Металла в переплавных печах специальной электрометаллургии

Развитие новых отраслей техни­ки резко повысило требования к конструкционным материалам. Они должны обеспечивать надеж­ную и долговечную работу деталей и агрегатов в самых разнообразных условиях: от температур, близких к абсолютному нулю, до темпера­тур в несколько тысяч градусов; в агрессивных средах; при высоких давлениях; при значительных удар­ных, статических и вибрационных нагрузках и т. д. К таким матери­алам относятся тугоплавкие и высокореакционные металлы (титан, молибден, вольфрам, ниобий и др.) и их сплавы, а также специальные сложнолегированные стали и спла­вы (шарикоподшипниковые, жаро­прочные, нержавеющие и др.). Мас­совое производство таких металлов и сплавов оказалось возможным только при появлении и развитии новой области металлургии – спец­электрометаллургии, основанной на применении электропечей для пере­плава. Такие агрегаты позволили не только обеспечить получение требуемых материалов, но и, что самое главное, гарантировать их высокое качество за счет резкого повышения чистоты и устранения дефектов структуры слитков.

Рассмотрим принципы улучшения ка­чества металла на примере сталеплавиль­ного производства. Под качеством металла понимается степень его загрязненности га­зами и примесями (сера, фосфор, неметал­лические включения и т. д.), а также сте­пень химической и физической однород­ности.

Сложнолегированные стали и сплавы обычно получают в электросталеплавиль­ных печах (дуговых и индукционных). Это связано с тем, что в конверторах и мартеновских печах практически невозможно по­лучить сталь с низким содержанием вред­ных примесей. Кроме того, сравнительно низкая температура процесса не позволяет легировать сталь тугоплавкими элементами (молибденом, вольфрамом и т. п.).

Характерной чертой обычных методов электросталеплавильного производства яв­ляется двухстадийность получения слитка, из которого путем прокатки, ковки, штам­повки и механической обработки получают требуемое изделие.

Первая стадия – полу­чение жидкого металла требуемого хими­ческого состава, вторая – разливка метал­ла в изложницу, где он, застывая, образует слиток. Как при выплавке, так и при раз­ливке стали происходит ее загрязнение. Так, при выплавке стали жидкий металл, контактируя с огнеупорной футеровкой, ат­мосферой и материалом электродов, по­глощает газы и загрязняется неметалличе­скими включениями (оксидами, сульфидами, нитридами и др.). Кроме того, вредные при­меси (сера, фосфор и др.) вносятся в ван­ну вместе с шихтой. Современные техноло­гические операции сталеварения позволяют осуществить рафинирование металла и до­биться к выпуску из печи стали достаточно высокой чистоты. Однако в процессе раз­ливки за счет реагирования с воздухом, футеровкой ковша и сифонной проводки металл вторично и теперь уже необратимо загрязняется. В связи с этим получение сверхчистых стальных слитков в обычных электропечах принципиально невозможно.

Затвердевание больших объемов метал­ла в обычных изложницах вызывает появ­ление в слитках дефектов усадочного и ликвационного характера – неравномерной структуры слитка по его объему, образова­ния пористой центральной области и зна­чительной усадочной раковины, неравно­мерного распределения химических элемен­тов и различного рода примесей и включе­ний. Этим объясняются сравнительно низ­кие и нестабильные прочностные характери­стики стали, высокая анизотропия ее свойств, невысокий выход годного металла из-за значительной (15–20 %) обрези слит­ка, необходимость высокой степени дефор­мации при дальнейших металлургических переделах.

На протяжении многих лет металлурги вели работы по улучшению качества метал­ла. Для повышения чистоты сталей и спла­вов используют вакуумирование металла и его внепечную обработку шлаками. Ва­куумирование стали позволяет снизить ее загрязненность за счет предохранения жид­кого металла от контакта с воздухом и его усиленной дегазации. При внепечной обра­ботке металла шлаком жидкую сталь с большой высоты сливают в ковш с расплав­ленным шлаком, обладающим высокой ра­финировочной способностью. Струя металла дробится и эмульгирует в шлаке, что резко повышает поверхность контакта шлака с металлом и степень очистки последнего от включений и примесей.

Необходимо отметить, что применение этих способов не позволяет улучшить струк­туру слитка. Наоборот, вакуумирование стали вызывает увеличение осевой сегрега­ции и пористости слитков в связи с интен­сивным выделением при этом газов.

Для улучшения структуры используют­ся различные способы обогрева и подпитки головной части слитка. При обогреве удает­ся затормозить затвердевание верхней ча­сти слитка, обеспечить перемещение усадоч­ной раковины в район надставки и умень­шить пористость. Для обогрева применяют различные виды нагрева – дуговой, индук­ционный, электрошлаковый, пламенный и обогрев экзотермическими смесями. Под­питка позволяет заплавлять усадочную раковину металлом плавящегося в шлаке небольшого по массе электрода. Повышая плотность головной части слитка, эти мето­ды не в состоянии улучшить строение слит­ка в целом.

Кардинальное улучшение каче­ства металла может быть достигну­то только в агрегатах спецэлектро­металлургии, основой которых яв­ляется применение процесса пере­плава расходуемых электродов, металл которых выплавлен в обыч­ных сталеплавильных агрегатах, в водоохлаждаемые изложницы (кристаллизаторы). Таким образом, печи спецэлектрометаллургии ис­пользуют в основном не для вы­плавки легированных сталей и спла­вов, а для коренного улучшения качества металла заданного хими­ческого состава, выплавленного в других печах. В некоторых случа­ях применяется введение в пере­плавляемый металл небольшого количества легирующих, раскисляющих и модифицирующих добавок.

Основными элементами любой переплавной установки являются (рис. 2.1): - расходуемая заготовка, выпол­няемая из металла заданного хими­ческого состава, которая расплав­ляется под воздействием источника нагрева; - водоохлаждаемая изложни­ца - кристаллизатор с поддоном, в которой собирается расплавляе­мый металл и формируется слиток; - рафинирующая среда, которая обеспечивает очищение жидкого металла на электроде и поверхно­сти жидкого металла слитка. По виду источника нагрева ме­тоды спецэлектрометаллургии (иногда их на -

Рис. 2.1. Схема переплавной установки спецэлектрометаллургии

зывают «рафинирую­щими переплавами») разделяются на вакуумно-дуговой (ис­точник нагрева – дуга), электрошлаковый (жидкий нагреватель в виде слоя расплавленного (шла­ка), плазменно-дуговой (струя плазмы, созданная дуговым плазмотроном) и электронно-лучевой (сфо­кусированный пучок электронов) переплавы.

В качестве рафинирую­щей среды используются вакуум, расплавленный шлак, инертная, окислительная или восстановитель­ная газовые среды.

Переплавные установки позволя­ют значительно повысить качество металла, что определяется действи­ем следующих факторов:

- отсутствие контакта жидкого металла с футеровкой и воздухом позволяет исключить загрязнение металла во время переплава;

- пленочный характер плавления и капельный перенос способствуют интенсивному взаимодействию жид­кого металла с рафинирующей средой и очистке металла от газов, примесей и неметаллических вклю­чений;

- одновременно и медленно проте­кающие процессы плавления метал­ла и его затвердевания в водоохлаждаемом кристаллизаторе соз­дают условия для существования жидкой ванны металла слитка не­большого объема, что определяет возможность получения мелкозер­нистой структуры, всплывания включений и отсутствие дефектов усадочного и ликвационного харак­тера;

- широкая регулировочная способ­ность по тепловому режиму позво­ляет обеспечить заданную форму жидкой металлической ванны (а следовательно, и фронта кристал­лизации), что дает возможность получать неизменный по высоте слитка характер структуры, опти­мальный по необходимым свойст­вам металла с учетом дальнейшего передела слитков.

Переплавные печи разделяются на установки с зависимым и неза­висимым нагревом. В первом слу­чае преобразование электрической энергии в тепловую происходит с участием расходуемой заготовки, которая является основным токонесущим элементом и называется электродом. При этом процессы плавления металла заготовки – электрода и нагрева ванны жидкого металла слитка жестко связаны между собой, что в определенной степени ограничивает технологиче­ские возможности печей. К таким установкам относятся печи электро­шлакового переплава (ЭШП) и ва­куумные дуговые печи (ВДП). В электронно-лучевых печах (ЭЛП) и плазменно-дуговых печах (ПДП) за счет наличия независимого пре­образователя энергии – электрон­ной пушки или плазмотрона имеет­ся возможность раздельного регу­лирования тепловых режимов заго­товки (которая представляет собой конструктивный элемент и называ­ется часто электродом по аналогии с ЭШП и ВДП) и поверхности ван­ны слитка. При этом удается до­биться значительного перегрева ме­талла в ванне при низких скоро­стях наплавления слитка, что увеличивает рафинирующую спо­собность печи.

Слитки, полученные в печах спецэлектрометаллургии, характе­ризуются низким содержанием при­месей и неметаллических включе­ний (в 2 – 5 раз ниже по сравнению с обычной электросталью) и их равномерным распределением. По­вышение плотности металла и од­нородности структуры приводит к улучшению свойств (прочности, пластичности, жаропрочности, полируемости и т. д.) и снижению их анизотропии (с 1,8 – 2,1 до 1,1 – 1,3).

Значительное улучшение качест­ва металла в переплавных печах определяет повышение технических характеристик деталей и узлов из­делий [11]. Так, применение ЭШП для получения шарикоподшипнико­вой стали ШХ15 приводит к увели­чению долговечности подшипников в 2 – 2,25, переплав в ВДП - в 2 – 2,5, в ЭШП + ВДП – в 3, в ПДП – в 3,3 раза. Это позволяет значи­тельно увеличить гарантированный ресурс изделий. Инструментальные стали, полученные методом ЭШП и в ЭЛП, повышают стойкость ин­струмента в 1,3 – 2 раза. Стойкость валков для холодной прокатки пос­ле переплава стали в ВДП в 2 – 3 раза выше, чем из обычного метал­ла. При использовании ЭЛП для получения магнитно-мягких спла­вов удается в 1,5 – 2,0 раза повысить магнитную проницаемость и сни­зить коэрцитивную силу, увеличить прямоугольность петли гистерезиса. В результате появляется возмож­ность снижения габаритов и массы изделий на 20 – 30 %, уменьшения активных потерь.

Улучшение свойств переплавлен­ных металлов является причиной вы­сокой технико-экономической эф­фективности применения методов спецэлектрометаллургии в промыш­ленности. Вакуумно-дуговой и элек­тронно-лучевой переплавы являют­ся единственными промышленными методами получения тугоплавких и высокореакционных металлов (ти­тана, вольфрама, молибдена, цир­кония и др.) и их сплавов. Сорта­мент сталей и сплавов, получаемых в печах ЭШП, в ВДП, ЭЛП и ПДП, непрерывно растет и расши­ряется. Так, в 1972 г. в ВДП полу­чали 90, а в печах ЭШП - 152 мар­ки сталей и сплавов. Наибольшую долю занимают высокопрочные конструкционные, шарикоподшип­никовые, теплоустойчивые, жаро­прочные, нержавеющие, инструмен­тальные и другие стали и спла­вы, использование которых дает значительный народнохозяйствен­ный эффект. В нашей стране работают спе­циализированные цехи и участки, в которых установлено значитель­ное количество переплавных печей различного типа.

Дата добавления: 2015-08-20