§ 1. Выплавка стали в вакуумных печах

Основные закономерности при плавке в вакууме

При понижении давления атмосферы над металлом газы, растворенные в металле, выделяются из него, со­гласно закону Сивертса. Также происходит выделение из жидкого металла в газовую атмосферу примесей цветных металлов, которые обладают высокой упруго­стью пара. В результате плавки в вакууме, как правило, содержание олова, сурьмы, свинца и др. цветных метал­лов заметно снижается.

После плавки в вакууме происходит снижение содер­жания кислорода как растворенного в металле, так и на­ходящегося в виде неметаллических оксидных включе­ний. Это возможно благодаря протеканию реакции вза­имодействия кислорода с углеродом: [С]+[0]=С0; [С]+ (MeO) =CO + Me. Поскольку парциальное давле­ние СО в атмосфере вакуумной установки низкое, то равновесие указанных реакций значительно сдвигается в правую сторону, т. е. в сторону образования СО, что свидетельствует об удалении кислорода из металла. Эти же реакции могут быть использованы и для удаления углерода, если ставится задача получения низкоуглеро­дистых сталей и сплавов.

Благодаря повышению степени чистоты металла воз­растают его свойства. Так, у конструкционных сталей повышается пластичность, у высокопрочных — предел прочности, у коррозионностойких — пластичность и со­противление коррозии. Электротехнические стали и спла­вы, выплавленные в вакууме, имеют меньшие электри­ческие потери благодаря уменьшению электрического сопротивления и повышению магнитных свойств, чем ста­ли, полученные обычной плавкой; у жаропрочных спла­вов повышается предел рабочих температур, при кото­рых эти сплавы могут быть использованы в двигателях. Это значительно повышает возможности двигателей — длительность работы, экономичность, мощность и т. д.; штампы из вакуумной стали позволяют изготовлять большее число штамповок, причем поверхность изделий значительно улучшается.

Выплавка сплавов и чистых металлов в вакууме по­зволила решить сложные задачи электронной и полупро­водниковой техники. Ранее казавшиеся завышенными требования по чистоте металла по примесям в пределах нескольких десятитысячных долей процента теперь ока­зались достижимыми в результате развития техники зонной очистки в вакууме, выплавки металлов в элек­троннолучевых печах.

Вакуумная индукционная плавка

Вакуумная индукционная печь представляет собой высокочастотную печь, помещенную в герметичный кор­пус, из которого при помощи вакуумных насосов отка­чиваются газы. Вместимость вакуумных печей изменя­ется от нескольких килограммов до 30 т. Эти печи обла­дают рядом преимуществ перед другими вакуумными плавильными установками.

Во-первых, металл можно длительное время выдер­живать при пониженном давлении. Благодаря этому сталь подвергается глубокой дегазации, раскислению и очищению от неметаллических включений и примесей цветных металлов. Во-вторых, в вакуумных индукцион­ных печах можно выплавлять любые, сложные по хи­мическому составу сплавы из самых различных шихто­вых материалов. В-третьих, эти печи пригодны как для

Отливки крупных слитков массой в несколько тонн; так ; и для литья мелких фасонных изделий, в том числе спо­собом центробежной отливки, по выплавляемым моде­лям и т. д. Недостатком этих печей является возмож – ; ность загрязнения жидкого металла вследствие контак­та с огнеупорной футеровкой тигля, что может снижать

Эффективность рафи­нирования металла.

На рис. 86 приве – i дена схема вакуумной индукционной печи (до ; 30 т). В водоохлажда – ‘ емом корпусе, закры­ваемом герметичной крышкой, расположен высокочастотный ин­дуктор с огнеупорным тиглем: загрузка ме – | талла производится без j открывания печи; до – I бавки мелких порций 1 ,осуществляются с по – j мощью дозатора — че – j рез погрузочный со – j

Рис. 86. Вакуумная индукцион­ная 20-т печь:

1 — механизм загрузки; 2 — кор­пус; 3 — печь; 4 — изложница; S — камера изложниц

Вок. Разливка металла в изложницу или в литей­ную форму производится наклоном цечи. Печь оборудо­вана устройствами для отбора проб и измерения темпе – i ратуры. Имеются окна для наблюдения за процессом ] плавки. 1

В крупных производственных установках вместимо­стью несколько тонн плавку ведут полунепрерывным процессом. Схема такой печи представлена на рис. 87. 1 В этих установках имеются шлюзовые устройства с ва – j куумными затворами, которые отделяют плавильную ка – j меру, в которой находится печь, от камеры изложниц и 1 шихты. В камере изложниц ставятся на тележки излож­ницы для отливки слитков. Камера закрывается снару­жи и из нее откачивается воздух. Когда в камерах из­ложниц и печи давление уравняется, то открывают соединяющий их между собой затвор и изложницы элек­тромеханическим приводом подают в печь для наполне­ния жидким металлом. После заливки слитков излож-

Рнс. 87. Схема вакуумной индукцион­ной печи полунепрерывного действия:

1 — подвеска загрузочной корзины; 2 — загрузочная корзина; 3— шиберный затвор; 4 — печь; 5 — пульт управле­ния; 6 — изложницы; 7 —тележка; 8— вакуумные насосы

Ницы вывозят из камеры печи в камеру изложниц. Сое­динительный затвор закрывают и в камеру изложниц напускают воздух. Открывают ее и убирают полные из­ложницы, ставят взамен пустые, затем цикл повторяет­ся сначала. Все это время камера печи остается под низ­ким давлением. Также работает и камера загрузки. В ней на тросе подвешивается бадья с порцией шихты. Затем камеру закрывают, откачивают и открывают ши­бер, отделяющий эту камеру от печной. Затем опускают бадью в тигель печи и загружают в печь. Пустую бадью поднимают, закрывают затвор и напускают в камеру загрузки воздух. Вместо пустой бадьи ставят бадью с шихтой. Печь работает без открывания плавильной ка­меры до тех пор, пока позволяет стойкость огнеупорной футеровки. Это составляет в среднем 20—40 плавок. Для смены тигля печь открывают и отсоединяют индуктор с тиглем от токо – и водоподводов. Вместо старого тигля устанавливают новый индуктор со свеженабитым или выложенным из кирпича тиглем. После закрывания ка­меры и откачки воздуха печь снова готова к работе. По­лунепрерывные печи имеют более высокую производи­тельность, чем печи, работающие периодически.

Вакуумные дуговые печи

Для получения крупных слитков до 60 т конструкци­онных, нержавеющих, высокопрочных и других сталей применяют вакуумные дуговые печи. В этих печах на – плавление слитка в вакууме в медный водоохлаждаемый

¦фСЗ— 1

Кристаллизатор производится при помощи электрической ду – гщ. Вакуумные дуговые печи имеют следующие преимущест­ва: кристаллическая структура слитка получается более рав­номерной; исключается нерав­номерность распределения эле­ментов (сегрегация), отсутст­вует усадочная раковина и

Рнс. 88. Схема вакуумной дуговой пе – чн:

1 — механизм подачи электрода; 2 — электрододержатель; 3 — вакуумное уплотнение; 4 — электрод; 5 — вакуум­ная камера; 6 — шнны токоподвода; 7 — кристаллизатор; 8 — дуга; 9 — на­правляемый слнток; 10 — кабели токо­подвода

Другие дефекты, которые присущи слиткам, от­литым в обычные чугунные изложницы. Так как тигель медный, то благодаря отсутствию контак­та с огнеупорными материалами не происходит за­грязнения металла примесями и можно получать металл высокой степени чистоты. Недостатки этого метода: в дуговых вакуумных печах переплавляют готовую заго­товку заданного состава; легирование по ходу плавки невозможно. Основную группу вакуумных дуговых пе­чей представляют печи с расходуемым электродом. Схе­ма такой печи представлена на рис. 88.

Печь состоит из герметичной камеры, к которой при­креплен медный кристаллизатор. Он представляет собой трубу диаметром от 150 до 1000 мм и более. Снаружи к трубе приварена рубашка водяного охлаждения, в ко­торой под давлением циркулирует вода. Камера печи имеет патрубок для подсоединения к мощным вакуум­ным насосам. В верхней части камеры имеется сальни­ковое уплотнение, через которое в печь проходит сталь­ная, полированная водоохлаждаемая штанга — электро­додержатель. К концу штанги с помощью специального зажима крепится переплавляемая заготовка — электрод. Электрод может быть круглого или квадратного сече­ния. Отрицательный полюс от источника постоянного тока при помощи гибких кабелей подводится к электродо- держателю, а положительный полюс—к кристаллиза­тору при помощи медных шин. Перемещение электродо – держателя вместе с электродом осуществляется элек­тромеханическим приводом с гибкой подвеской на системе тросов. Привод имеет автоматические регуляторы, которые управляют подачей электрода. При включении тока между концом электрода и дном кристаллизатора, на которое укладывается шайба-затравка, чтобы не по­вредить поддон, зажигается электрическая дуга. Под действием электрической дуги электрод расплавляется. Капли жидкого металла стекают в кристаллизатор и об­разуют в нем небольшую ванну. По мере расплавления электрода в кристаллизаторе образуется слиток. Металл затвердевает с высокой скоростью благодаря контакту с водоохлаждаемыми стенками кристаллизатора. Вслед­ствие высокой теплопроводности меди и интенсивного ее охлаждения водой поверхностный слой кристаллизатора, контактирующий с жидким металлом, не успевает на­греться до температуры плавления. Благодаря быстрой и направленной кристаллизации слиток вакуумного ду­гового переплава имеет более благоприятное строение, чем обычный слиток. Поскольку плавку ведут в вакууме (~10-2 Па) и при относительно высокой температуре, то происходит удаление из металла газов, примесей цветных и неметаллических включений.

Для получения металла особо высокой чистоты про­водят двойной переплав стали в вакуумной дуговой печи или слитки сначала выплавляют в вакуумной индукци­онной печи, а затем переплавляют в вакуумной дуго­вой.

Вторую группу вакуумных дуговых печей составляют печи с нерасходуемым электродом. В этих печах элект­род изготовляется из вольфрама, он не плавится при процессе. Шихта подается в зону плавления под элект­род. Между постоянным электродом и шихтой горит ду­га, металл плавится в медном водоохлаждаемом крис­таллизаторе. На стенках кристаллизатора, имеющем форму чаши, образуется толстый слой нерасплавляемо – го металла — гарнисаж, который и образует стенки тиг­ля, а в нем наплавляется жидкая ванна. По окончании плавки тигель наклоняют и металл разливают в форму или изложницу, установленную рядом с тиглем. Таким образом производят фасонные отливки из тугоплавких жаропрочных сплавов.

Электроннолучевые печи

Для выплавки особо чистых металлов, стали и спла­вов, для получения тугоплавких металлов высокой сте­пени чистоты — молибдена, вольфрама — применяют

Электроннолучевые пе­чи. Принцип нагрева Металла в этих уста­новках заключается в бомбардировке нагре­ваемого объекта элек­тронным пучком высо­кой энергии. Наплавле – ние металла произво­дится в водоохлаждае – мый! медный кристал­лизатор. Плавку ведут в глубоком вакууме.

Рис. 89. Электроннолучевая печь с осе­вой пушкой:

/ — электронная пушка; 2 —пучок электронов; 3 — переплавляемая заго­товка; 4 — ванна жидкого металла; 5 — кристаллизатор; 6 — слнток

Преимуществами, этих печей являются высокая степень рафи­нирования благодаря высокой температуре, глубокому вакууму, от­сутствию огнеупорной футеровки; возмож­ность переплавлять ак­тивные металлы и ту­гоплавкие (вольфрам, ниобий). К недостат­кам печей относят­ся: повышенный расход электроэнергии, сложность и дороговизна установок. Принцип работы установки с осевой электроннолучевой пушкой показан на рис. 89: катод — К нагревается от вспомогательного электрода /C2 электронной бомбардировкой. Вспомогательный катод разогревается пропусканием по нему тока. Между основ­ным и вспомогательным электродом прикладывается не­большая разность потенциалов для разгона электронов. Вокруг катода помещается фокусирующий электрод, ко­торый имеет слабый отрицательный заряд. Его назначе­нием является фокусирование электронного потока в от­верстие анода, предотвращение отклонения электронов от заданного направления.

Анод выполняют в виде диаграммы с отверстием, причем анод заземлен, а катод изолирован. Между ка­тодом и анодом прилагается основное разгоняющее на­пряжение до 30 кВ. Ниже анода располагается трубка лучепровода, вокруг которой расположена фокусирую­щая система, собирающая пучок электронов в узкий луч и фокусирующая его на нагревательном объекте. Далее следует отклоняющая система, направляющая луч в лю­бое место заготовки или разворачивающая луч по опре­деленной траектории, например по кругу, спирали Ар­химеда и т. п. Отклоняющая и фокусирующая системы представляют собой электромагнитные катушки, созда­ющие управляемое магнитное поле. Взаимодействие маг­нитного поля с электронным пучком оказывает нужное воздействие на пучок. Для нагрева и проплавления ших­ты равномерно распределяют энергию пучка по нагре­ваемому концу заготовки или по шихте, загруженной в тигель.

Электронная плавильная установка состоит из каме­ры, внутри которой расположен либо медный водохлаж – даемый кристаллизатор с устройством для вытягивания слитка, либо медная водоохлаждаемая чаша — тигель для плавки в гарнисаже. Разливка осуществляется на – клоном’чаши. Плавку ведут при давлении IO-2—Ю-3 Па. Заготовку круглого или квадратного сечения подают в печь сверху при оси кристаллизатора, либо сбоку гори­зонтально. На рис. 90 представлена схема крупнейшей в мире печи ЕМО-1200, сконструированной и построен­ной в ГДР, с пушкой мощностью до 1700 кВт, в которой можно выплавлять слитки массой до 11 т. Камера печи имеет два боковых шлюза, через которые производится подача заготовки массой до 1 т. Электронный пучок име­ет программированное синусоидальное отклонение по по­верхности жидкой ванны. Расход электроэнергии в этой установке 900 кВт-ч/т, а годовая производительность печи до 4000 т.

Разновидностью электроннолучевых установок явля­ются установки с кольцевым катодом (рис. 91). Воль­фрамовый кольцевой катод располагается в непосред­ственной близости от переплавляемой заготовки. Катод разогревается током от накального трансформатора до 2000—2500 0C. Фокусирующий электрод-экран направля­ет поток электронов на заготовку и на ванну металла в

Рис. 90. Схема электроннолучевой печи EMO-1200:

/ — рабочая плита; 2 — шибера; 3 — заготовка; 4 — электронная пушка; 5 — вакуумная камера; 6 — кристаллизатор; 7 —механизм вытягивания слитка; 8 — слнток

Кристаллизаторе. Между катодом и заготовкой прикла­дывается разгоняющее напряжение. Эти установки удоб­ны для выплавки больших слитков, однако вследствие близкого расположения катода к расплавленному метал­лу на нем осаждаются капли металла и брызги, что при­водит к преждевременному выходу катода из строя.

Электроннолучевая плавка с успехом применяется для получения слитков стали и тугоплавких металлов высокой степени чистоты. При переплаве вольфрама, ни­обия, тантала, молибдена получают содержание углеро­да, азота, кислорода, менее тысячной доли процента. Благодаря повышению степени чистоты повышается пластичность тугоплавких металлов. Переплав гафния и циркония позволяет значительно уменьшить содержание углерода, водорода, азота, повысить антикоррозионные свойства этих металлов, значительно уменьшить содер­жание таких примесей, как медь, никель, железо. Элек­троннолучевой переплав может быть использован для получения слитков специальных сталей, предназначенных для изготовления особоважных и точных приборов и де­талей, работающих в тяжелых условиях. При переплаве стали происходит значитель – /

Ное очищение ее от свинца, у

Висмута, олова, сурьмы и дру – *

Гих примесей цветных метал­лов, значительно уменьшается содержание неметаллических включений.