Вакуумный индукционный переплав

Метод ВИП обеспечивает получение металла строго заданного состава,

Рис. 22.1.Схема процессов электропереплава (а — вакуумно-дуговой; 6 — электрошлако­вый; в — электронно-лучевой; г —плазмен­ный с радиальным размещением плазматро-нов; д — плазменный с осевым размещением плазматронов):

1 — источник питания; 2— слиток; 3— ванна рас­плава; 4— кристаллизатор; 5 —электрод (переплав­ляемая заготовка); 6— герметизированная камера; 7— шлаковая ванна; 8— шлаковая «рубашка» (при ЭШП); 9—фокусирующее устройство; 10— плаз-матрон

очень чистого по содержанию газов, неметаллических включений, приме­сей цветных металлов. Недостаток ме­тода — контакт металла с футеровкой. В настоящее время ВИП используется как метод предварительной выплавки шихты в виде заготовки для других пе­реплавных процессов, для производ­ства сплавов ряда марок ответственно­го назначения и особо качественных отливок, в частности из жаропрочных сплавов для изготовления деталей ре­активных двигателей (например, ло­паток газовых турбин).

В чистом виде «переплавными» процессами являются способы пере­плава: вакуумно-дуговой (ВДП), элек­трошлаковый (ЭШП), электронно-лу­чевой (ЭЛП), плазменно-дуговой (ПДП). Принципиальная схема пере­плавных процессов представлена на рис. 22.1.

ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ

На схеме рис. 22.1, а показано, что под воздействием высоких температур, возникающих в зоне электрической дуги между переплавляемым электро­дом и поддоном кристаллизатора, ме­талл на нижнем торце электрода рас­плавляется и капли расплавленного металла падают в ванну, где под воз­действием охлаждения кристаллизато­ра формируется слиток. До начала операции печь вакуумируют (остаточ­ное давление обычно не более 1,33 Па); вакуумные насосы продол­жают работать в течение всей плавки. Таким образом, капли металла па­дают через вакуумированное про­странство; при этом обеспечивается очень полное очищение металла от га­зов, оксидных неметаллических вклю­чений (общее содержание кислорода снижается до очень низких пределов), от примесей некоторых цветных ме­таллов. В результате получается плот­ный слиток. Кристаллизация металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе (обычно медном) имеет четко направ­ленный характер, отвечающий на­правлению отвода тепла. В результате ВДП механические характеристики металла улучшаются до такой степени, что становятся почти одинаковыми в разных направлениях. В современных установках ВДП получают слитки мас­сой от нескольких сотен килограммов до 40-50 т.

Достоинством способа ВДП явля­ется отсутствие контакта металла с огнеупорной футеровкой, недостат­ком — невозможность снижения со­держания серы из-за отсутствия шла­ковой фазы. Дуговая плавка отличает­ся высокой концентрацией тепла в дуге, поэтому ВДП получил широкое распространение при производстве слитков из тугоплавких металлов (ти­тана, циркония, ниобия, молибдена, вольфрама и др.). Переплав, в котором переплавляется электрод, называют ВДП с расходуемым электродом. Со-

Рис. 22.2.Вакуумно-дуговая печь:

У —механизм перемещения электрода; 2—вакуум­ная камера; 3 — механизм прижима электрода; 4 — направляющие кристаллизатора; 5 — кристаллиза­тор с поддоном; 6— механизм подъема кристаллиза­тора; 7—механизм разгрузки; <?—патрубок с ва­куумным насосом

Рис. 22.3.Вакуумная дуговая гарнисажная печь:

1 — электрод; 2 — тигель; 3 — желоб; 4 — форма; 5 — стационарные заливочные камеры; 6— стол центро­бежной машины

временная ВДП с расходуемым элект­родом приведена на рис. 22.2.

В некоторых случаях изготовить расходуемый электрод невозможно (например, при переплаве титановой губки). В этих случаях губчатый или порошкообразный материал расплав­ляют, помещая его в зону дуги между постоянным (нерасходуемым) элект­родом и ванной. Такой метод называ­ют ВДП с нерасходуемым электродом. Полученный таким образом слиток обычно еще раз переплавляют мето­дом ВДП с расходуемым электродом. При ВДП с нерасходуемым электро­дом вместо кристаллизатора иногда устанавливают металлический водоох-лаждаемый тигель; во время плавки на стенках тигля образуется корочка пе­реплавляемого металла (гарнисаж) и расплав контактирует с гарнисажем из этого же металла. Печи такого типа называют гарнисажными.

Вакуумные дуговые гарнисажные печи (ВДГП) используют также для фасонного литья отливок особо ответ­ственного назначения. На рис. 22.3 изображена схема современной гарни-сажной печи емкостью 0,6 т с разливкой металла по желобу. Плавильная поворотная камера соединена с двумя стационарными заливочными камера­ми с помощью патрубков и поворот­ных вакуумных уплотнителей. Нерас­ходуемые электроды обычно делают из вольфрама.

ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫЙ ПЕРЕПЛАВ

Принципиальная схема ЭШП пред­ставлена на рис. 22.1, б. Электричес­кая цепь между расходуемым электро­дом и наплавляемым слитком замыка­ется через слой расплавленного шлака (электрическая дуга отсутствует). Жидкий шлак электропроводен, но обладает высоким сопротивлением, поэтому он нагревается до температу­ры 1700—2000 ºС и погруженный в него конец расходуемого электрода оплавляется. В результате металл в виде капель проходит через слой шла­ка и застывает в ванне кристаллизато­ра в виде плотного слитка.

Составы шлаков при ЭШП различ­ны; чаще всего используют шлак, со­стоящий из CaF₂ с добавками СаО, А1₂О₃, SiO₂. Проходя через такой шлак, капли металла очищаются от серы; в них снижается содержание не­металлических включений, а в крис­таллизаторе образуется плотный каче­ственный слиток. Оборудование ЭШП проще и дешевле, чем при ВДП.

Процесс ЭШП разработан в Инсти­туте электросварки им. Е. О. Патона АН Украины. Практическое распрост­ранение метода ЭШП началось с 1958 г. на металлургическом заводе «Днепроспецсталь». ЭШП получил большое распространение; появился специальный термин ЭШТ (электро­шлаковая технология), имеющий ряд разновидностей: электрошлаковое ли­тье (ЭШЛ), центробежное электро­шлаковое литье (ЦЭШЛ) и т . д.

Существует два типа установок ЭШП: с расходуемым электродом и с нерасходуемым электродом. Суть про­цесса при этом остается неизменной: капли металла проходят через слой жидкого шлака (через шлаковую ван­ну). Нерасходуемые электроды, ис­пользуемые для поддержания требуе­мой температуры в шлаковой ванне, бывают графитовые или металличес­кие водоохлаждаемые. Проходя через слой жидкого шлака, капли металла попадают или в кристаллизатор, или в огнеупорный тигель. В последнем слу­чае плавка ведется в так называемых установках с керамическим тиглем. Для производства стальных слитков обычно используют процесс с расхо­дуемым электродом и охлаждаемым кристаллизатором.

Расходуемые электроды получают, выплавляя предварительно металл нужного состава в обычном сталепла­вильном агрегате (чаще в дуговой ста­леплавильной печи) и разливая его на слитки или непрерывно-литую заго­товку. Для получения расходуемых электродов необходимых размеров (по сечению) слитки могут подвергаться прокатке или ковке. Получаемые ЭШП слитки имеют обычно развес до 5—6т. В отдельных случаях (напри­мер, при получении заготовок для последующего изготовления роторов турбин электростанций) отливаются ЭШП слитки массой 60т и более. В СССР была разработана специальная электрошлаковая технология, позво­ляющая отливать слитки массой до 300т. Большие слитки массой 200— 300 т (для роторов турбин, валов судо­вых двигателей и т. п.) выплавляют редко, и заводам нерационально иметь у себя крупные агрегаты для того, чтобы использовать их только несколько раз в году. Поэтому для производства сверхкрупных слитков Институтом им. Е. О. Патона совмест­но с рядом заводов создан способ, по­лучивший название порционной элект­рошлаковой отливки (ПЭШО). В отли­чие от обычного ЭШП, основанного на переплаве расходуемых электродов, способ ПЭШО предусматривает полу­чение слитков непосредственно из жидкого металла. В водоохлаждаемой изложнице с помощью нерасходуемых электродов расплавляется смесь шла-кообразующих компонентов. При этом в изложнице образуется слой жидкого шлака (шлаковая ванна), об­ладающий высокой рафинирующей способностью (рис. 22.4, а). Через слой шлака заливают первую порцию стали, полученной в печи, емкость ко­торой равна части емкости изложницы. В период заливки металла погру­женные в шлак электроды автомати­чески поднимаются (рис. 22.4, б).

После заливки первой порции ме­талла ведут электрошлаковый обогрев зеркала металла. За счет подводимой мощности зеркало должно оставаться жидким по всему сечению изложни­цы. При этом залитый металл посте­пенно затвердевает в направлении снизу вверх, и к моменту заливки сле­дующей порции металла под слоем жидкого шлака остается небольшой объем жидкого металла (рис. 22,4, в). Металл следующей порции аналогич­ным образом заливают в изложницу, и он смешивается с остатком жидкого металла первой порции (рис. 22.4, г). Этот процесс повторяют несколько раз до заполнения всей изложницы. После заливки последней порции ме­талла постепенно снижают электри­ческую мощность, подводимую к шла­ковой ванне, с тем чтобы предотвра­тить образование усадочной раковины в головной части слитка (рис. 22.4, д). Интенсивная обработка металла ра­финирующим шлаком обеспечивает высокую чистоту металла слитка по сере и неметаллическим включениям. Направленная снизу вверх после­довательная кристаллизация металла в изложнице при постоянном наличии сравнительно небольшого объема жидкого металла и высокого градиен­та температур в металлической ванне ограничивает развитие в слитке зо­нальной ликвации и исключает обра­зование в нем дефектов усадочного и ликвационного происхождения.

Преимуществом способа ПЭШО является также возможность получе­ния слитков практически неограни­ченной массы при наличии сталепла­вильного агрегата сравнительно малой емкости.

Например, слиток массой 200т можно отлить способом последова­тельной заливки в изложницу четы­рех—шести плавок, полученных в ДСП (или ином агрегате) емкостью всего 35—50 т.

Другим технологическим приемом, позволяющим получать высококаче­ственные крупные слитки, является технология, названная ЭШП с расходу­емым электродом, согласно которой у отлитого по обычной технологии крупного слитка удаляется осевая зона (здесь металл обычно поражен дефек­тами вследствие ликвации вредных примесей, неметаллических включе­ний, скопления газов и т. п.). Образо­вавшуюся таким образом полость в слитке с помощью ЭШП заполняют доброкачественным металлом.

Разновидностью ЭШП является электрошлаковая отливка (ЭШО), для получения которой жидкий металл за­ливается в водоохлаждаемые кристал­лизаторы через слой жидкого шлака. Кристаллизация в этом случае проте­кает при электрошлаковом обогреве головной части слитков.

Существует разновидность ЭШП, называемая электрошлаковое литье (ЭШЛ), в процессе которого проис­ходит электрошлаковое плавление расходуемого электрода, а переплав­ленный металл приобретает форму

Рис. 22.4.Схема порционной электрошлаковой отливки

внутренней поверхности кристалли­затора или формы. Сечение формы может быть переменным. При ЭШЛ широко используется прием заклад­ки деталей с последующим их приплавлением к основной части отлив­ки в процессе переплава расходуемо­го электрода. Таким образом, техни­ка ЭШЛ включает в себя элементы сварки.

В отличие от ЭШЛ суть метода центробежного электрошлакового ли­тья (ЦЭШЛ) заключается в расплавле­нии и накоплении металла электро­шлаковым способом с последующей заливкой этого металла во вращающу­юся форму. Чистота металла, прошед­шего рафинирование жидким шла­ком, и своеобразные условия кристал­лизации этого металла во вращающей­ся форме обеспечивают высокое качество получаемых заготовок, что позволяет использовать их для изго­товления деталей самого ответствен­ного назначения.

Успехи электрошлаковой техноло­гии вызвали к жизни многочислен­ные предложения об организации электрошлакового переплава куско­вых материалов (например, стружки), металлизованного сырья (например, металлизованных окатышей) и т. п. В этом направлении ведутся интенсив­ные исследования.

Исследования ведутся также с це­лью разработки электрошлаковой тех­нологии получения ферросплавов (ферротитана, феррованадия). При этом в качестве сырья используются титановая и железная губки, пентаок-сид ванадия и т. п.

Исследуется также возможность организации процесса дугового элект­рошлакового переплава (ДШП), при котором металл расходуемого элект­рода плавится за счет тепла электри­ческой дуги, горящей в промежутке электрод — поверхность жидкой шла­ковой ванны, а капли металла элект­рода, проходя через слой шлака, на­капливаются в нижней части кристал­лизатора и, затвердевая, образуют од­нородный слиток.

Недостатком ЭШП является невоз­можность организовать в открытом аг­регате удаление водорода. В связи с этим широкое распространение полу­чили дуплекс-процессы ВИП—ЭШП и ЭШП-ВДП.

ВДП и ЭШП — основные пере­плавные процессы, с помощью кото­рых в промышленно развитых странах ежегодно переплавляют десятки и сот­ни тысяч тонн высококачественной стали и сплавов. Во многих случаях металл переплавляют дважды и триж­ды: ВИП-ВДП, ЭШП-ВДП, ВИП-ЭШП-ВДП и т. п.