Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

коротких замыканий между электродом и ванной, появления объем­ ного разряда.

В конце плавки постепенным плавным снижением мощности можно постепенно уменьшить и скорость плавления и полностью исклю­ чить образование усадочных дефектов. При этом по всей высоте слиток будет плотным, в результате чего в некоторых случаях можно существенно уменьшить головную обрезь слитка. Однако изменение скорости плавления неизбежно изменяет и скорость кристаллиза­ ции, что отражается на строении слитка. Поэтому и в случае выве­ дения усадочной раковины структура верхней части слитка отли­ чается от структуры тела слитка. При переплаве металла ответ­ ственного назначения изменение его структуры, а следовательно,

исвойств является недопустимым. Поэтому в этом случае с целью увеличения производительности печи выведение усадочной раковины проводить нецелесообразно, а лучше печь отключать сразу после расплавления электрода.

После отключения печь выдерживают под вакуумом до полной кристаллизации слитка. Затем напускают воздух, охлаждают ме­ талл до темно-красного цвета для того, чтобы произошла его усадка

ион легче извлекался из кристаллизатора, и выгружают слиток.

Вакуумную камеру, кристаллизатор и поддон чистят от конденсата и готовят для следующей плавки.

КАЧЕСТВО МЕТАЛЛА ВДП II ОБЛАСТЬ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ

Переплав стали в вакуумных дуговых печах позволяет суще­ ственно повысить чистоту металла по содержанию газов, цветных металлов, неметаллических включений (главным образом окисных) и получить плотный однородный слиток. ВДП можно получать плот­ ные слитки даже для крупных (массой до 40 т и более) поковок. Это особенно важно для новых отраслей промышленности — авиа­ ции, ядерной энергетики, современного турбостроения, где плот­ ность металла в больших сечениях играет значительную роль.

Строение слитка ВДП отличается высокой однородностью. Со­ держание примесей увеличивается снизу вверх, а летучих — от центра к периферии. Но после удаления поверхностного слоя на глу­ бину 5— 10 мм и головной части слитка, кристаллизовавшейся в конце переплава, слиток получается однородным.

В результате повышения степени чистоты и исключения сегре­ гации происходит увеличение пластичности металла при некотором незначительном снижении прочностных свойств, выравнивание свойств в продольных и поперечных образцах, улучшаются обраба­ тываемость изделий и их эксплуатационные свойства.

ВДП повышает качество стали и сплавов практически всех марок. В результате ВДП значительно улучшается деформируемость в горя­ чем состоянии жаропрочных сплавов, уменьшается сегрегация ти­ тана, образующего с никелем упрочняющие фазы Ni3Ti и Ni3 (Тi, А1), снижается загрязненность газами, цветными металлами и неметал­ лическими включениями. После переплава повышается чистота

400

И полируемость нержавеющих сталей, улучшаются механические свойства высокопрочных нержавеющих сталей. В слитках ВДП, особенно мелких, отсутствует сегрегация примесей в инструмен­ тальной стали, уменьшается склонность к росту зерна и образуется мелкое ледебуритное зерно. Уменьшается на 30—50% время обра­ ботки поверхности зеркальных валков для прокатки фольги, а их стойкость увеличивается в 2—3 раза. В несколько раз уменьшается загрязненность включениями шарикоподшипниковой стали, причем оставшиеся включения характеризуются меньшими размерами и они распределены более равномерно в объеме слитка. Благодаря этому срок службы подшипников увеличивается в 2—5 раз и появляется возможность изготавливать прецизионные приборные, подшипники. Улучшаются показатели усталостной прочности при знакоперемен­ ной нагрузке конструкционных сталей, уменьшается их загрязнен­ ность включениями и анизотропия свойств вдоль и поперек напра­ вления прокатки, увеличивается пластичность и стойкость против образования трещин.

Внастоящее время ВДП широко пользуется в производстве ме­ таллургических слитков массой до 7— 12 т из стали и сплавов от­ ветственного назначения и для получения плотных крупных кузнеч­ ных слитков. Широкое применение ВДП в производстве металла массового потребления сдерживается высокой стоимостью переплава

ипередела вакуумных слитков, а также низким выходом годного.

Внастоящее время на некоторых заводах расходуемые электроды еще изготавливают наиболее дорогостоящим способом — ковкой. Использование в качестве электродов проката крупного профиля ограничивается низкой деформируемостью многих сталей и сплавов, подвергаемых ВДП, а также тем, что при прокатке трудно получить идеально прямой электрод необходимой длины. Получить наиболее дешевые электроды и тем самым повысить экономическую эффектив­ ность переплава позволяет отливка электродов в специальные из­ ложницы или на установках полунепрерывной разливки. Поэтому все вновь проектируемые цехи ВДП, как правило, будут получать электроды с установок полунепрерывной разливки, а на заводах, где уже имеются вакуумные дуговые печи, предусматривается рекон­ струкция цехов с организацией производства литых расходуемых

электродов.

Недостатком ВДП, ухудшающим его экономическую эффектив­ ность, является также низкое качество поверхности и сложность передела слитков. Круглые слитки ВДП перед прокаткой приходится обтачивать и перековывать на квадратную или прямоугольную за­ готовку. Получение же прямоугольных слитков в вакуумных дуго­ вых печах затруднено интенсивным охлаждением металла в углах кристаллизатора и, вследствие этого, неоднородным строением слитка.

26 З а к . 824

1'лава 30

ПЛАВКА ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ

ПРИНЦИП ЭЛЕКТРОННОГО НАГРЕВА

И УСЛОВИЯ РАФИНИРОВАНИЯ МЕТАЛЛА

Специфические особенности ВДП не позволяют регулировать распределение мощности между расплавляемым электродом и на­ плавляемым слитком, управлять временем пребывания металла в жидком состоянии и соответственно продолжительностью обра­ ботки его вакуумом, заметно перегревать металл выше температуры плавления. Кроме того, ВДП невозможен в глубоком вакууме. Это ограничивает возможности рафинирования металла при приме­ нении этого вида переплава, и в ряде случаев он не может обеспечить требуемой чистоты металла.

Поэтому параллельно с вакуумным дуговым переплавом разви­ вается способ рафинирования металла электроннолучевой плавкой (ЭЛП), осуществляемой в электронных плавильных установках, в которых металл нагревается потоком электронов, генерируемым

объекта электроны разгоняются электрическим полем до энергий порядка 5—40 кэВ. Прн встрече с поверхностью металла поле дви­ жущегося электрона вызывает возмущение поля ионов, находя­ щихся в узлах решетки металла, в результате чего усиливается колебательное движение ионов, т. е. повышается температура ме­ талла, а электроны тормозятся. Глубина проникновения б электрона в металл определяется энергией падающего электрона, пропорцио­ нальной квадрату ускоряющего напряжения, и плотностью металла

что мощность пучка электронов поглощается очень тонким поверх­ ностным слоем металла. Так, при ускоряющем напряжении 40 кВ глубина проникновения электронов в сталь составляет примерно 5 мкм. Это говорит о том, что электронный нагрев является ярко выраженным поверхностным нагревом, а передача тепла основной массе металла осуществляется теплопроводностью или конвекцией.

Но при столкновении электронов с поверхностью не вся их энер­ гия передается металлу. В результате взаимодействия с ионами ре­ шетки траектория движения электронов изменяется и при опреде­ ленных условиях электроны могут отразиться, унося с собой часть энергии. Средняя доля энергии, уносимой отраженными электро­ нами, пропорциональна порядковому номеру Z нагреваемого ме­ талла и составляет 35—45% его первоначальной энергии. При этом

402

величина потерь мощности в результате отражения электронов

может достигать 20% мощности бомбардирующего электронного пучка.

При резком торможении электронов часть их энергии теряется также в виде излучения. Длина волны тормозного излучения зависит от энергии электронов

=1.237IU нм,

ипри ускоряющем напряжении в десятки киловатт, которое исполь­ зуется в плавильных установках, возникает рентгеновское излуче­

ние. Мощность тормозного рентгеновского излучения зависит от силы электронного тока /, ускоряющего напряжения U и порядко­ вого номера нагреваемого металла Z и связана с этими величинами уравнением

р^Ь Г П1,757

где k — коэффициент пропорциональности.

В электронных плавильных установках мощность потерь на рент­ геновское излучение не превышает 0,5% мощности электронного пучка и в отношении тепловой работы установок ее можно не учиты­ вать. Однако же с увеличением ускоряющего напряжения мощность рентгеновского излучения быстро возрастает и при напряжениях, превышающих 20 кВ, рентгеновское излучение может представлять серьезную опасность для обслуживающего персонала. При напряже­ ниях свыше 50 кВ защита обслуживающего персонала от рентгенов­ ского излучения становится очень сложной, поэтому установки с таким ускоряющим напряжением не строят.

Заметные потери мощности могут происходить на пути электрон­ ного пучка от катода до поверхности металла. Эти потери слагаются из потерь энергии отдельных электронов при столкновении их с ча­ стицами газа и потерь, возникающих в результате взаимодействия электронного пучка в целом с ионизированным остаточным газом.

Столкновение ускоренных электронов с частицами остаточного газа или парами металла, как известно, сопровождается перерас­ пределением энергии и возбуждением или ионизацией нейтральных частиц. При этом вокруг электронного луча образуется слой заря­ женных частиц. В результате взаимодействия луча с полем ионизи­ рованного газа первоначально однородный по длине луч становится неустойчивым: в нем появляются сгустки электронов. Неоднородный луч возбуждает высокочастотное электромагнитное поле, через кото­ рое происходит передача энергии луча слою заряженных частиц.

Когерентное взаимодействие луча с заряженными частицами наблюдается при длине луча более 0,2 м. При меньшей длине луча сгустки электронов в луче, по-видимому, образоваться не успевают.

Таким образом, потери энергии луча на пути к поверхности ме­ талла зависят от длины пути, силы тока пучка, скорости электронов и концентрации частиц в газовой фазе (давления). Три первых пара­