Рафинирование металлов и сплавов методом электронно-лучевой плавки

Тихоновский А.Л., Тур А.А.
Наукова думка, Киев, 1984 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Тихоновский А.Л., Тур А.А. Рафинирование металлов и сплавов методом электронно-л

Общим требованием к способам ЭЛП является обеспечение наиболее полного использования электронного луча как легко регулируемого и управляемого источника нагрева для рафини­рования металлов и сплавов. Поэтому совершенствование тех­нологии ЭЛП осуществляется непрерывно по мере создания более мощных и надежных пушек, блоков питания, вакуумных агрегатов и накоплением данных о физико-химических процес­сах вакуумного рафинирования.

В настоящее время наиболее широкое промышленное приме­нение получила технологическая схема переплава твердой за­готовки в кристаллизатор. В зависимости от типа и количества электронных пушек способы ЭЛП в кристаллизатор могут реализоваться по различным вариантам (см. рис. 1). Причем из представленных на рис. 1 вариантов только два первых принци­пиально отличаются от остальных, так как они реализованы с помощью электронных пушек без ускоряющего анода. При плавке пушками без ускоряющего анода (см. рис. 1, а) кольце­вой катод располагается над верхним уровнем кристаллизатора, в котором формируется слиток. С помощью фокусирующих экранов электронные лучи делятся на две части: одна — для нагрева расходуемой (переплавляемой) заготовки, а вторая — для нагрева поверхности жидкой ванны в кристаллизаторе. Расходуемую заготовку опускают в зону плавки вертикально с помощью подающего механизма. Под влиянием бомбардировки ускоренными электронами осуществляются нагрев и плавление нижнего торца расходуемой заготовки, а расплавленный ме­талл при этом стекает в водоохлаждаемый медный кристалли­затор, где создается жидкая ванна, подогреваемая отклонен­ной частью электронного луча. По мере сплавления расходуе­мой заготовки осуществляют вытягивание слитка со скоростью, обеспечивающей поддержание постоянного уровня жидкой ванны в кристаллизаторе. Основной недостаток этого способа плавки заключается в наличии ускоряющего электрического поля непосредственно у нагреваемой поверхности. Пары ме­таллов, газы и брызги, образующиеся в этом пространстве, вызывают электрические разряды и изменяют тепловой режим плавки. Это приводит к возникновению непроплавов, слоистой химической и структурной неоднородности в слитке, некаче­ственной поверхности. Поэтому качественные слитки часто по­лучают двойным и даже тройным переплавом. Когда переплав­ляемая заготовка содержит значительное количество газообраз­ных примесей, затрудняющих осуществление стабильного процесса плавки, применяют две электрически раздельные  кольцевые пушки (см. рис. 1,6). При этом первая пушка пла­вит заготовку, а вторая поддерживает ванну в кристаллиза­торе [1661. Подобное решение значительно усложняет электри­ческую схему питания пушек и не устраняет полностью от­меченных технологических недостатков.

Недолговечность службы катода, невозможность плавить одной и той же пушкой в кристаллизаторы разного диаметра и нестабильность технологического процесса плавки с помощью кольцевых пушек без ускоряющего анода послужили основой для изыскания новых, более приемлемых решений.

В ГДР под руководством М. Арденне разработана схема плавки с помощью одной вертикально расположенной аксиаль­ной пушки, боковой подачи переплавляемой заготовки и раз­вертки достаточно сфокусированного электронного луча по поверхности жидкой ванны в кристаллизаторе (см. рис. 1, е) [129].

Плавка с помощью нескольких аксиальных пушек, верти­кальной подачей переплавляемой заготовки и электромаг­нитным отклонением лучей разработана западногерманской фирмой «Лейбольд— Гереус» (см. рис. 1, ж) [25, 140].

В ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР разработан способ ЭЛП с помощью многопушечного радиального электронно­лучевого нагревателя, вертикальной подачей переплавляемой заготовки со сканированием пучков по нагреваемой поверхно­сти (см. рис. 1, з) [70, 72].

Американская фирма «Стауфер — Темескал» предложила способ плавки с помощью нескольких пушек с линейными лу­чами, отклоненными на 180° и более, и вертикальной подачей переплавляемой заготовки (см. рис. 1, и) [175]. Последние три способа (см. рис. 1, ж—и) переплава расходуемой заготов­ки, по-существу, равноценны. Различия их состоят только в применении разных систем электронных пушек.

Промежуточное место занимают способы плавки с помо­щью кольцевых пушек с ускоряющим анодом (см. рис. 1, в—д). Первый способ (см. рис. 1,в) может иметь лишь ограничен­ное применение, так как не позволяет изменять конфигура­цию зоны нагрева без замены пушки, что очень важно при пере­ходе от одного кристаллизатора к другому. Второй способ (см. рис. 1, г) позволяет в некоторых ограниченных пределах из­менять конфигурацию зоны нагрева с помощью электромаг­нитов, но он может применяться только в сочетании с боковой подачей заготовки. Компромиссное решение для пушек рассмат­риваемого типа реализовано в технологической схеме мегаваттной печи [981, где три кольцевые пушки с ускоряющим ано­дом установлены над кристаллизатором вокруг вертикально подаваемой заготовки (см. рис. I, 5).В этом случае конфигу­рацию зоны нагрева можно изменять наклоном отдельных пушек.

Применение пушек с ускоряющим анодом позволяет осу­ществить плавку в пространстве, свободном от электрического поля. Эта отличительная особенность наряду с раздельной от полости плавки откачкой из полости пушки (см. рис. 1, е) или объединенного пространства, в котором расположены пушки (см. рис. 1, ж, з),а также отклонение луча позволяет свести к минимуму возможность электрических разрядов в системе катод — анод в процессе плавки. Одновременно значительно увеличивается долговечность катодов, уменьшается вероятность прерывания процесса плавки при выходе из строя части пушек.

Стабилизация теплового режима при отсутствии высоко­вольтных разрядов увеличивает химическую и структурную однородность слитка, позволяет получить более качественную поверхность слитка и упрощает управление процессом плавки.

При сопоставлении технологических схем, приведенных на рис. 1, следует отметить некоторое их различие с точки зрения физико-химического воздействия на переплавляемый металл и в первую очередь на условия нагрева и величину реакцион­ной поверхности жидкой фазы.

Как отмечалось, плавка с помощью одной аксиальной пуш­ки и разверткой луча происходит в динамическом, периодичес­ки повторяющемся тепловом режиме, а условия плавки не­сколькими пушками, особенное недостаточно сфокусированны­ми лучами, приближаются к стационарным [60, 61, 137, 1601.

При динамическом нагреве электронный луч определенного сечения и плотности энергии перемещается по поверхности жидкой ванны в соответствии с круговой, спиральной или бо­лее сложной разверткой. В этих условиях каждая точка поверх­ности жидкой ванны подвергается действию периодических тепловых импульсов, частота и длительность которых зависят от частоты и траектории развертки электронного пучка и от диаметра фокального пятна (следа луча на поверхности ванны).

При стационарных условиях нагрева пространственное по­ложение электронного потока остается практически неизмен­ным в процессе плавки. Электроны относительно равномерно бомбардируют поверхность ванны.

Для обеспечения наилучших условий рафинирования сле­дует максимально развивать реакционную поверхность, соз­давая наиболее оптимальный перегрев металла. При динамиче­ском нагреве с относительно небольшой скоростью движения луча по поверхности жидкой ванны могут возникнуть нерацио­нально высокий перегрев в перемещающемся фокальном пятне и, как следствие, повышенные потери металла в результате испарения. Одновременно могут ухудшаться условия рафиниро­вания вследствие уменьшения эффективной реакционной по­верхности и нивелирующего эффекта в зоне фокального пятна.

Более развитая поверхность и более выгодные условия ра­финирования создаются при вертикальной подаче переплавля­емой заготовки по сравнению с горизонтальной. При вер­тикальной подаче оплавляемый торец расходуемой заготовки, как правило, принимает форму конуса и стекание металла про­исходит вдоль образующей конуса, что значительно увеличива­ет реакционную поверхность.

При плавке с помощью одной аксиальной пушки и горизон­тальной или наклонной подачей переплавляемой заготовки на

 

поверхности жидкой ванны в кристаллизаторе образуется об­ласть с пониженной плотностью энергии — «энергетическая тень» от переплавляемой заготовки, которая отрицательно влия­ет на структурную и химическую однородность слитка.

Разновидностью технологических схем плавки в кристалли­затор является переплав сыпучей шихты (порошка, гранул, губки, стружки и т. п.), а также скрапа (отходов металлурги­ческого прокатного, прессового и кузнечного производства.

Переплав сыпучей шихты обычно применяется для получе­ния компактного слитка, который затем подвергается повтор­ному переплаву по одной из схем, показанных на рис. 1, или другими способами специальной электрометаллургии. В рабо­те [142] отмечается, что способ компактирования скрапа в электр он но-лучевой печи позволяет получить высокие показа­тели. Например, при переработке титанового скрапа достига­ется производительность 10 000кг/(ч *м2) при удельном рас­ходе электроэнергии 1,44 МДж/кг. Для стали соответствующие показатели равны 17 000кг/(ч *м2) и 1,08 МДж/кг.

В настоящее время разрабатываются технологические схемы ЭЛП, позволяющие более полно использовать преиму­щества электронного луча как источника нагрева. Независи­мость нагрева от процесса плавления и возможность регулиро­вания параметров нагрева в широких пределах позволяют С применением электронно-лучевых пушек создавать технологические схемы, в которых плавление, рафинирование и кристаллизация осуществляются раздельно. Это существенно рас­ширяет технологические возможности ЭЛП.

На рис. б показаны варианты способа плавки с промежу­точной емкостью. При плавке в соответствии с рис. 5, а, жидкий металл с переплавляемой заготовки поступает в водоохлаждаемую промежуточную емкость, а затем в кристаллизатор. За­данный температурный режим в промежуточной емкости и кристаллизаторе обеспечивают автономные пушки. С примене­нием  промежуточной емкости можно осуществить параллель­ную разливку металла в несколько кристаллизаторов (рис. 5, б) и легирование металла летучими элементами по ходу плавки (рис. 5, в), при этом в камере формирования слитка, в которой осуществляют присадку легирующего компонента, вакуум составляет 1,3 • 10-1 Па.

В США создан и опробован в промышленных условиях спо­соб холодноподового электронно-лучевого рафинирования исходного жидкого металла (рис. 6) 1133, 135, 144]. Этот спо­соб предусматривает рафинирование жидкого металла в про­цессе течения его по каскаду из пяти медных водоохлаждаемых желобов и формирование слитков в кристаллизаторе скольже­ния. Жидкое состояние и необходимый перегрев металла под­держиваются электронно-лучевыми пушками со сканирую­щим лучом.

Существующие способы ЭЛП в кристаллизатор и с приме­нением промежуточной емкости весьма ограничены по произ­водительности. Скорость вытягивания слитка из кристаллиза­тора, обеспечивающая получение высокой однородности его по химическому составу и структуре, зависит от интервала кристаллизации сплава и условий отвода тепла от фронта кри­сталлизации. Обычно для сложнолегированных сплавов при диаметре кристаллизатора более 0,2—0,3 м она составляет не­сколько миллиметров в минуту. Поэтому наряду с совершен­ствованием способа вертикального формирования слитка, осуществляемого в современных электронно-лучевых установ­ках, в настоящее время предложены способы горизонтальной отливки слитков, расширяющие возможности ЭЛП по производительности оборудования и качеству получаемых слитков.

На рис. 7 показана установка для получения монолитных и многослойных литых слябов, разработанная в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР [86]. За счет увеличения площади зеркала жидкого металла при горизонтальной отливке можно достичь значительно большей производительности, чем при формировании слитков традиционным способом по методу полунепрерывной разливки жидкого металла.

Большим преимуществом горизонтальной отливки явля­ется получение слитков, которые могут поступать в прокатку, минуя обжимные станы. Причем слиток-сляб не требует ме­ханической обработки перед прокаткой, так как верх его име­ет зеркальную поверхность, а низ при необходимости может быть оплавлен электронными пучками сразу же после сфор­мирования слитка. Методом горизонтальной отливки можно получать заготовки различной формы и конфигурации (диски, кольца, фланцы, плиты), отличающиеся высокой чистотой, химической и структурной однородностью. Эти заготовки мо­гут быть использованы в изделиях в литом или деформирован­ном виде. Обычно горизонтальные слитки требуют значитель­но меньших обжатий для измельчения литой структуры, а про­кат из них обладает небольшой анизотропией свойств как в продольном, так и в поперечном направлении.

Благодаря высокой производительности метод горизонталь­ной отливки слитков открывает неограниченные возможности

 

для формирования высококачественных слитков из исходного жидкого металла. При этом можно получать слитки большой массы с использованием нескольких порций жидкого металла. Наконец, этот метод позволяет получать новые конструкцион­ные материалы (биметаллические, многослойные и армированные слитки) под последующую прокатку или для применения в изделиях в литом виде.

Электронно-лучевые источники нагрева применяются для гарнисажной плавки с последующим сливом жидкого металла в изложницу или фасонную форму (рис. 8) [118, 175]. Они имеют преимущества перед дуговым источником нагрева: можно бо­лее длительное время выдерживать расплав и перегревать его до более высокой температуры; нет необходимости изготавли­вать расходуемые электроды; меньше опасность прожигания гарнисажного тигля и более просто измерять температуру ме­талла; можно осуществлять подогрев не только жидкой ванны, но и сливного носка и приемника формы при разливке и т. п.

В последнее время в СССР и за рубежом интенсивно разра­батывается новая электронно-лучевая технология производ­ства конструкционных материалов, основанная на распылении в вакууме жидких сплавов и затвердевании их с большой ско­ростью в виде гранул или других частиц малых размеров с последующим компактированием в заготовки под деформацию и готовые детали. Перспективным направлением является так­же разработка способов ЭЛП для получения мерных заготовок под  последующий профильный прокат (рис. 9) [76,104,118,175].