Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

дом используют, как правило, для переплава порошкообразных или губчатых материалов с целью получения слитков для последующего переплава в печах с расходуемым электродом.

Плавка в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом позволяет получать металл высокой степени частоты, так как при этом устраняются возможные источники загрязнения (огнеупорная футеровка, шлак, атмосфера) и имеются благоприятные условия для рафинирования металла вакуумом; что же касается условий кристаллизации металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе, то при последовательном наплавлении слитка можно в значительной мере ослабить ликвационные процессы. Нужно отметить также, что дуговая плавка отличается высокой концентрацией тепла в дуге. Этим объясняется, почему вакуумная дуговая плавка с расходуе­ мым электродом получила широкое распространение в производ­ стве тугоплавких и активных металлов (титан, цирконий, ниобий, тантал, молибден и др.) и для получения стали и сплавов высокого качества.

РАФИНИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА И ФОРМИРОВАНИЕ СЛИТКА ВДП

Ввакуумных дуговых печах переплавляют электроды, состав которых соответствует (с учетом угара отдельных элементов) составу готовой стали. Металл оплавляемого электрода собирается в капли на торце электрода, перетекает в ванну кристаллизатора и спустя некоторое время затвердевает.

Вначальный момент плавки жидкий металл контактирует с во­

доохлаждаемым поддоном и стенками кристаллизатора. Спустя неко­ торое время в кристаллизаторе появляется жидкая ванна, изоли­ рованная от водоохлаждаемых элементов затвердевшим металлом. Затвердевшая часть слитка при дальнейшем охлаждении дает усадку, отходит от стенок кристаллизатора и между затвердевшей частью слитка и стенками криталлизатора образуется кольцевой зазор. После усадки тепло от жидкой ванны отводится теплопроводностью к стенкам кристаллизатора по поясу контакта корочки форми­ рующегося слитка со стенками и на поддон через затвердевшую

тором образуются новые кристаллы, которые растут в направлении, противоположном направлению тепловых потоков, т. е. вначале горизонтально, а после отхода корочки от стенок кристаллизатора, когда основное количество тепла отводится на поддон, изменяют направление роста на вертикальное. В верхней части слитка поя­ вляются неориентированные кристаллы.

Повышение свойств переплавленного металла происходит вслед­ ствие обработки каждой порции металла вакуумом и благодаря направленной снизу вверх последовательной кристаллизации.

Постепенное оплавление электрода — заготовки и капельный перенос металла в ванну кристаллизатора создают особенно благо­ приятные условия для удаления газов, цветных примесей и неме­ таллических включений. Каждая порция металла подвергается об­

391

работке вакуумом на трех стадиях существования в жидком виде: на торце оплавляющегося электрода в виде тонкой пленки, в про­ цессе формирования капли и перетекания ее с торца электрода в ванну кристаллизатора и в ванне кристаллизатора. Пока еще не получены достоверные данные о роли каждой стадии в общем про­ цессе рафинирования, но, очевидно, удаление основных количеств примесей происходит уже на первой стадии.

Действительно, пленка жидкого металла на торце электрода обладает наиболее развитой поверхностью. Измерения показывают, что большую часть времени толщина пленки измеряется микромет­ рами (микронами) и резко увеличивается лишь в зоне формирования капли. Развитая поверхность' способствует большой скорости испа­ рения примесей и удалению включений. Часть включений получает доступ к поверхности раздела металл—газ уже в процессе выпла­ вления их из твердой матрицы. Значительная часть включений, находящихся в объеме жидкой пленки, может оказаться на этой поверхности в результате выноса их на нее потоками металла, так как пленка все время сдувается перемещающейся по торцу электрода дугой. Попавшие на эту поверхность включения удерживаются на ней силами поверхностного натяжения и могут задерживаться на поверхности ванны даже при погружении капли металла в ванну. На поверхности раздела металл—газ имеются наиболее благоприят­ ные условия для восстановления включений углеродом и для диссо­ циации.

Роль стадии каплеобразования и перетекания капли в общем процессе рафинирования, по-видимому, менее существенна, по­ скольку время жизни каждой из капель, хотя и обладающей разви­ той поверхностью измеряется сотыми долями секунды.

Дальнейшему рафинированию металл подвергается в ванне крис­

в верхнюю часть слитка. Благодаря избирательному характеру кристаллизации на рост кристаллов в первую очередь расходуется наиболее чистый металл. Кристаллизация металла в дуговых ваку­ умных печах протекает при большом температурном градиенте в ванне и значительном тепловом потоке, так как с одной стороны ванны постоянно подогреваются дугой, а с другой стороны тепло отводится через затвердевшую часть слитка на водоохлаждаемые стенки кри­ сталлизатора и поддон. В таких условиях предпочтительные усло­ вия создаются для роста уже имеющихся кристаллов, а не для обра­ зования новых центров кристаллизации. Поэтому при ВДП преиму­ щественно растут нитевидные дендритные кристаллы, на рост которых из расплава идет наиболее чистый металл, а примеси от­ тесняются растущими кристаллами в верхнюю часть слитка, обра­ зуя перед фронтом растущих кристаллов обогащенную ликватами зону.

При установившемся процессе кристаллизация происходит с по­ стоянной скоростью, а литая структура слитка характеризуется

392

высокой плотностью и однородностью. Изменение теплового потока через фронт кристаллизации тотчас же влечет изменение скорости кристаллизации и приводит к появлению структурной и химичес­ кой неоднородности.

Так, при уменьшении поступления в ванну тепла от дуги, вызван­ ном нарушением электрического режима, или при увеличении по ка­ кой-либо причине скорости отвода тепла скорость кристаллизации увеличивается. В этих условиях получают преимущественный рост главные оси дендритов, увеличивается расстояние между вторичными осями и меняется соотношение между площадью, занимаемой осями дендритов, и более загрязненными межосными участками. В неко­ торых случаях главные оси дендритов могут «прорасти» обогащен­ ную ликватами зону, и она окажется изолированной от ванны. В изо­ лированных участках могут образоваться новые центры кристалли­ зации и сформироваться структура, отличная от структуры основного тела слитка.

Увеличение поступления тепла в ванну или уменьшение скорости отвода тепла к водоохлаждаемым элементам вызывают замедление кристаллизации, уменьшение расстояния между осями второго по­ рядка и появление более плотной структуры. Поэтому скачкообраз­ ное изменение баланса тепла в ванне, вызванное колебаниями элек­ трического режима, внезапным отходом охлаждающегося слитка от стенок кристаллизатора или другими причинами, неизбежно от­ ражается на структуре слитка. При неоднократном изменении ба­ ланса тепла появляется дефект, носящий название «послойной кристаллизации» и выражающийся в чередовании слоев с плотной и более рыхлой структурой. Участки металла с разной структурой имеют и различные свойства, поэтому при определенной степени развития послойная кристаллизация становится браковочным де­ фектом и весь слиток бракуется. В связи с этим поддержание элек­ трического режима стабильным является важнейшим требованием, предъявляемым к процессу ВДП.

Для эффективного рафинирования расплава в процессе кристал­ лизации необходимо не только постоянство условий, но и сильно выраженный направленный снизу вверх рост кристаллов, поскольку в этом случае создаются более благоприятные условия для оттесне­ ния примесей в маточный раствор. Так как рост кристаллов всегда происходит в направлении, перпендикулярном фронту кристалли­ зации, то более ярко выраженный осевой рост кристаллов полу­ чается при малой глубине и плоской форме ванны.

Однако при малой глубине ванны металл недостаточно прогре­ вается и у стенок кристаллизатора может находиться в вязком тесто­ образном состоянии. На поверхности слитка в этом случае обнару­ живаются пережимы, плохо проварившиеся участки и другие де­ фекты.

При большой глубине ванны значительная часть кристаллов растет радиально, и в осевой зоне слитка срастающиеся кристаллы могут изолировать объемы расплава, обогащенные ликватами. Эти участки вследствие более низкой температуры плавления кристалли-

393

зуготся в последнюю очередь, и часто их структура отличается о т структуры слитка. На травленых темплетах они выявляются в виде пятен повышенной травнмости, поэтому этот дефект получил назва­ ние пятнистой ликвации. Пятнистая ликвация свидетельствует о не­ однородности химического состава и является браковочным

дефектом.

Этот дефект не возникает, если глубина ванны не превышает оптимальной. Для слитков массой до нескольких тонн оптимальной является глубина ванны, равная диаметру кристаллизатора. Глу­ бина ванны определяется в свою очередь скоростью плавления и кристаллизации, и для стали или сплава каждой марки и для каждого диаметра кристаллизатора необходимо подбирать такой электрический режим, чтобы глубина ванны поддерживалась в оп­ тимальных пределах.

Пятнистая ликвация может образоваться и при нормальной глу­ бине ванны в случае переплава сталей с развитой двухфазной зоной, особенно в случае движения металла в жидкой ванне. По-впднмому, при интенсивном движении растущие дендриты могут искривляться потоками металла или даже обламываться, перекрывая зоны рас­ плава с ликватами. Для предупреждения образования дефекта в этом случае необходимо принимать меры по устранению движения металла.

Испаряющиеся из металла примеси конденсируются на стенках кристаллизатора, образуя с затвердевшими брызгами выше уровня ванны так называемую корону. При подъеме уровня ванны корона частично оплавляется, а частично сохраняется на поверхности слитка, на которой обнаруживается грубая неровная корка, обога­ щенная летучими примесями. Перед обработкой слитка давлением эту корку необходимо убирать, подвергая слиток обточке на токар­ ных станках на глубину 5— 10 мм.

Грубая корона, плохо сцепленная со стенками кристаллизатора, может отслаиваться от кристаллизатора и падать в жидкую ванну. Нерасплавпвшнеся упавшие кусочки короны обнаруживают в за­ твердевшем слитке в виде спирали. Такие дефекты слитка ВДП получили название «улиток».

Для предупреждения образования «улиток» процесс необходимо вести горячо. Тогда образуется более тонкая корона, а чтобы она прочнее удерживалась на кристаллизаторе, желательно, чтобы внутренняя поверхность кристаллизатора была грубой. С этой целью иногда на этой поверхности специально нарезают винтовую канавку.

Важным достоинством ВДП является постоянство условий рафи­ нирования и, как следствие, постоянное от плавки к плавке высокое качество металла при нормальном ходе процесса. Стабильность свойств металла обеспечивается постоянством температурного ре­ жима, давления в зоне обработки жидкого металла вакуумом, вре­ мени пребывания каждой порции металла в жидком состоянии, постоянством условий кристаллизации. Каждая порция металла повторяет путь всех предыдущих порций, проходя его при тех же условиях.

394