Вакуумно-индукционная плавка

Линчевский Б.В.

Металлургия, 1975 г.

ВЫПЛАВКА СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Нержавеющие стали

Основной целью выплавки нержавеющих сталей является получение металла с низким содержанием углерода 0,01—0,02% и неметаллических включений, особенно нитридных и азота.

Получение низкого содержания углерода в нержавеющих сталях и различных хромоникелевых сплавах является важной задачей. Низкоуглеродистые нержавеющие стали обладают высокими антикоррозионными свойствами и высокой пластичностью. В последние годы значительно возросла потребность, в частности, в области электронного приборостроения в таких сталях, как 000X18H12, где требуется содержание углерода в металле <0,02% при содержании азота не более 0,03%. Для изготовления тонкостенных труб требуются хромоникелевые стали со стабильной аустенитной структурой, содержащие 0,010—0,015% С, например сталь 000X16Н15М3 и др.

Металл с низким содержанием углерода можно получать путем использования шихты с низким исходным содержанием углерода, например специально выплавленной заготовки мягкого железа, безуглеродистого или металлического хрома. Однако при выплавке таких сталей в открытых печах для получения 0,03—0,04% С приходится считаться с большими потерями хрома (5—7%) вследствие сильного переокисления ванны. Для того чтобы избежать возможного контакта электродов с ванной в электродуговых печах приходится работать на длинных дугах, а это приводит к преждевременному износу футеровки.

Сплавление же чистых шихтовых материалов в индукционных открытых печах сопровождается насыщением металла азотом и загрязнением его кислородом и окисными неметаллическими включениями. Поэтому единственным способом получения низкоуглеродистых нержавеющих сталей является их выплавка в вакуумных индукционных печах.

В вакуумных индукционных печах можно получить низкоуглеродистую сталь без загрязнения ее кислородом, азотом, водородом. Для выплавки можно использовать чистые шихтовые материалы и отходы низкоуглеродистого металла, учитывая, что в вакууме можно проводить и обезуглероживание ванны.

Для получения низкоуглеродистой нержавеющей стали в вакуумной лабораторной печи емкостью 10 кг были проведены плавки на шихте, состоявшей из отходов этой стали с содержанием 0,1% С. Ход обезуглероживания представлен на рис. 92. Плавки были выполнены при различном давлении: от 3—4 до 0,02 мм рт. ст. Изменение давления не влияло на ход обезуглероживания.

При проведении плавок в печи емкостью 150 кг оказалось, что скорость обезуглероживания значительно уменьшилась. Для ускорения процесса обезуглероживания и для достижения необходимых содержаний углерода в шихту вместе с загружаемыми отходами вводили железную руду в качестве окислителя. Так, для получения в металле 0,02—0,03% С при переплаве отходов с содержанием 0,06—0,07% С, давали руду в количестве до 3% от массы садки и нагревали металл до 1600° С.

Полученные результаты показали принципиальную возможность получения низкоуглеродистой стали в вакуумной индукционной печи.

При выплавке в больших печах стали типа Х18Н8 на отходах не происходит заметного обезуглероживания благодаря выдержке металла в вакууме. Содержание углерода по ходу плавки снижается на 0,01 — 0,03%. Более интенсивно окисляется углерод при выплавке на свежей шихте, состоящей из низкоуглеродистого железа и чистых шихтовых материалов — электролитического никеля, металлического хрома или безуглеродистого феррохрома.

Так, например, в 0,5-т печи выплавку стали 000Х18Н12 ведут следующим образом. В завалку дают заготовку чистого железа и никель. После расплавления этой части шихты в вакууме присаживают хром. Выдержка жидкого металла составляет 20 мин. Разливку производят без предварительного раскисления. При таком методе производства получают сталь, содержащую 0,02— 0,026% С; 0,006% О; 0,015—0,020% N; 0,008—0,014% S; 0,001 — 0,004% Ti; 0,02—0,35% Μn; 0,02—0,035% Si.

Для снижения себестоимости стали по предложению ЦНИИЧМ заменили дорогостоящий металлический хром феррохромом ФХ015 с более высоким содержанием углерода и применили обдувку поверхности жидкой ванны смесью кислорода с аргоном. В результате такой окислительной обработки в вакууме, несмотря на применение среднеуглеродистого феррохрома, в готовом металле содержание углерода было на уровне 0,01%. Скорость реакции обезуглероживания при обработке металла кислородом зависела от температуры. С повышением температуры от 1520 до 1620° С скорость обезуглероживания возрастала в 1,6 раза.

Предварительные опыты, проведенные в лабораторных условиях Ал. Г. Шалимовым, показали, что применение для продувки кислорода значительно ускоряет процесс удаления углерода, этовидно из табл. 34, в которой приведены значения условных констант скоростей процесса обезуглероживания [128].

Полученные значения констант скоростей обезуглероживания при обычной выдержке металла в вакууме сравнимы с результатами нашего исследования (2—3· 10“⁴ с^-1). Применение кислорода значительно ускоряет процесс обезуглероживания (в 4—5 раз) н позволяет добиваться получения стабильных низких содержаний углерода.

Простая выдержка стали в вакууме дает низкие содержания углерода в том случае, если металл окислен и хорошо нагрет. При выплавке стали 000Х16Н15МЗ использовали железо марки МЖО, феррохром, Хр0000, Хр01, никель и легированную молибденом заготовку МЖМо. Для обезуглероживания применяли обдувку кислородом при давлении в печи 1 мм рт. ст. при 1630— 1650°С в течение 50 -60 мин. Конечное содержание углерода составляло 0,010 0,015%.

Стали ВКС1 и ЭИ928 легированы бериллием, их выплавляли в ВИП следующим способом . Плавили основу сплава: железо—хром, никель и кобальт, после расплавления происходило кипение металла, регулируемое аргоном. После дегазации раскисляли металл графитовым порошком, затем вводили феррованадий и никельбериллиевую лигатуру или металлический бериллии при 1500 С. Усвоение бериллия в вакууме составляло 90—95 против 65—70% при плавке на воздухе. Оказалось, что усвоение бериллия зависит от содержания кислорода, чем меньше кислорода в металле, тем лучше усваивается бериллий. Жаропрочные сплавы

Жаропрочные сплавы, выплавляемые в ВИП, разливают либо в малые слитки для последующей деформации, либо в крупные слитки, которые часто после соответствующей обработки переплавляют в вакуумных дуговых печах или используют в качестве шихтовой заготовки для мелких вакуумных индукционных печей, в которых отливают различные фасонные детали.

При выплавке и разливке жаропрочных  сплавов серьезную трудность представляет образование окисной плены на зеркале металла. При выплавке этих сплавов на воздухе плена является причиной брака при дальнейшей обработке слитков и отливок из-за грязной макроструктуры, низкой жаропрочности, хрупкого разрушения при ковке. Плены часто располагаются по границам зерен и снижают пластичность металла при рабочих температурах.

При плавке в вакууме благодаря раскислению углеродом удается разрушить возникающую окисную плену, частично окисная плена впитывается стенками тигля. Разливка жаропрочных сплавов в вакууме происходит с чистым зеркалом.

При выплавке жаропрочных сплавов в тигель загружают основные составляющие сплавов — никель, кобальт или железо, после расплавления металлическую ванну дегазируют, частично раскисляют присадкой углерода в виде графитового порошка и после этого дают хром, молибден. Раскисляют никелевые сплавы  никельмагниевой лигатурой или дают лигатуру для легирования  титаном, а легирование алюминием производится при помощи  никельалюминиевой лигатуры. Конечное раскисление часто производится мишметаллом.                                                                    

Почти полностью в настоящее время в вакууме выплавляется сплав Х20Н80. В работе [1321 сплавы Х20Н80 и Х15Н60 после расплавления при 1500—1520 С раскисляли углеродом на 0,02%, выдерживали после этого 15—20 мин и вводили кремний в виде 75%-ного ферросилиция, дальнейшее раскисление осуществляли никельмагниевой лигатурой из расчета присадки 0,1% Mg. При добавке лигатуры в печь напускали аргон до давления 40 мм рт. ст. За 7—10 мин до окончания плавки давали церий, цирконий или лантан. Для сохранения большей концентрации церия при плавке  в вакууме рекомендуется присадку церия производить в атмосфере аргона, как и других РЗМ или магния. Оказалось, что для легирования металла РЗМ в вакуумной индукционной печи требуется значительно меньшее количество РЗМ, чем в открытой печи. Уже присадки 0,2% Zr или 0,15% Се были слишком большими, отрицательно сказывавшимися на пластичности металла.

На свойства жаропрочных сплавов влияет натекание в печь (рис. 93, а). Очевидно, при этом происходит загрязнение сплава газами, подобное же влияние оказывает и давление, при котором происходит плавка (рис. 93).

Трансформаторная сталь и магнитные сплавы

Трансформаторную сталь выплавляли на шихте, состоявшей из чистого железа 1130]. Рафинирование от фосфора и серы производили на воздухе шлаком. Часть кремния присаживали до вакуумирования для получения более низкого содержания углерода, при этом конечные содержания углерода оказывались равными 0,015—0,007%. Основное количество кремния присаживали в вакууме.

Для получения магнитномягких сплавов 50Н и 79НМ расплавляли железо, никель и молибден [131 ]. После расплавления сплав дегазировали и раскисляли его углеродом. При выплавке сплава 79НМ в печи емкостью 0,5 т раскисление только углеродом не обеспечивало необходимой пластичности металла и высоких магнитных свойств, поэтому использовали никельмагниевую лигатуру.

Выплавка чистых металлов

Никель. При выплавке чистого никеля руководствуются исходными шихтовыми материалами. Так, при использовании брикетов Монд-никеля их отжигают в атмосфере влажного водорода при 800° С для глубокого обезуглероживания до 0,007—0,07% С. Затем. брикеты расплавляют в атмосфере водорода, заменяют водород гелием, вакуумируют, снова вводят водород, потом гелий и выдерживают в вакууме, разливая при давлении 1 ат в гелии. В таком никеле содержание примесей не превышает 0,005%; в том числе 0,001—0,002% С; 0,0001—0,0018% О; 0,003% Н и 0,003% N [133].

Для выплавки никеля марки НП1 используют в качестве шихты катодный никель НО, содержащий не более 0,01% примесей. Раскисление металла проводят лигатурой Ni—С на 0,01 0,015% С. После выдержки, необходимой для раскисления, металл разливают в изложницу. Содержание углерода в готовом никеле 0,001—0,002%.

Особое внимание при выплавке никеля должно быть обращено на подготовку шихты. Должны быть приняты особые меры, предохраняющие никель от загрязнения. Для рубки и резки катодов необходимо специальное оборудование, предназначенное только для этой цели. Хранить нарезанную шихту следует в коробах с крышками. Жидкий сплав рекомендуется из тигля сразу же заливать в изложницу, не используя промежуточные разливочные средства во избежание загрязнений. Наилучшим материалом для футеровки тигля служит окись магния [134].

Сплавы для электровакуумных приборов на основе никеля. Для деталей электровакуумных приборов повышенной долговечности н надежности применяются различные никелевые сплавы с минимальным содержанием примесей. Широкое распространение получили сплавы никеля с магнием, вольфрамом, цирконием, рением, молибденом.

Основанием технологии получения этих сплавов является технология получения вакуумплавленного никеля НП1. При выплавке сплавов никеля с магнием после расплавления никеля и его раскисления углеродом никельмагниевую лигатуру вводят в атмосфере аргона под давлением 4—2 мм рт. ст. непосредственно перед разливкой. При выплавке сплавов никеля с вольфрамом, алюминием, цирконием, титаном присадки дают за 10—15 мин до выпуска.

Для получения сплава Ni—Mg—W порошок никеля рафинируют отжигом во влажном водороде, расплавление никеля производят под водородом, заканчивают плавку в вакууме. В конце плавки производят легирование никеля. Рафинирование во влажном водороде позволяет очистить никель от углерода, серы н закиси никеля. При этом в сплаве получают следующее содержание примесей: <0,002% С, <0,001% S, <0,001% О, <0,001% N, < 0,001% II, <0,005% Со, <0,005% Fe <0,005% Si, Mn.Cu, Al.

Железо. В ФРГ был разработан способ получения особочистого железа [1351, предусматривающий многоступенчатую технологию. Сначала в открытой индукционной печи переплавляют электролитическое железо, науглероживая его до 2,5% под шлаком из извести и шпата. Шлак несколько раз меняют. Плавка углеродистого железа под таким шлаком дает возможность понизить содержание серы до 0,002%. Затем осуществляется второй переплав в кислой открытой индукционной печи с продувкой кислородом до 0,15% С. Температура металла при первом и втором переплаве должна быть невысокой, чтобы избежать восстановления фосфора. Полученные слитки железа переплавляют в вакуумной индукционной печи при давлении 10^_3—10 '¹ мм рт. ст. для снижения содержания углерода до 0,05—0,06% и кислорода до 0,001—0,002%.

Наконец, последний вакуумный переплав с дополнительным окислением углерода до 0,002 —0,004%. Конечный продукт содержит 0,001—0,002% О; 0,0049% Si; 0,007% Р; 0,004% S; 0,01% Сг; 0,01% Си; 0,002% Ni.

При выплавке чистого железа в вакуумной индукционной печи следует опасаться насыщения металла кислородом за счет огнеупорной футеровки.

Медь. Наиболее распространенным металлом в электровакуумных приборах является медь. Она составляет 90—95% от массы всех применяемых металлических материалов. Наибольшее применение получила бескислородная медь МБ, которая в последнее время применяется в виде выплавленной в вакууме меди МВ, содержащей 99,99% Си.

Вакуумплавленная медь содержит значительно меньше кислорода и других газов, чем обычная медь. Поэтому ее вакуумная плотность гораздо выше. По данным [136], из меди МВ при 900 С за 15 мин выделилось газа 0,35 мкл/r по сравнению с 2,21 мкл/г из меди МБ.

Основным видом брака при получении вакуумплавленной меди является газовая пористость. Несмотря на применение электроннолучевого переплава, пористость может достигать 30%, с раз-

мерами пор от 0,1 до 1,5 мм. Поры в меди образуются в результате взаимодействия кислорода и водорода при затвердевании металла с образованием газового пузырька. Устранение в меди пористости газового происхождения с помощью обработки давлением не достигается. При использовании такой меди в электровакуумных приборах появляется брак по герметичности изделий с одновременным снижением механических свойств металла.

Для устранения дефектов газового происхождения в литой вакуумплавленной меди необходимо, чтобы металл перед разливкой был хорошо дегазирован и раскислен.

При выплавке меди в вакуумных индукционных печах в качестве основной составляющей шихты наиболее часто используется катодная медь двойного рафинирования марок М00 и МО. Содержание газов в этой меди приведено ниже, %:

Водород удаляется из жидкой меди в вакууме благодаря воздействию низкого давления. Для удаления кислорода необходимо применение раскислнтелей. Наиболее перспективным раскислителем является углерод.

Процесс удаления газов при плавке меди в ВИП можно разделить на три периода.

1. Удаление газов из твердой шихты при ее прогреве.
2. Дегазация жидкой ванны.
3. Выделение газов при кристаллизации слитка в изложнице.

Раскисление меди углеродом

Известно, что растворимость углерода в меди незначительна всего 0,00005%, поэтому раскисление меди углеродом при плавке ее в графитовом тигле может происходить только в результате протекания поверхностной реакции на границе раздела расплав - тигель. Поэтому раскислительная способность углерода в меди должна определяться условиями образования газовых пузырьков окиси углерода на поверхности графитового тигля.

Поскольку графит плохо смачивается медью, а на поверхности тигля находится множество микротрещин, то условия зарождения пузырьков газа здесь достаточно благоприятны.

Можно предположить, что на вертикальных стенках тигля после отрыва газового пузырька не остается зародыша, могущего служить центром образования нового пузырька. Поэтому роль вертикальных стенок тигля в выделении пузырьков газа незначительна по сравнению с дном тигля. Это подтверждается многочисленными наблюдениями, которые показали, что дно графитового тигля изнашивается значительно быстрее, чем стенки.

Эффективно протекает удаление водорода из меди и при добавлении к меди кислорода в виде окиси меди.

В этом случае бурное выделение пузырьков окиси углерода способствует дегазации. Расчеты

показывают, что основная масса водорода удаляется из меди в результате диффузии водорода в пузырьки газа.

В целом технология выплавки меди в ВИП выглядит следующим образом. В качестве шихты используют катоды меди М00 и М0 без промывки. Расплавление шихты проводят на воздухе в графитовом тигле.