Современные способы производства слитков особо высокого качества

4. Металлургические особенности, качество и сортамент металла

Рафинирование металла при ЭЛП основано,  как и при ВДП, на капельном наплавлении слитка в условиях ва­куумирования плавильного пространства печи. Вместе с тем взаимо­действие металла с разреженной газовой фазой в условиях ЭЛП отличается по ряду термодинамических и кинетических показа­телей.

Остаточное давление газов в камере электронно-лучевой печи поддерживается обычно в пределах 1,3 · 10-⁶ — 1.3 · 10-⁴ Па. Уровень металлической ванны в ходе ЭЛП сохраняет неизменное положение вблизи верхнего среза кристаллизатора, а расходуемая заготовка, подаваемая сверху либо сбоку, не препят­ствует удалению выделяющихся из расплава газов и паров. Поэтому указанный диапазон остаточного давления газов характеризует разреженность газопаровой фазы, контактирующей с расплавом ме­талла, которая на 2—4 порядка ниже, чем при ВДП (см. параграф 5 главы 3).

Высокая концентрация энергии электронного луча позволяет обеспечить существенный перегрев поверхности металлической ван­ны, хотя в реальных плавках температура последней обычно не до­стигает максимальных значений, характерных для данного металла или сплава (см. табл. 65), но превышает этот показатель для условий ВДП примерно на 100—150 °С.

Независимый источник теплоты при ЭЛП дает возможность в широких пределах регулировать скорость наплавления слитка и, соответственно, продолжительность пребывания металла в жидком состоянии. Понятно, что уменьшение производительности переплава приведет к более длительной выдержке расплава в условиях высоких вакуума и температуры и обязательно скажется на изменении его химического состава.

Наконец, необходимо упомянуть об отличии указанных процессов еще в одном аспекте. Как известно, при переплавах расходуемого электрода или заготовки металл подвергается рафинированию на трех этапах существования его в жидком состоянии: в пленке на оплав­ляющемся торце, в каплях и на поверхности металлической ванны. При сопоставимых условиях (производительность, диаметр применя­емого кристаллизатора) площадь межфазной поверхности газ — металл на двух последних этапах соответственно одинакова для обоих методов переплава. Площади оплавляющегося торца электрода и заготовки при этом могут отличаться в несколько раз. Так, в ходе ВДП торец расходуемого электрода обычно плоский и, следователь­но, площадь этой поверхности примерно равна поперечному сечению электрода. При ЭЛП с вертикальной подачей заготовки ее оплавляю­щийся конец приобретает коническую форму (с углом при вершине от 30 до 60°), а площадь этой поверхности в 2—4 раза превышает площадь поперечного сечения. Заготовка, подаваемая при ЭЛП сбоку  имеет плоский торец  как и при ВДП. Однако поверхность оплавления расположена вертикально, расплавленный металл пе­ремещается по ней вниз и толщина пленки расплава меньше, чем на плоском горизонтальном торце электрода ВДП. Поэтому по­лагают [168, 428], что условия рафинирования металла на первом этапе при ЭЛП всегда лучше, чем при ВДП, а наиболее благоприят­ные — при вертикальной подаче расходуемой заготовки и кони­ческой форме поверхности оплавления.

Обобщенно перечисленные отличия можно выразить так: при ЭЛП расплав продолжительнее подвергается воздействию более  глубокого вакуума и высокой температуры.

Рафинирующий эффект при вакуумировании расплава обеспе­чивается за счет дегазации и дистилляции последнего. Принци­пиальные особенности этих процессов описаны в параграфе 4 пер­вой главы, а применительно к условиям ВДП — в параграфе 5 третьей главы. В данном разделе покажем, в какой мере изменив­шиеся, в сравнении с ВДП, условия взаимодействия переплав­ляемого металла с разреженной газовой фазой сказываются на результатах его рафинирования.

Во-первых, понижение давления способствует сдвигу равнове­сия химических реакций в сторону образования большего числа мо­лей газообразных продуктов. Поэтому большая глубина откачки пла­вильного пространства печи ЭЛП создает благоприятные термоди­намические условия протекания реакций дегазации расплава по механизму экстракции газов, БУР и диссоциации НВ.

Во-вторых, разрежение газопаровой фазы над расплавом улуч­шает кинетические условия процессов дегазации и дистилляции  поскольку при этом увеличивается длина свободного пробега ато­мов и молекул. При давлении ниже 1,3 · 10^-4 Па (10-² мм рт. ст.) вязкостный режим течения продуктов через газопаровую фазу к ме­сту конденсации или в вакуумную магистраль сменяется молеку­лярным и эта стадия более не лимитирует в целом скорость указан­ных процессов.

Повышение температуры расплава металла в общем благоприят­но сказывается на условиях его рафинирования. При этом становит­ся более отрицательным изменение свободной энергии реакции углеродного раскисления, диссоциации оксидов, увеличивается уп­ругость паров компонентов расплава. В качестве негативного изме­нение этого термодинамического фактора можно рассматривать лишь в отношении дегазации железа, никеля и некоторых сплавов на их основе, поскольку растворимость водорода и азота в них увеличива­ется с повышением температуры (см. (1.5), (1-6)). Однако отрицатель­ное влияние повышения температуры неощутимо сказывается на ре­зультатах рафинирования, поскольку с избытком компенсируется уменьшением давления.

Наряду с улучшением термодинамических показателей, повыше­ние температуры влияет на кинетику реакций удаления примесей из расплава. Здесь, однако, уместно выделить два основных момента.

В тех случаях, когда скорость какого-либо гетерогенного процес­са лимитируется массопереносом в тонком  непромешиваемом слое вблизи межфазных границ, ускорить переход примеси можно уве­личением коэффициента диффузии примеси, уменьшением толщины этого слоя или увеличением приведенной поверхности реагирования (см. (1.36)). Если процесс протекает в кинетическом режиме, то ин­тенсифицировать его можно лишь воздействием на акт химического или физического превращения. Поскольку энергия активации диф­фузии в жидких металлах (40—80 кДж/моль) значительно меньше энергии активации образования молекул веществ (300—500 кДж/ моль), возрастание температуры расплава существенно влияет в ос­новном на интенсификацию процессов, протекающих в кинетическом режиме. К последним в интересующей нас области пирометаллургических процессов можно причислить лишь испарение некоторых элементов, в частности железа, хрома, никеля, титана, ниобия, алю­миния, кремния, вольфрама, молибдена из сплавов на основе железа и никеля [168, 293, 428], а также удаление азота после достижения критических концентраций (см. параграф 5 главы 3). Подавляющее большинство гетерогенных физико-химических процессов, имеющих большое практическое значение с точки зрения рафинирования ме­таллов и сплавов, осуществляется в диффузионном режиме, а их скорость лимитируется доставкой реагентов к межфазной границе.

Поэтому основным достоинством ЭЛП в металлургическом отно­шении, кроме отмеченного позитивного влияния повышения темпе­ратуры поверхности расплава и более высокой степени разрежения газопаровой фазы, следует считать возможность регулирования про­должительности пребывания металла в жидком состоянии. При этом большое значение для повышения чистоты переплавляемого металла имеет первый этап пребывания его в жидком состоянии.

Перегрев металла над температурой ликвидуса в пленке на оп­лавляющейся поверхности электрода и заготовки примерно одина­ков и обычно не превышает нескольких десятков градусов. Однако развитая межфазная поверхность, площадь которой при ЭЛП может быть даже в несколько раз больше площади зеркала металлической ванны в кристаллизаторе, и малая толщина слоя расплавленного ме­талла являются теми факторами, которые способствуют интенсифика­ции процессов, протекающих в диффузионном режиме.

Важную роль первого этапа подтверждают экспериментальные .данные: рафинирование тугоплавких металлов от кислорода проис­ходит в основном на стадии течения пленки [4151; при ЭЛП легирован­ных сталей и хромоникелевых сплавов на торце заготовки удаляет­ся на 70—80 % примесей цветных металлов, 40—50 % азота и меди [203, 242, 258].

Кроме большой приведенной поверхности реагирования фаз эф­фективное очищение металла на стадии пленочного течения обуслов­ливается более высокими концентрациями вредных примесей и, со­ответственно, более высокой скоростью относительного их изменения. По мере приближения показателей загрязненности к какому-либо термодинамически обусловленному уровню добиться дальнейшего по­вышения чистоты металла значительно сложнее. Поэтому полагают [168]_а что наиболее эффективными способами и конструкциями пе­чей ЭЛП являются те, в которых в наибольшей мере используются преимущества рафинирования на стадии оплавления заготовки.

Роль третьего этапа рафинирования при ЭЛП менее значительна. Несмотря на то что поверхность расплава в кристаллизаторе имеет наибольший перегрев, а продолжительность пребывания металла в жидком состоянии достаточно велика, приведенные поверхности реагирования фаз в этой зоне и на оплавляющейся заготовке пример­но одинаковы. Как отмечалось, повышение температуры не очень существенно сказывается на скорости физико-химических процессов, протекающих в диффузионном режиме. Поэтому реакции дегазации расплава и испарения многих вредных примесей осуществляются в кристаллизаторе с теми же скоростями, что и на первом этапе рафи­нирования [168, 428]. Усилить рафинирующий эффект можно лишь уменьшением производительности переплава, т. е. увеличением про­должительности выдержки расплава в кристаллизаторе. Практиче­ские результаты подтверждают этот вывод: чистота переплавленного металла действительно повышается с уменьшением скорости плавле­ния заготовки и, соответственно, с повышением удельных затрат элек­троэнергии.

Однако такой путь достижения высоких металлургических по­казателей приводит и к негативным последствиям. Изменившиеся условия межфазного взаимодействия на поверхности металличе­ской ванны интенсифицируют процессы, скорость которых ограничена химической стадией реакции. Как отмечалось, к таким процессам при ЭЛП относится в основном испарение. Поскольку подавляющее большинство элементов, испаряющихся в кинетическом режиме, яв­ляется либо основой сплавов, либо легирующими компонентами, пе­регрев и длительная выдержка расплава наряду с удалением вред­ных примесей приводят к потерям металла (основы и легирующих элементов). Зависимость этих потерь от мощности электронно-луче­вой пушки и удельных затрат электроэнергии практически линейная в широком диапазоне изменения этих параметров ЭЛП [168, 428, 491].

Выше перечислены основные отличия условий взаимодействия жидкого металла с разреженной газовой фазой при ВДП и ЭЛП и в общем показано, в какой мере эти изменения влияют на ход главных физико-химических процессов, обусловливающих рафинирование расплава при его вакуумировании. Охарактеризуем теперь подроб­нее особенности дистилляции и дегазации переплавляемого металла в условиях ЭЛП.

Высокие вакуум и температура, развитая реакционная поверх­ность и регулируемое время выдержки расплава обеспечивают боль­шие возможности ЭЛП в деле очищения металлов от вредных цвет­ных примесей. Испарение свинца, висмута, сурьмы, меди, олова, тел­лура, таллия, присутствующих в виде следов в сплавах на основе никеля, хрома, железа и с трудом удаляемых при ВДП, при ЭЛП происходит с наибольшей степенью полноты. Снижение концентра­ции этих элементов при однократном переплаве составляет в среднем не менее 60 % исходного содержания (табл. 68).

В соответствии с описанными термодинамическими и кинетиче­скими закономерностями испарения показатели чистоты металла оказываются взаимосвязанными с режимом переплава и в общем улучшаются с увеличением температуры и продолжительности ва­куумирования (рис. 110). Поскольку интенсивность испарения свин­ца и висмута ограничена скоростью их диффузии в пограничном слое металла, влияние изменения производительности ЭЛП на скорость их удаления оказывается существеннее, чем мощность облучения. Испарение меди и сурьмы, осуществляемое в переходном между диффузионным и кинетическим режиме, в большей мере зависит от температурного фактора. Также подвержена влиянию термодинами­ческих и кинетических факторов интенсивность испарения других элементов.

О дистилляционных возможностях ЭЛП и влиянии режима пере­плава на интенсивность испарения какого-либо элемента можно су­дить по сопоставлению теоретических (1.39) констант скорости ис­парения с экспериментально полученными значениями коэффициента массопередачи [168, 592, 612]. Ре­зультаты такого сопоставления, напри­мер, для ЭЛП сплавов на основе железа приведены на рис. 111. Правая часть рисунка соответствует температурным условиям на стадии плавления заготов­ки (низкотемпературная зона рафини­рования), левая — условиям на поверх­ности ванны (высокотемпературная зо­на). В данном случае в диффузионном режиме испаряются лишь свинец, мар­ганец, медь и олово, причем лимитирую­щая роль диффузии усиливается на ста­дии ванны. Испарение большинства эле­ментов ограничено скоростью десорбции. На поверхности оплавляемой заготовки испарение почти не имеет места, но ин­тенсифицируется в высокотемператур­ной зоне. Константы испарения крем­ния, молибдена, ниобия, вольфрама располагаются ниже линии ванадия, т. е. эти элементы практически не испа­ряются из сплавов на основе железа.