Вакуумные дуговые печи

Волохонский Л.А.

Энергоатомиздат, 1985 г.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПЕРЕПЛАВЕ И ПОКАЗАТЕЛИ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КАЧЕСТВО МЕТАЛЛА

Вакуумная дуговая печь как металлургический агрегат позволяет осуществить следующие физико-химические процессы при расплавлении и затвердевании металла, оказывающие большое влияние на качество конечного продукта.

1. Удаление летучих примесей посредством их испарения. Испарение может происходить из твердого электрода во время его нагрева или из расплавленного металла на торце электрода и в ванне. Интенсивность рафинирования зависит от давления и температуры в соответствующей зоне, а при постоянстве этих параметров — от продолжительности нагрева и плавления электрода. Особенно активно при вакуумной плавке испаряются магний, свинец, мышьяк, олово — их удаление происходит почти полностью. Частично испаряются марганец, хром, медь и др.

При расчете материального и теплового балансов плавки необходимо учитывать эти процессы и принимать меры по  предотвращению испарения в случае, если летучие вещества являются компонентами сплава, путем повышения давления в печи.

2. Удаление газов, находящихся в свободном и растворенном виде, из электрода, капли и ванны. Глубина рафинирования зависит от давления в рабочем пространстве, температуры и скорости плавления. Большинство переплавляемых в ВДП металлов нуждается в удалении водорода, кислорода и азота.

При плавке с расходуемым электродом дегазация возможна как из твердой фазы (электрод и слиток), так и из жидкой (пленка расплава на торце электрода, капля и ванна). Дегазация твердого металла осуществляется путем диффузии газов, однако скорость этого процесса чрезвычайно мала. Обезгаживание расплава путем диффузии более вероятно, поскольку коэффициенты диффузии в расплавах во много раз больше, чем в твердом металле.

Наиболее благоприятные условия для этого процесса создаются на пленке расплава на торце электрода, толщина которой составляет 1—2 мм и градиент концентрации значителен.

Существенного перемешивания металла в пленке не наблюдается, следовательно, конвективный перенос газа с движущимся металлом-, препятствующий диффузии, не происходит. В противоположность этому диффузия газа в ванне маловероятна, так как толщина слоя расплава здесь значительно больше, а скорость движения металла намного превышает скорость диффузии.

Более вероятен выход газа в виде пузырей. Зарождение пузырька обычно происходит на поверхности раздела фаз. Так как гидростатическое давление металла препятствует зарождению пузырька на фронте кристаллизации, наиболее благоприятным местом для этого процесса является нижний торец электрода, где это давление отсутствует. Киносъемка процесса плавления электрода с большим газосодержанием показывает, что действительно из электрода интенсивно выделяются пузырьки газа.

Еще одним способом удаления свободных и растворенных газов является их перевод в химическое соединение, упругость пара которого значительно выше упругости пара металла. К таким соединениям относятся моноокислы иттрия, тантала, гафния, тория и др. Упругость паров высших окислов ниже, чем моноокислов, и их испарение маловероятно.

При вакуумной дуговой плавке удается добиться почти полного удаления растворенных водорода и азота, а также кристаллизационной влаги, выделяющейся при температуре более 800—900 К. Химически связанные газы могут быть удалены лишь в случае перевода их в газообразное состояние. Так, окислы в зоне высоких температур могут восстанавливаться углеродом с последующим удалением.

3. Удаление неметаллических включении в виде оксидов, нитридов, карбидов, гидридов, сульфидов и их соединений может в определенной степени происходить на торце электрода вследствие испарения или термической диссоциации. Наиболее благоприятные условия для удаления всех видов включений имеются на поверхности расплава, где включение может находиться достаточно долго, подвергаясь термической и химической обработке. Термической диссоциации в зоне анодного пятна подвергаются гидриды, нитрид алюминия, сульфиды [37]. Нераскисленный металл легко раскисляется углеродом с переводом кислорода в газообразную окись углерода [38].

Однако поскольку капли, падая с электрода, погружаются в ванну достаточно глубоко, необходимы определенные условия для всплывания включений на поверхность. Плотность включения должна быть меньше плотности металла, а скорость всплывания — больше скорости наплавления. Например, при первом переплаве титана окисные включения (как правило, кусочки окисленной губки), имеющие большую плотность, чем жидкий титан, быстро опускаются на дно ванны и не успевают раствориться даже при интенсивном перемешивании расплава. По данным большинства исследователей при переплаве стали происходит всплывание включений размером более 15—20 мкм. Более мелкие включения могут коагулировать и всплывать в укрупненном виде.

Результаты исследований удаления кислорода и азота в виде неметаллических включений при вакуумном дуговом переплаве на примере стали ШХ-15 приведены в [39]. В частности, подтверждается сам факт, что этот способ удаления является единственно возможным. Установлено, что более полной очистке способствует формирование в исходном металле включений с небольшой плотностью и максимальной межфазной энергией на границе с металлом (например, высокоглиноземистые включения). Увеличение размеров нитридных включений благоприятствует их удалению в процессе переплава.

Некоторые включения, даже попав на поверхность ванны, не разлагаются и образуют твердую или жидкую пленку шлака. К ним относятся окись алюминия и титана, карбид и нитрид титана.

При выплавке стальных слитков на зеркале ванны часто оказываются и крупные (диаметром в несколько миллиметров) частицы шлака, попавшие в электрод при его отливке и состоящие в основном из оксидов и нитридов алюминия и титана. Шлаковая пленка примерзает к «короне» и таким образом попадает в тело слитка, образуя подкорковые дефекты. Для уменьшения количества шлака принимают меры по снижению содержания этих видов включений в электроде посредством правильной организации разливки. Кроме того, применяется физико-химическое воздействие на консистенцию и состав шлака добавкой фтористого кальция.

4. Растворение легирующих. В ВДП, как правило, выплавляют слитки сложного состава. При переплаве электрода легирующие добавляют при изготовлении электрода (выплавке, прессовании, спекании), этим удается достигнуть удовлетворительной однородности состава по сечению и длине слитка. При неравномерном распределении легирующих в электроде усреднить состав можно только тогда, когда металл находится в жидком состоянии, например перемешивая его или увеличивая число переплавов.

Однако даже при удовлетворительном распределении всех компонентов в электроде в процессе переплава возможно перераспределение их по сечений и высоте слитка— так называемая зональная ликвация, связанная с зависимостью растворимости от температуры и избирательным выпадением из раствора компонентов с разной температурой плавления. Возможна и сегрегация по высоте слитка компонентов с сильно отличающимися значениями плотности.

При плавке стали и сплавов на хромоникелевой и никелевой основах существенной зональной ликвации не обнаружено [33, 34]. При плавке сплавов на основе титана, содержащих такие компоненты, как ΑΙ, Μn, Mo, Сr, весьма сложно получить слиток однородного состава, что объясняется не только неравномерностью распределения легирующих компонентов В электроде, но и протеканием ликвационных процессов. Заметная зональная ликвация по сечению слитка наблюдается при содержании легирующего компонента (Мо, Сr, Сu, Ni) более 8% [32]. В центре слитка содержание элементов, присутствие которых снижает температуру плавления (V,Cr, Μn, Сu, Fe), увеличивается, а элементов, повышающих температуру плавления (Mo, Nb), уменьшается. Это объясняется перераспределением легирующих между жидкой и твердой фазами. На ликвационные процессы влияет также движение расплава вблизи и внутри двухфазной области.

Неоднородность химического состава слитков может возникнуть также в результате испарения легирующих компонентов. Например, в слитках титанового сплава ОТ-4 (1,5% Μn) центральная часть имеет пониженное содержание марганца. При выплавке тех же слитков в атмосфере аргона удается, получить равномерное содержание марганца.

Гарнисажная печь позволяет обеспечить большую равномерность химического состава, так как в ней одновременно весь металл находится в жидком состоянии. Кроме того, в этом агрегате легко осуществить интенсивное перемешивание расплава. В гарнисажной печи менее вероятно образование дефектов из тяжеловесных включений, которые выпадают на дно ванны и вмерзают в гарнисаж. Однако после отливки изделия не исключается протекание ликвационных процессов во время затвердевания.

5. Формирование поверхности. Интенсивное испарение и разбрызгивание металла при переплаве приводят к образованию пористого  поверхностного слоя, толщина которого зависит от количества конденсата. При втором переплаве некоторых чистых металлов удается добиться почти полного отсутствия конденсата и получить слиток, не нуждающийся в обдирке. Если возможности увеличения мощности дуги не ограничены другими соображениями, то целесообразно проводить переплав на форсированных режимах, что способствует повышению температуры в верхней части ванны и подплавлению образовавшегося над ней поверхностного слоя. При проведении переплава в аргоне при давлении (1—2) -10⁴ Па, испарение незначительно и конденсат практически отсутствует. Титановые слитки, выплавленные в аргоне, имеют значительно лучшую поверхность, чем слитки, выплавленные при давлении менее 1*10² Па.

Некоторое влияние на качество поверхности слитка оказывает длина межэлектродного промежутка. Увеличение ее приводит к образованию выпуклого торца электрода и смещению тепловыделения к периферии, что может способствовать уменьшению толщины поверхностного слоя. При переплаве на коротких дугах наблюдается обратная картина.

Толщина поверхностного слоя, при прочих равных условиях зависящая от мощности дуги, определяет выход годного металла и, следовательно, стоимость продукции.

Поверхность изделия, отлитого в гарнисажной печи, зависит прежде всего от жидкотекучести металла. Жидкотекучесть в свою очередь зависит от степени нагрева расплава и равномерности распределения температуры в ванне, т. е. от тепловых и геометрических факторов,

6. Формирование кристаллической структуры. В слитке, выплавленном в ВДП, как и в обычном слитке, наблюдаются три зоны: периферийная зона мелких кристаллов, зона крупных ориентированных кристаллов и зона неориентированных кристаллов в центральной части.

Значительный тепловой поток, проходящий от зеркала ванны к поверхности раздела фаз, и, следовательно, повышенные градиенты температуры перед фронтом кристаллизации создают хорошие условия для формирования дендритной структуры слитка. Для обеспечения высокой плотности металла необходима минимальная дендритная неоднородность, что достигается при небольшой протяженности двухфазной области. При большой глубине ванны градиент температуры перед фронтом мал, а протяженность двухфазной области велика. Это вызывает быстрый рост дендритов при последующем затвердевании маточного раствора, обогащенного примесями. При достаточно малых значениях градиента и расширении зоны переохлаждения могут формироваться и равноосные кристаллы некоторым развитием усадочных и ликвационных явлений, выраженных, впрочем, значительно слабее, чем у слитков, отлитых в изложницу. В центральной части крупных слитков наблюдаются в основном равноосные кристаллы, что объясняется снижением подводимого и отводимого тепловых потоков у поверхности раздела фаз. Такая же картина наблюдается и у небольших слитков, отлитых на повышенных токах, т. е. при значительной глубине ванны.