Плавление металла при вакуумном дуговом переплаве (статья)

Перед началом процесса переплава расходуемый электрод во всех точках, как правило, имеет температуру окружающей среды («температуру цеха»). А между тем, плавление может начаться только при определённой температуре, которая так и называется «температура плавления». Для большинства марок сплавов и стали эта температура составляет от 1380 до 1510 °C. Значит, электрод или, по крайней мере, его нижний конец должен быть разогрет до указанной температуры. Можно выделить три стадии процесса переплава, каждой из которых соответствует определённое состояние электрода: • начальная (нижняя часть холодного электрода постепенно прогревается до установления стационарного распределения температуры вблизи оплавляемого торца); • стационарное плавление (прогретая зона постоянной высоты перемещается по электроду вместе с фронтом плавления); • ускоренное оплавление верхнего прогретого остатка электрода вследствие уменьшения затрат энергии на нагрев. Начальной стадии плавки можно было бы не уделять особого внимания, ибо рано или поздно электрод разогревается при рабочем или даже при пониженном токе, и устанавливается стационарный режим плавления. Пониженный ток упомянут по той причине, что такой режим наведения ванны некоторые практики применяли для защиты медного поддона от воздействия мощной дуги. Отнестись с должной серьёзностью к режиму прогрева электрода и наведения жидкой ванны заставила жизнь Влияние химического состава стали и сплавов Затраты энергии на плавление любого материала зависят от его теплофизических свойств: прежде всего от теплоёмкости и температуры плавления (эти параметры определяют темп нагрева металла, его подготовки к плавлению), а также от скрытой теплоты плавления. Эти характеристики, в свою очередь, определяются химическим составом материала. Известно, например, что на температуру плавления стали существенно влияет содержание углерода: сталь с 1 % С плавится при температуре 1440 оC, тогда как низкоуглеродистые марки — при 1480…1500 оC. Температура плавления жаропрочных сплавов на никелевой основе составляет, чаще всего, около 1380 оC, и такое отличие от большинства марок стали не может не сказаться на скорости плавления. В разделе 3.3 мы приводили значения выхода по току (отношение скорости плавления к току) для низко- и среднеуглеродистой стали, содержащей 1…1,5 % марганца. Этот параметр составлял для самых разных кристаллизаторов от 0,55 до 0,58 кг/(мин*кА). При переплаве сплавов на никелевой основе выход по току существенно выше: около 0,7 кг/(мин*кА). Промежуточное положение занимают марки стали с относительно низким содержанием марганца (0,5…0,8 % и менее): скорость плавления этих марок примерно на 10% выше по сравнению с марганцовистыми. И если различие между сталью и никелевыми сплавами объяснить несложно: достаточно взглянуть на температуры плавления, — то действие повышенного марганца требует пояснения. На температуру плавления железа марганец при рассматриваемых небольших концентрациях влияет мало, и единственной заметной особенностью этого элемента является его повышенная летучесть: в процессе ВДП содержание марганца уменьшается в результате испарения на 30…40 %. В межэлектродном промежутке во время переплава Mn-содержащей стали всегда имеется избыток атомов этого элемента. Повышенное количество легкоионизируемого металлического пара уменьшает сопротивление столба дуги (об этом свидетельствуют приведённые в «Беседе второй» данные о токовом коэффициенте удельного электросопротивления столба дуги: для марганецсодержащих сталей этот коэффициент минимален). Однако уменьшением сопротивления дуги снижение скорости плавления не объяснить. Причину всё же следует искать в изменении баланса тепла на катоде, т.е. на торце плавящегося электрода. Здесь стоит принять во внимание два обстоятельства: • повышенное испарение материала катода (его компонента – марганца) требует дополнительной затраты энергии, и это уменьшает количество тепла, которое тратится на собственно процесс плавления; • пониженная температура кипения марганца уменьшает количество энергии, затрачиваемой на «жизнеобеспечение» (вскипание и разбрызгивание металла, образование кратеров) катодных пятен, а именно эта энергия и нагревает, и плавит электрод. Нам остается проверить, какая из этих гипотез более вероятна. 1. Теплота испарения марганца составляет 226 кДж/моль. Это означает, что на испарение 1 кг этого компонента тратится 226*103:55 = 4100 кДж или 1,14 кВт*ч. Если принять во внимание, что из стали. легированной 1,5 % марганца, при переплаве испаряется ~0,5 % этого элемента, то на одну тонну массы электрода приходится 50 кг потерь. На испарение такого количества марганца требуется 57 кВт*ч энергии.