РАЗЛИВКА МЕТАЛЛА В ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ (статья)
Главной целью данной работы было получение слитков без подкорковых дефектов, снижение потерь металла в стружку и повышение выхода годной стали, содержащей высокоактивные элементы.
Описание установки. Схема установки для разливки стали приведена на рис. 1; она состоит из колпака объемом около 2 м3, устанавливающегося на опорный поддон 2. Откачка воздуха из камеры производится вакуумным насосом ВН-4 (на схеме слева). Для разливки ковш с металлом устанавливается на крышку колпака; в крышке против стакана ковша имеется отверстие 3, которое на период откачки из камеры воздуха закрывается алюминиевым листом (толщина листа 0,8 мм). Уплотнения между съемными и разборными частями установки осуществляются вакуумной резиной. При открытии стопора струя металла проплавляет алюминиевый лист и поступает в камеру. Для наблюдения за разливкой в камере имеются два смотровых окна. Продолжительность откачки камеры до остаточного давления 1 мм рт. ст. составляет 5 мин. Предельный вакуум в холодном состоянии 0,3— 0,5 мм рт. ст. Натекание в холодном состоянии 15 л -мм/мин.
Выплавка опытных плавок проводилась в индукционной печи (500 кг) по принятой на заводе технологии.
Разливка под вакуумом. При разливке под вакуумом из камеры откачивался воздух до давления 1—0,5 мм рт. ст. Под таким давлением камера выдерживалась в течение 5—40 мин., в зависимости от подготовленности плавки к выпуску. При разливке металла под вакуумом без откачки газов в период разливки давление в камере поднималось с 0,5 до 50—80 мм рт. ст. При откачке газов в период разливки давление в камере повышалось на 5—10 мм рт. ст. В обоих случаях при выходе струи металла из ковша наблюдалось интенсивное его разбрызгивание. При диаметре стакана 40 мм и расстоянии от дна ковша до алюминиевой прокладки 45 мм диаметр струи увеличивался до 150— 160 мм (при работающих насосах). Из металла, заполнявшего воронку, происходило заметное выделение газа — металл кипел. Истечение металла из воронки происходило достаточно компактной струей, независимо от величины разрежения.
Наблюдать за зеркалом поднимающегося в изложнице металла при данной конструкции камеры не представлялось возможным, однако при подходе металла к надставке были заметны всплески, свидетельствовавшие о неспокойном поведении его в изложнице.
Опыт работы показал, что регулирование скорости разливки под вакуумом при продолжительности разливки менее одной минуты представляет значительную трудность. На большинстве плавок время наполнения изложницы, включая надставку, колебалось от 35 до 45 сек.
Разливка в атмосфере инертного газа. Для разливки в атмосфере инертного газа из камеры откачивался воздух до предельного остаточного давления 1—0,5 мм рт. ст. и за 1—3 мин. до разливки в камеру вводился инертный газ. Наполнение камеры инертным газом производилось до давления, несколько превышающего атмосферное. Избыточное количество газа выводилось через- отверстие, пробиваемое в алюминиевом листе, перед установкой ковша на камеру. После установки ковша открывали патрубок, соединяющий камеру с атмосферой.
Результаты исследования
Качество поверхности слитков. Поверхность слитков, отлитых на воздухе, поражена глубокими заворотами, пленами и рябизной. Слитки, отлитые в атмосфере инертного газа, имели поверхность без глубоких дефектов; характерным поверхностным дефектом для них является наличие неглубоких подкорковых пузырей. Качество поверхности слитков, отлитых под вакуумом, занимает промежуточное положение между качеством поверхностей слитков, отлитых на воздухе
Для контроля глубины залегания поверхностных дефектов обдирка всех слитков, независимо от варианта разливки, проводилась до полного удаления поверхностных дефектов. Наименьшие потери в стружку получены при обдирке металла, отлитого в атмосфере инертного газа, а наибольшие — при разливке на воздухе. В зависимости от марки стали эти потери колебались в пределах 11,4—13,9% при разливке на воздухе. 11,3—12,6% при разливке под вакуумом и 9,8—10% при разливке в атмосфере инертного газа.
Макроструктура. Литая макроструктура металла контролировалась на поперечных темплетах, вырезанных из-под прибыльной части слитков (рис. 3). Слитки, отлитые в атмосфере аргона, характеризуются плотной структурой, подкорковая пористость отсутствует. Макроструктура слитков, отлитых под вакуумом, также плотная, но по краям диска имеются отдельные скопления дефектов (пористость), залегающих в теле слитка на глубине до 25 мм. Диски слитков, отлитых на воздухе, имеют сплошную подкорковую пористость, залегающую на глубине до 23 мм. При контроле макроструктуры кованых заготовок выявлено, что металл части плавок, отлитый под вакуумом и на воздухе, поражен подкорковой пористостью, не удаленной при черновой обдирке слитков. В заготовках из металла, отлитого в атмосфере инертного газа, подкорковой пористости нет.
Неметаллические включения и содержание газов. По количеству и составу неметаллических включений, выделенных методом электролитического растворения из металла, отлитого по всем вариантам, нельзя создать определенного представления относительно преимуществ того или иного способа разливки. Общее содержание газов (а также отдельные составляющие), определенное методом вакуумной плавки, колеблется в одинаковых пределах независимо от способа разливки.
Механические свойства. Также практически одинаковыми оказались механические свойства металла, отлитого по всем трем вариантам. Уровень длительной жаропрочности на плавках, отлитых в атмосфере инертного газа (81,5 час), выше, чем на плавках, отлитых на воздухе (53,5 час.) и под вакуумом (74 часа).
Металл, отлитый в атмосфере инертного газа, имел наименьшую отбраковку по расслоению при 100%-ном контроле сырого излома в сорте. Наибольшую отбраковку имел металл, отлитый под вакуумом.
Выводы
Разливка сплавов, содержащих титан, цирконий и алюминий, в вакуумной камере показала следующее:
Подкорковая пористость на слитках, отлитых в атмосфере инертного газа, отсутствует. Разливка металла под вакуумом (с начальным остаточным давлением 15 мм рт. ст. и давлением в период разливки
5—20 мм рт. ст.) уменьшает количество подкорковой пористости, по сравнению с металлом, отлитым на воздухе, но полностью ее не устраняет. Глубина залегания подкорковой пористости при данном способе разливки одинакова с металлом, отлитым на воздухе, и составляет 10—25 мм на сторону.
5—20 мм рт. ст.) уменьшает количество подкорковой пористости, по сравнению с металлом, отлитым на воздухе, но полностью ее не устраняет. Глубина залегания подкорковой пористости при данном способе разливки одинакова с металлом, отлитым на воздухе, и составляет 10—25 мм на сторону.
Потери металла в стружку при обдирке слитков в зависимости от марки стали составили 9,8—10% при разливке в атмосфере инертного газа, 11,3—12,6% при разливке под вакуумом и 11,4—13,9% при разливке на воздухе.
Механические свойства металла плавок, отлитых по всем трем вариантам, практически одинаковые. Уровень длительной жаропрочности металла, отлитого в атмосфере инертного газа, выше чем отлитого под вакуумом и на воздухе. Сквозной выход годного в зависимости от метода разливки и марки стали составил 43,7—53,2% при разливке на воздухе, 45,4—55,2% при разливке под вакуумом и 45,4—59,0% при разливке в атмосфере инертного газа.
Таким образом, наиболее эффективным способом разливки стали и сплавов, легированных титаном и другими легкоокисляющимися элементами, как в отношении качества металла, так и конструктивного исполнения является разливка в вакуумной камере, заполненной инертным газом.
Следует рекомендовать внедрение данного метода разливки в повседневную практику сталеплавильных цехов для разливки сталей, легированных высокоактивными элементами.