Вакуумно-дуговой переплав

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.

Вакуумно-дуговой переплав
Вакуумно-дуговой переплав

 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 10-110–3 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.
Ссылка на основную публикацию
Adblock detector