Технология плавки в вакуумной индукционной печи

Преимущества вакуумной плавки наиболее полно проявляются при бесшлаковом процессе. Поэтому процесс ВИП обычно ведется без шлака и отличается сравнительной простотой: получение металла требуемого состава достигается либо переплавом соответствующих отходов, либо сплавлением чистых материалов. Полный цикл плавки в ВИП можно разбить на несколько периодов [1]:

1. Загрузка твердой основной шихты или заливка жидкого металла.

2. Откачка воздуха из корпуса печи до рабочего давления, если печь периодического действия, или при проведении первой плавки после открывания печи в установке полунепрерывного действия.

3. Расплавление основной шихты и присадка дополнительных порций шихты, не вошедших в тигель при первой завалке.

4. Рафинирование жидкого металла.

5. Легирование металла и его окончательное раскисление.

6. Разливка.

1. Загрузка печи.

В настоящее время печи ВИП могут работать как на твердом, так и на жидком полупродукте. Наилучшей твердой шихтой являются: крупногабаритные заготовки или отходы прокат­ного производства, специальные поковки, мелкогабаритная шихта.

Перед загрузкой шихта подвергается дробеструйной очистке во вращающихся барабанах для удаления поверхностных загрязнений. Дополнительно вся шихта подвергается предварительной дегазации при температуре 800...900 °С и давлении 133,3…13,33 Па (1...0,1 мм рт. ст.) в течение 5...6 ч.

Прокаливают шихту в вакуумных электропечах сопротивления. К шихтовым материалам предъявляют особые требования и по хими­ческому составу. Поскольку в процессе плавки отсутствуют условия для заметного удаления фосфора и серы, тщательно анализируют их содержание в металле. ВИП позволяет рафинировать металл от при­месей цветных металлов, но удаление больших количеств этих при­месей требует много времени и резко увеличивает себестоимость металла.

В вакуумной печи трудно предотвратить появление мостов, неравномерного проплавления и других нежелательных явлений. Поэтому объем твердой шихты в вакуумной индукционной печи может превышать объем жидкого металла только в 1,25 раза. В супермощные печи крупную шихту краном загружают прямо в тигель, более мелкую — бадьями через дозатор. В печах емкостью до 7 т, полунепрерывного действия загрузка производится корзинами.

Большое значение имеет укладка шихты в загрузочные корзины. Здесь необходимо предусматривать защиту дна и стенок тигля от ударов массивными кусками при открывании дна корзины, предотвращение образования мостов и наиболее плотное расположение шихты, гарантирующее ее быстрое проплавление. Обычно загружают шихту двумя-тремя и большим числом корзин [2].

В настоящее время в крупных печах ВИП применяют жидкую за­ливку (печи фирм «Латроб стал» и «Циклон стил», США). В качест­ве полупродукта применяют полураскисленную сталь, выплавлен­ную в дуговой печи. Если тигель холодный, то его нагревают газовой горелкой до 700 °С. Заливку полупродукта производят с помощью специальной сливной трубы, установленной внутри печи. При работе на жидкой заливке длительность плавки понижается с 14 до 8 ч.

2. Расплавление.

После загрузки печи полунепрерывного действия включают ток и ведут расплавление на полной мощности. Печь пе­риодического действия после загрузки закрывают и откачивают воз­дух. Включать ток можно после снижения давления до нескольких миллиметров ртутного столба.

Во время нагрева шихты давление в печи снижается до требуемо­го значения. При переплаве отходов, содержащих углерод, следует опасаться бурного газовыделения из металла во время его расплав­ления. Для регулирования процесса кипения металла необходимо либо понижать мощность, либо напускать в печь аргон до давления 6,5...13,3 кПа (50...100 мм рт. ст.). После расплавления всей садки давление постепенно понижают. Скорость расплавления в крупных печах (27...60 т) составляет в пределах 2,7...3,15 т/ч; в 12-т печи фирмы «Гереус» - 2 т/ч.

В процессе нагрева шихты даже из твердого металла начинают выделяться газы. В период расплавления почти полностью удаляется водород, в связи с чем возможно вспенивание ванны. Металл подни­мается и остывает на холодных кусках шихты, на холодной футеров­ке и образует «мосты». Металл перестает оседать. Жидкий металл перегревается, возможно, в результате чего возможно разрушение футеровки.

Температура без перегрева ванны в зависимости от переплавляе­мого металла (для жаропрочного металла не более 1550 °С) влияет на стойкость футеровки; возможно восстанавление Al, Ti.

3. Рафинирование.

После расплавления жидкого металла проводят технологические операции, необходимые для удаления из металла растворенных газов, серы, примесей цветных металлов. Для дегаза­ции и рафинирования от летучих примесей достаточен перегрев на 50...100°С выше температуры ликвидуса. При более сильном пере­греве интенсивность испарения возрастает, но при этом значительно разрушается футеровка тигля.

Длительность выдержки определяется в первую очередь качеством шихты и составом выплавляемого сплава. Более длительная выдержка под вакуумом способствует удалению из металла водорода, азота и летучих компонентов. Вместе с тем взаимодействие металла с тиглем приводит к загрязнению сплава кислородом, экзогенными неметаллическими включениями, алюминием, кремнием, бором, восстанавливаемыми из футеровки.

Чем крупнее печь, тем дольше должен быть период рафинирова­ния. Этот период можно разделить на два подпериода:

а) период чистого кипения ванны;

б) период спокойной выдержки.

В подпериод чистого кипения ванны происходит обезуглерожи­вание ванны, раскисление за счет взаимодействия углерода с раство­ренным кислородом, дегазация расплава в соответствии с законом Сивертса, испарение вредных примесей из расплава.

Время кипения ванны зависит в основном от исходного содержа­ния кислорода и азота в металле и составляет 20...25 мин. Дальней­шая выдержка расплава в вакууме дает незначительное снижение содержания кислорода, углерода и азота в металле (рисунок 5) [1].

Рисунок 5 - Поведение азота при рафинировании металла в ВИП

Такое поведение азота связано с тем, что поверхность блокирует­ся поверхностно-активным элементом - кислородом и процесс дега­зации затухает. Это особенно проявляется при низком содержании азота в расплаве. При раскислении ванны сильным раскислителем, поверхность металла деблокируется и процесс деазотации возобнов­ляется (кривая 2 проходит ниже кривой 1).

Таким образом, процесс деазотации нераскисленного металла в период плавления и последующего вакуумирования не получает за­метного развития. После раскисления скорость процесса деазотации резко увеличивается, но и в этом случае требуется длительное время для дегазации ванны. Например, для снижения содержания азота в раскисленном алюминием железе от 0,018 до 0,005 % продолжитель­ность выдержки расплава массой около 10 т составляет 5... 10 ч. Стимулировать процесс дегазации можно ранним введением раскислителя в расплав. Практика показывает, что при введении раскисли- теля в завалку время выдержки сокращается до 1 ч. Оценим поведение кислорода при ВИП (рисунок 6) [1].

Рисунок 6 - Поведение кислорода при рафинировании металла в ВИП и в открытой индукционной печи

При плавке в вакуумной индукционной печи простая выдержка металла в печи благодаря раскислению углеродом приводит к пони­жению содержания кислорода с 0,011 до 0,008 %. После введения в расплав раскислителей содержание кислорода понизилось до 0,002 % и в дальнейшем оставалось почти неизменным на уровне, близком к равновесным значениям. Но такой эффект в ВИП наблюдается при использовании сильных раскислителей, например алюминия, когда после раскисления ванны углеродом присаживают металлический раскислитель и понижают содержание кислорода в ванне. При вве­дении кремния, марганца такого эффекта не наблюдается. Об этом свидетельствует и то, что включения Si0₂, МnО диссоциируют в ва­кууме, а Аl₂Оз не диссоциирует.

4. Раскисление металла (доводка металла по химическому соста­ву).

При выплавке безуглеродистого металла углерод присаживают в ванну в виде графита до плавки и по ходу плавки. Исследованиями показано, что раскисление коррозионностойкой стали углеродом за­канчивается в первые 20...30 мин плавки; содержание кислорода в это время достигает минимального значения, при дальнейшей вы­плавке его содержание увеличивается. Затем присаживают необхо­димое количество ферросплавов. В случае необходимости для охла­ждения ванны используют «осветленные» отходы.

Перед выпуском плавки вводят наиболее активные редкоземель­ные металлы; такие металлы, как магний, можно присаживать в из­ложницу.

5. Разливка.

Разливка проводится в вакууме либо в атмосфере арго­на. Аргон позволяет получить более плотный слиток, но если в печи имеется конденсат магния то при напуске воздуха возможно его вос­пламенение.

Из оксидов алюминия и нитридов титана на поверхности металла образуются пленки. В изложнице пленки не всплывают, а запутыва­ются в металле в виде крупных скоплений.

Чтобы избежать этого, существуют два способа:

1) конструктивный - выпуск не прямо в изложницу, а через спе­циальный желоб (рисунок 7) [1]. Желоб снабжен 2-3 перегородками для отделения шлака и футеруется корундовыми огнеупорами. Перед приемом металла прокаливается при температуре не менее 1000 °С;

2) перед разливкой на металл дают легкоплавкую шлаковую смесь, шлаки ассимилируют пленки, а сам шлак хорошо отстает от металла.

Рисунок 7 - Схема выпуска металла через желоб