При переплаве расходуемой металлической заготовки в вакууме достигается снижение содержания растворенных газов и уменьшение содержания примесных элементов, обеспечивается контролируемая кристаллизация металла, при которой резко снижается макро- и микроликвация в наплавленном слитке.
Предпосылкой для развития и внедрения в промышленное производство технологии вакуумного дугового переплава (ВДП) явилась настойчивая потребность получения сталей и сплавов с высокими физико-механическими свойствами, эксплуатируемых в условиях экстремально высоких и низких температур, жесткого рентгеновского излучения, знакопеременных и вибрационных нагрузок.
В дальнейшем улучшении свойств металлов определяющую роль играет технология производства, при которой неотъемлемым компонентом сталеплавильного процесса является вакуумная металлургия с её возможностями и достижениями в области дегазации металла.
В реальных условиях рафинирующих переплавов необходимым условием для успешного протекания процесса является неизменность исходного металла и конечного продукта по содержанию ведущих и основных легирующих компонентов. Поэтому регулирование содержаний растворенных в металле газов изменением концентрации легирующих компонентов не имеет никакого значения.
При рассмотрении термодинамических условий дегазации металла основным фактором, определяющим снижение содержания газов, следует считать снижение парциального давления данного газа и общего давления газов в атмосфере плавильного пространства печи.
В вакуумной металлургии плавильные и заливочные агрегаты, а также вспомогательные устройства помещаются в вакуумные камеры, где создается вакуум в пределах 10-1 — 10–3 Па.
В металлургии высококачественных сталей наибольшее распространение в качестве технологических агрегатов получили электродуговые плавильные установки.
Принцип действия установок (печей) ВДП основан на преобразовании электрической энергии в тепловую в зоне дугового разряда, постоянно существующего между двумя электродами (расходуемая заготовка – наплавляемый слиток).
Наиболее широко применяются установки, работающие на постоянном токе «прямой полярности»: расходуемый электрод служит катодом, а наплавляемый слиток – анодом. В процессе плавки по торцу электрода перемещаются катодные пятна, температура которых и определяет плавление исходного металла.
В соответствии с физическими явлениями, протекающими в ходе ВДП, рафинирование металла осуществляется в следующих зонах:
- в пленке металла на торце электрода;
- в момент прохождения капель металла через дуговой промежуток;
- в лунке жидкого металла при формировании слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе.
Максимальная степень рафинирования металла обеспечивается в пленке металла на торце расходуемой заготовки.
Плавление электрода большого диаметра протекает в условиях непрерывного перемещения катодного пятна по торцу расходуемой заготовки, что приводит к многочисленным зонам каплеобразования при локальных перегревах и формированию выступов.
Для электрода диаметром 0.9 м и числе выступов ~ 50, толщина пленки металла составит ~ 1.44 мм.
Падение капель металла с торца электрода, происходящие в момент превышения гравитационных сил над силой поверхностного натяжения, вызывают кратковременное нарушение стабильности горения дуги, и может способствовать заплескиванию расплава на стенку кристаллизатора, на которой также образуется конденсат паров переплавляемого металла, особенно, легко испаряющихся элементов. По мере увеличения массы наплавляемого слитка, в ходе плавки происходит взаимодействие лунки жидкого металла с конденсатом и частичное его подплавление. Отсюда – необходимость сплошной обдирки поверхностного слоя слитка ВДП на 7 – 10% его диаметра.
Основные схемы конструкции печей ВДП следующие:
- с расходуемым электродом;
- с нерасходуемым электродом;
- с глухим кристаллизатором;
- с вытягиванием слитка.
В среднем, к.п.д. теплового баланса (Рпол) плавки ВДП составляет примерно 40 – 45%.
Цикл плавки:
- выгрузка слитка;
- чистка камеры и кристаллизатора от конденсата;
- загрузка электрода в печь (иногда – приварка инвентарной головки);
- откачка;
- проверка натекания;
- собственно плавка;
- охлаждение слитка;
- разборка печи.
В зависимости от поставленных задач:
- максимальный выход годного металла;
- максимальная производительность плавки – различают два способа плавки:
- с обеспечением неизменных условий кристаллизации;
- с линейным законом выведения усадочной раковины.
Длительность цикла плавки в вакуумно-дуговых печах определяется, помимо вспомогательных операций, массой наплавляемого металла, и в зависимости от последней, может составлять от 10 до 36 часов.
Повышение технико-экономических показателей работы установок ВДП обеспечивается снижением затрат времени на выполнение вспомогательных операций и рациональным управлением электрическим режимом плавки.
Преимущества и недостатки ВДП
Преимущества:
- Обеспечение однородности макроструктуры, отсутствие или минимальное наличие дефектов кристаллизации и ликвационного происхождения.
- Имеет место резкое снижение неметаллических включений и газов. Избыточные фазы (С, В, N) диспергированы и равномерно распределены в объеме слитка.
- Осуществляется возгонка и сублимация вредных цветных примесей (Pb, Sb, Zn, Bi, Sn и др.).
- Повышаются показатели пластических свойств и изотропность механических свойств в целом.
- Повышается технологическая пластичность металла в заданном диапазоне температур передела.
- Возрастают показатели ресурса и надежности работы изделий.
Недостатки:
- Необходимость использования дорогостоящего оборудования и источников постоянного тока.
- Необходимость обеспечения жесткой параметрической связи между геометрическими параметрами металлической ванны и технологическим режимом процесса ВДП.
- Невозможность подвергать ВД переплаву стали, легированные марганцем и азотом.
- Отсутствуют технические и технологические решения наплавления квадратных или прямоугольных слитков и применения многоэлектродной схемы.
Загрузка...
