на 50— 100° С выше температуры ликвидуса. При более сильном перегреве интенсивность испарения возрастает, но при этом быстро разрушается футеровка тигля. Поэтому рафини­ рование проводят при умеренном перегреве. Продолжительность выдержки зависит от состава стали или сплава, качества шихтовых материалов и технологии процесса.

В процессе выдержки происходит раскисление металла растворен­ ным в нем углеродом. При выплавке безуглеродистых сталей и сплавов углерод для раскисления присаживают в виде кокса, кусоч­ ков электродного боя, чугуна. Углеродсодержащие материалы при­ саживают малыми порциями и следят за реакцией ванны. Если после присадки очередной порции углеродистых материалов не происхо­ дит интенсивного вскипания, то присадку углеродистых материалов прекращают, так как дальнейшее добавление углерода приведет к по­ вышению его концентрации в расплаве.

Раскисление безуглеродистых сталей и сплавов можно проводить также водородом и природным или другим углеводородсодержащим газом, которыми можно обдувать поверхность ванны или продувать металл. После наполнения плавильной камеры водородом концент­ рация кислорода заметно снижается лишь примерно в течение пер­ вых 5 мин. Поэтому раскисление водородом или природным газом, обдувом поверхности, требует много времени. При продувке газов через металл продолжительность раскисления уменьшается при­ мерно в пять раз.

Для повышения эффективности раскисления углеродом расплав иногда продувают не только активными, но и инертными газами, так как внесение в металл готовых пузырьков обеспечивает выде­ ление окиси углерода и значительно повышает раскислительную способность его.

При использовании для раскисления водорода и природных га­ зов необходимо соблюдать строгие меры техники безопасности, так как при попадании в плавильную камеру воздуха может произойти взрыв.

Раскисление углеродом и газами не всегда обеспечивает требуе­ мый уровень содержания кислорода. Поэтому часто раскисление за-

канчивают металлическими раскислитёлямй — алюминием, ферро­ церием, а при выплавке сплавов на никелевой основе часто исполь­ зуют никелькальциевые и никельмагниевые лигатуры. Раскисление кальцием и магнием необходимо проводить при повышенном давле­ нии, создаваемом напуском в плавильную камеру аргона. В про­ тивном случае возможны выбросы металла из тигля.

После раскисления ванны осуществляют легирование расплава. Марганец присаживают в конце плавки с целью уменьшения его испарения, так как в вакууме марганец интенсивно испаряется. Ранняя присадка сильных нитридообразующих (титана, циркония)

После присадки всех легирующих элементов ванну перемеши­ вают, включая специальное устройство (если печь дополнительно оборудована электромагнитным устройством) или переключая индук­ тор к источнику питания промышленной частоты, и металл сливают из тигля. Перед сливом металла в плавильной камере целесообразно напуском аргона увеличивать давление до 4,33 — 9,33 кПа (40— 70 мм рт. ст.) — это уменьшает раскрытие струи и разбрызгивание металла. Такое давление целесообразно поддерживать и во время затвердевания слитка, так как при затвердевании возможно до­ полнительное выделение газов и образование пористости слитка. Повышенное давление затрудняет газовыделенне и способствует получению более плотной литой структуры.

На установках полунепрерывного действия сразу после слива ме­ талла и осмотра печи в тигель загружают следующую порцию шихты

иначинают следующую плавку. Слиток, если изложницу подавали

вплавильную камеру, убирают либо сразу в камеру разливки, либо после полного затвердевания. В последнем случае следующую плавку начинают при повышенном давлении.

смену изложниц и загрузку следующей порции шихты.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ВАКУУМНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ

Плавка в вакуумной индукционной печи позволяет получать ме­ талл с низким содержанием углерода, газов, неметаллических вклю­ чений, проводить рафинирование от цветных металлических приме­ сей, обеспечивает стабильное усвоение высокореакционных элемен­ тов. Благодаря этому металл ВИП практически любого состава превосходит по свойствам металл, выплавленный на воздухе.

В результате ВИП загрязненность широкоподшипниковой стали неметаллическими включениями и газами снижается почти в два раза, в результате чего обеспечивается значительное (иногда в 1000 раз) увеличение числа, циклов до разрушения изделий из вакуумной стали по сравнению с изделиями, изготовленными из обычной стали. Инструментальная сталь вакуумной плавки отличается более высо­

388

кой однородностью, в ней меньше выражена сегрегация примесей. Повышение чистоты конструкционных сталей уменьшает анизотро­ пию ее свойств в результате их улучшения в поперечном направле­ нии. Нержавеющие стали, выплавленные в вакууме, содержат меньше углерода, кислорода и азота и отличаются более высокой пластичностью и прочностью, в связи с чем отпадает необходимость в стабилизации их титаном и ниобием. Такие стали отличаются луч­ шей полируемостыо, однородностью, хорошей свариваемостью.

В вакууме возможно выплавлять электротехнические стали, характеризуемые низким содержанием кислорода, углерода, азота и содержащие до 6,0% кремния при сохранении удовлетворительной пластичности. ВИП позволяет производить высококачественный чистый! никель для нужд электровакуумной промышленности, а при применении многоступенчатого процесса с обработкой шлаком и окислительным вакуумированием можно получать металлурги­ ческими средствами чистое железо в виде слитков и крупных заго­ товок.

Однако следует иметь в виду, что высококачественный металл перечисленного сортамента можно получать и другими способами, подчас более экономичными, чем ВИП. Особое место вакуумная ин­ дукционная плавка занимает в производстве жаропрочных сплавов.

Жаропрочные сплавы, используемые для изготовления лопаток, клапанов, роторных дисков турбин и других деталей реактивных двигателей, очень чувствительны даже к малым концентрациям газов и цветных металлов. Плавка в вакуумных индукционных пе­ чах позволяет уменьшить содержание в сплавах газов, свинца, висмута, сурьмы и других примесей. В результате возрастают не только эксплуатационные свойства сплавов, но и пластичность при горячей обработке. Благодаря этому появляется возможность обра­ батывать обычно недеформируемые (например кобальтовые) сплавы или увеличить их механические свойства при сохранении прежнего уровня пластичности, прибегая для этого к усложнению состава, т. е. к дополнительному легированию.

Жаропрочные сплавы, выплавляемые в вакуумных индукцион­ ных печах небольшой (десятки и сотни кг) емкости, разливают в ва­ кууме по литейным формам и поставляют в литом состоянии. В круп­ ных печах можно получать жаропрочные сплавы в виде крупных слитков, которые в дальнейшем переплавляют в вакуумных дуговых печах, перековывают на заготовку и поставляют потребителям в де­ формированном состояний или разделывают на мерную заготовку для получения стабильного состава металла при переплаве в малых литейных печах.

Использование ВИП для производства широкого сортамента сдерживается значительными производственными расходами на плавку. Для повышения экономической эфективности ВИП целе­ сообразно вместо твердой шихты использовать жидкий металл, выплавленный в открытом агрегате. Такой процесс, названный процессом Терм-и-вак, впервые был опробован в Англии, а в настоя­ щее время получает распространение во многих странах. В начале

389

70-х годов самая крупная печь такого типа работала в США. В ней вакуумировалн и доводили до нужного состава полураскислеиную сталь, выплавляемую в дуговой электропечи по технологии с двумя шлаками. Печь была приспособлена и для работы на твердой шихте. При работе на жидком металле максимальная масса плавки соста­ вляла 27 т, а на твердой шихте 13,5 т; расчетная годовая производи­ тельность печи 40 000 т в слитках. Слитки, отливаемые в изложницы высотой до 4,5 м, используют в основном в качестве электродов для переплава в вакуумных дуговых печах.

Глава 29

ВАКУУМНЫЙ ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ

КЛАССИФИКАЦИЯ ВАКУУМНЫХ ДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ

Вакуумной индукционной плавке свойственны два существенных недостатка, значительно снижающих эффект от ее применения: вопервых, расплав контактирует с огнеупорной футеровкой, являю­ щейся источником загрязнения металла кислородом, включениями и металлическими примесями, и, во-вторых, условия кристаллизации слитка в обычной изложнице способствуют развитию ликвациопных процессов и обогащению отдельных зон слитка ликвирующими при­ месями, как и при кристаллизации металла обычной выплавки.

Эти затруднения были преодолены с появлением вакуумного дугового переплава (ВДП).

В настоящее время работают вакуумные дуговые печи с расходуе­ мым и нерасходуемьш электродом (см. рис. 5), причем в печах с нерасходуемым электродом расплавленный металл может стекать в во­ доохлаждаемый кристаллизатор, как показано на рис. 5, а, или в ме­ таллический водоохлаждаемый тигель, напоминающий по форме тигель индукционных печей. В последнем случае на стенках тигля образуется корочка переплавляемого металла и расплав контакти­ рует не с материалом тигля, aic гарниссажем из этого же металла. Поэтому печи такого типа иногда называют гарииссажными.

Печи с нерасходуемьш электродом применяют при переплаве в вакууме материалов, из которых невозможно изготовить расходуе­ мый электрод, например при переплаве губки титана. Недостатком печей этого типа является загрязнение расплава материалом элек­ трода— углеродом, вольфрамом и т. п. Чтобы уменьшить загряз­ нение металла материалом электрода, приходится увеличивать подачу шихтовых материалов, что, однако, ведет к тому, что пери­ ферийные участки слитка в кристаллизаторе оказываются непроплавленными. Кристаллизация металла, расплавленного в гарниссажиых печах, происходит в изложнице аналогично кристалли­ зации металла вакуумной индукционной плавки, и поэтому слиток получается более высокого качества, но зато расплав больше за­ грязняется материалом электрода. Печи с нерасходуемьш электро-

390