Автоматизация агрегатов внепечной обработки стали и спецэлектрометаллургии
Лапшин И.В.
Изд. Дом МИСиС, 2009 г.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ВАКУУМНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ
Вакуумная индукционная плавка как объект автоматического управления
Вакуумная индукционная плавка (ВИП) является распространенным процессом индукционной металлургии как в промышленности, так и при лабораторных экспериментах. Небольшие размеры индукционных печей позволяют размещать их в изолированных камерах относительно небольшого объема, в которых можно осуществить плавление металла при разрежении. Индукционная печь стала первым плавильным агрегатом, приспособленным для плавления сталей и сплавов в вакууме.
Направления развития ВИП:
• выплавка металла для слитков, предназначенных для последующей обработки металлов давлением;
• производство литых деталей (в частности, турбинных лопаток) как по способу точного литья, так и центробежного литья;
• выплавка электродов и заготовок для последующею переплава (ВДП. ЭЛП.ЭШП и др.).
Преимущества ВИП:
• отсутствие электродов;
• возможность глубокой дегазации металла;
• низкое содержание оксидных и нитридных неметаллических включении;
• рафинирование металла от вредных цветных примесей благодаря испарению;
• высокая однородность за счет хорошей циркуляции металла;
• получение металла в узких пределах по химическому составу, малый угар легирующих элементов;
• интенсификация процесса: продувка газами, ЭМП, обработка шлаками.
Недостатки ВИП:
• взаимодействие металла с огнеупорной футеровкой. Огнеупорные оксиды, из которых изготавливают тигли, могут реагировать с углеродом или друг ими компонентами расплава:
MeO, + [С] = [Me] + CO или MeO, +[R] = Me + RO,
Таким образом, металл может загрязняться оксидами и растворенным кислородом, при этом в металл могут переходить Si, А1 и другие элементы, восстановленные из соответствующих оксидов. Восстановленные Mg и Са, имеющие высокое давление насыщенного пара и плохо растворяющиеся в железе и никеле, могут испаряться;
• получение слитков с дефектами, характерными для обычного слитка, и зерном более крупным, чем в обычном слитке, из-за большей чистоты металла по неметаллическим включениям (НВ) - центрам кристаллизации. Это приводит к ухудшению деформируемости ряда сплавов и требует последующего переплава металла с целью улучшения его структуры;
• низкая стойкость тиглей;
• малоактивные шлаки;
• высокая стоимость оборудования.
Основными потребителями металла ВИП являются авиационная, химическая, атомная, ракетная, космическая, радиоэлектронная промышленности, энергетическое машиностроение. В связи с этим основой сортамента ВИП являются жаропрочные и прецизионные сплавы на основе никеля, кобальта, железа, а также низко- и особо низкоуглеродистые коррозионно-стойкие сплавы и конструкционная сталь.
Задача получения металла ВИП. чистого по примесям и неметаллическим включениям, может решаться двумя путями:
• во-первых, использовать особо чистые шихтовые материалы, в большинстве дефицитные и дорогие. При этом главной целью ВИП является обеспечение стабильного химического состава и предотвращение загрязнения расплава из атмосферы и футеровки тигля. Этот путь, как более дорогой, применим к выплавке особо ответственных сталей и сплавов;
• во-вторых, использовать менее дефицитные и более дешевые (но и более грязные) шихтовые материалы. При этом обеспечивается достаточная эффективность рафинировочных процессов в ходе плавки.
Шихтовые материалы для ВИП не должны содержать фосфор и серу, так как эти элементы не удаляются при серийных плавках. Кроме того, материалы не должны быть окисленными и вносить с собой много адсорбированных газов и влагу. Поэтому материалы иногда подвергают предварительной дегазации - вакуумному отжигу в вакуумных печах сопротивления или прокаливанию.
Подготовленную шихту не рекомендуется долго хранить из-за опасности ее повторного окисления и насыщения газами и влагой. Наилучшей шихтой являются крупногабаритные кованые или катаные заготовки, например, чистого железа, собственные литейные отходы и мелко нарубленная шихта для заполнения промежутков между крупными кусками.
Футеровка ВИП
Огнеупорный тигель является важнейшей частью установки. Его стойкость определяет как производительность печи, так и чистоту выплавляемого металла.
Основные требования к материалам для изготовления тиглей:
- высокая огнеупорность;
- постоянство объема;
- механическая прочность;
- высокая термостойкость;
- низкая упругость диссоциации огнеупорных оксидов.
Для изготовления футеровки (тиглей) используют, как правило, чистые огнеупорные материалы: электроплавленные оксиды магния, циркония, алюминия и их смеси. Применение электроплавленных материалов обусловлено тем, что в них закончились объемные и другие превращения, удалены нежелательные примеси.
Для лабораторных печей малой вместимости применяют тигли заводского исполнения, изготовленные методом литья, либо прессованием. Для печен вместимостью от нескольких килограмм до одной тонны и более применяют набивку тигля внутри индуктора. Для футеровки крупных печен используют фасонные огнеупорные кирпичи и блоки.
Одним из самых распространенных материалов для изготовления тиглей вакуумных печей является оксид магния, который является химически устойчивым, высокоогнеупорным. Стойкость набивных тиглей в крупных печах составляет до 20 плавок, поэтому в крупных печах применяют огнеупорные кирпичи.
Классификация установок для вакуумной индукционной плавки
Для вакуумной индукционной плавки (ВИП) разработаны разнообразные конструкции установок периодического или полупериодического действия. Конструктивно печи выполняются со стационарной камерой и наклоняющимся тиглем, когда слив металла осуществляется наклоном тигля внутри неподвижной камеры (рис. 5.1).
Для наклона тигля в стационарной плавильной камере требуется свободный объем для его поворота. Механизмы наклона размещают вне корпуса печи.
По режиму работы вакуумные индукционные печи разделяются на печи:
• периодического действия, в которой операции по загрузке шихты в тигель, установка изложниц, форм и кокилей, очистке, заправке и подготовке тигля к очередной плавке производят в разгерметизированной ВИП;
• полунепрерывного действия, в которых все вышеперечисленные операции производят без нарушения вакуума в ВИП.
В печах полунепрерывного действия вследствие непрерывной работы уменьшаются колебания температуры тигля и возрастает его стойкость. Сокращение простоев при ремонте тигля, а также исключение затрат времени на откачку камеры между плавками, замену изложниц и совмещение конца одной плавки с началом другой обеспечивают более высокую производительность печей этого типа. Все это обусловило более широкое распространение в промышленности печей полунепрерывного действия.
Такие печи имеют многокамерную конструкцию, т.е. помимо основной (плавильной) камеры, должны быть дополнительные шлюзовые камеры загрузки и изложниц, оборудованные вакуумными затворами и лающие возможность загружать тигель шихтовыми материалами, подавать порожние и извлекать заполненные изложницы, не нарушая вакуума в плавильной камере.
Печи периодического действия в конструктивном отношении проще, и поэтому затраты на их сооружение меньше. Ввиду необходимости откачивать в начале каждой плавки большое количество газов, понижая давление от атмосферного до рабочего, установки периодического действия оборудуют более мощными вакуумными насосами. Кроме того, металл, выплавленный в печах периодического действия, может содержать больше кислорода и [азов. Производительность печей периодического действия ниже, стойкость футеровки также ниже по сравнению с печами полунепрерывного действия из-за более резкого перепада температуры футеровки при разгерметизации печи. Это связано с тем. что при нарушении вакуума стенки тигля пропитываются оксидами, образующимися из остатков металла, а поверхность печи, вакуумной камеры и расположенных в ней устройств адсорбирует газы. В процессе вакуумной плавки в результате десорбции газов в атмосфере над расплавом поддерживается более высокие парциальные давления вредных газов и, следовательно, уменьшаются возможности его рафинирования, а переход FeO из футеровки загрязняет расплав кислородом.
Несмотря на существенные различия в конструкции двух существующих вакуумных индукционных печей полунепрерывного действия, общим для них является наличие трех рабочих камер загрузочной, плавильной и разливочной (или камеры изложниц), а также вакуумной системы, источника питания, токопровода, приборов контроля и управления.
Основным узлом, обеспечивающим плавление, дегазацию и слив металла, является вакуумная камера. Во избежание попадания жидкого металла на металлическую поверхность (при проедании тигля), под тиглем устанавливается поддон, который футеруют огнеупорным материалом. В зависимости от конструкции установки возможно наличие специальных затворов, через которые плавильная камера сообщается с камерами загрузки или разливки, а также с вакуумной системой.
Кожух плавильной камеры сваривают из немагнитной нержавеющей стали, что позволяет уменьшить потери мощности на его нагрев в электромагнитном поле индуктора. Тем не менее выделение тепла в кожухе под действием поля индуктора и нагрев его излучением от металла вынуждают выполнять кожух плавильной камеры водоохлаждаемым.
Камера загрузки служит для загрузки в печь твердой шихты. Закрывается специальной крышкой с вакуумным уплотнением.
В камере разливки (камере изложниц) в зависимости от вместимости печи помешается несколько изложниц.
Плавка в ВИП проводится при давлении 1,0...0,1 Па. Такое давление обеспечивает как полноту раскисления металла углеродом, так и удаление водорода, азота и большей части летучих примесей. Вакуумные системы печей состоят из механических насосов, параост-руйных масляных диффузионных и бустерных насосов, пароводяных эжекторных насосов. Кроме того, вакуумная система включает ваку-умпровод, высоковакуумные затворы, вакуумные вентили, вакуумметры, шлюзовые камеры.
Индуктор вакуумной индукционная печи отличается от индуктора индукционной печи, работающей при атмосферном давлении, способом изоляции. При низком остаточном давлении испаряющиеся ИЗ металла элементы конденсируются на витках индуктора, в результате чего может произойти электрический пробой между витками. Поэтому витки индуктора вакуумных печей необходимо электроизолировать.
Технология плавки
Преимущества вакуумной плавки наиболее полно реализуется при бесшлаковом процессе. Получение металла требуемого состава достигается либо переплавом соответствующих отходов, либо использованием чистых материалов. Полный цикл плавки в ВИП состоит из следующих периодов.
1. Загрузка печи. Наилучшей твердой шихтой являются крупногабаритные заготовки или отходы прокатного производства, специальные поковки, мелко нарубленная шихта. Перед загрузкой шихту подвергают дробеструйной очистке во вращающихся барабанах, иногда отжигу.
2. Расплавление. После загрузки печи полунепрерывного действия включают ток и ведут расплавление на полной мощности. Печь периодического действия после загрузки закрывают и откачивают, включать ток можно после снижения давления до нескольких Паскалей. Во время нагрева шихты давление снижают до требуемого значения. При плавлении возможно образование «мостов». Для осаждения шихты на печи предусмотрены специальные ломики. Кроме того, «мосты» можно удалить за счет пол плавления жидким металлом, наклоняя тигель печи.
При переплаве отходов, содержащих углерод, следует опасаться бурного газовыделения из металла во время его расплавления. Для регулирования процесса кипения металла необходимо либо понижать мощность, либо напускать в печь аргон до давления 5,0 - 10,0 кПа. После расплавления всей садки давление постепенно понижают. Скорость расплавления в крупных печах (27-60 т) находится в пределах 2,7-3,15 т/ч.
3. Рафинирование. После расплавления жидкого металла проводят технологические операции, необходимые для удаления растворенных газов, серы, примесей цветных металлов. Для дегазации и рафинирования от летучих примесей достаточен перегрев на 50-100 °С выше температуры ликвидуса. При более сильном перегреве интенсивность испарения возрастает, но при этом разрушается футеровка тигля.
Чем крупнее печь, тем длительнее период рафинирования, так как в крупных печах отношение поверхности раздела металл - атмосфера к объему металла во много раз меньше, чем в малых печах. Например, в 27-тонной печи по сравнению с 10-килограммовой печью это отношение меньше в 10 раз.
Рафинирование металла можно разделить на два периода:
• период кипения ванны;
• период спокойной выдержки.
В период кипения ванны происходит обезуглероживание металла, раскисление за счет взаимодействия углерода с растворенным кислородом, дегазация расплава в соответствии с законом Сивертса.
4. Выдержка металла. В период выдержки металла в ВИП происходит удаление азота, примесей цветных металлов. Содержание кислорода снижается до 0.008 %, а после введения А1 - до 0.002 %
Если обезуглероживание не нужно, то в качестве раскислителя присаживают в ванну графит. В конце периода выдержки металл раскисляют Al, Mg, Се и другими сильными раскислителями в виде лигатур - Ni. Mg, FeC и т.п.
Исследованиями показано, что. например, раскисление нержавеющих сталей углеродом заканчивается в первые 20-30 мин плавки, содержание при этом кислорода достигает минимального значения, а при дальнейшей выдержке - увеличивается.
В ходе плавки присаживают необходимое количество ферросплавов. Перед выпуском присаживают редкоземельные металлы, наиболее активные (Mg, Са) можно присаживать в изложницу.
Разливка проводится в вакууме или в атмосфере аргона. При использовании Аr получается более плотный слиток и снижается пирофорность конденсата Mg.