Вакуумно-дуговой переплав

Переплав расходуемых электродов в вакуумно-дуговой печи основан на плавлении в вакууме металлической заготовки электрической дугой большой мощности и одновременной кристаллизации металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Металл плавится при разрежении в камере печи 10−10^-2 Па, иногда в аргоне или азоте при давлении ниже атмосферного. Тепло электрической дуги расходуется на плавление, перегрев и частичное испарение металла, а также на излучение. На электрод подается отрицательный полюс источника постоянного тока. Электрод под действием тепла дуги расплавляется и стекает в кристаллизатор (рис. 10.10).

В установившемся режиме массовая скорость переплава электрода почти равна массовой скорости наплавления слитка (q_З ≈ q_C), так как общие потери металла на испарение не превышают 1,5−2 %. Низкое давление газов над расплавом в кристаллизаторе дуговой печи стимулирует развитие процессов, протекающих с образованием газообразных продуктов: выделение азота, водорода, оксида углерода и испарение летучих компонентов сталей и сплавов. Испарение металла ведет к тому, что практически электрическая дуга горит в металлических парах. На катоде выделяется 80−85 % энергии дуги, сосредоточенной в катодном пятне. На отдельных участках торца расходуемого электрода плотность тока в катодных пятнах составляет 450−500 кА/м², что вызывает локальный перегрев металла. Поэтому электрод является источником металлических паров, давление которых достигает 66−133 Па.

Качество металла ВДП зависит от качества исходного металла и технологии переплава. К технологическим факторам относятся: величина тока, диаметры кристаллизатора и электрода, напряжение на дуге, интенсивность охлаждения слитка и др. Все это определяет скорость переплава, размер жидкой ванны, скорость кристаллизации слитка, а также производительность агрегата, качество макро- и микроструктуры, степень рафинирования и качество поверхности слитка.

В исследованиях установлено, что массовая скорость q переплава прямо пропорциональна току J:

q = aJ − b,

где a, b − постоянные, зависящие от марки стали и сплава.

Скорость переплава определяет все основные физико-химические процессы, поэтому целью управления электрическим режимом является поддержание заданной скорости плавления электрода. Для этого используют датчики непрерывного измерения массовой скорости переплава, а процессом переплава управляют при помощи микро-ЭВМ.

Изготовление электродов для ВДП не менее важно, чем выбор соответствующей технологии переплава, поэтому к ним предъявляется комплекс требований по химическому составу, содержанию газов, неметаллических включений и других примесей, по наличию внутренних и наружных дефектов, а также геометрическим размерам. От исходного металла, предназначенного для ВДП, зависит содержание вредных примесей в переплавленной стали. В соответствии с требованиями к чистоте металла от примесей исходный металл выплавляют в мартеновских печах, конвертерах, электродуговых, открытых и вакуумных индукционных печах, используют установки для внепечной дегазации и обработку синтетическими шлаками. Электроды могут быть литыми, коваными или катаными. Постоянную величину зазора между электродом и кристаллизатором обеспечивают жесткими требованиями к геометрическим размерам заготовки.

Вакуумно-дуговой переплав осуществляется в глухой кристаллизатор, поэтому вакуумная откачка из реакционной зоны происходит через узкий кольцевой зазор значительной высоты (4 м и более), имеющий большое сопротивление откачиваемым газам. Это ведет к тому, что давление над ванной жидкого металла значительно выше, чем в вакуумной камере, и изменяется по высоте наплавляемого слитка от 62−133до 1,3 Па. Конструкция кристаллизатора делает возможным использование только таких электродов, диаметр которых меньше диаметра получаемого слитка. Кроме того, такая конструкция ведет к образованию «короны», поэтому поверхностный слой слитка толщиной 8−15 мм имеет дефекты, вызывающие необходимость обдирки слитка на глубину до 20 мм.

Расплавленный металл удерживается на нижнем торце электрода силами поверхностного натяжения в течение нескольких секунд. Металл в пленке остается при температуре, близкой температуре плавления. В жидкой ванне значительный перегрев наблюдается только вблизи поверхности, при этом ее температура увеличивается пропорционально силе тока. Например, для стали ШХ15 величина перегрева над температурой плавления возрастала с 60 до 280 °С. Перегрев в значительной степениснижается в поверхностном слое ванны толщиной 40−60 мм.

Форма оплавляемого торца электрода − плоская или вогнутая. Катодные пятна, являющиеся очагами тепловыделения, распределены по торцу электрода равномерно. При нормальной длине дуги капли жидкого металла образуются на торце электрода в его периферийной зоне, т.е. расплавленный металл непрерывно перетекает от центральной части к боковой поверхности электрода. Толщина пленки жидкого металла на электродах диаметром 0,5−0,7 м составляет 0,4−0,6 мм, на электродах меньшего диаметра толщина пленки меньше.

Жидкий металл находится на торце электрода 3−4 с. Время падения капли металла с торца электрода в ванну составляет 0,3−0,4 с, т.е. значительно меньше, чем длительность пребывания в пленке и ванне, достигающая десятков секунд. Горящая электрическая дуга оказывает на пленку жидкого металла электродинамическое, механическое и термическое воздействия, при этом в пленке на электроде возникают турбулентные пульсации и происходит локальное турбулентное течение пленки.

Жидкий металл в ванне движется в вертикальной плоскости в результате изменения плотности тока при прохождении от расходуемого электрода к стенкам кристаллизатора. В результате взаимодействия электрического тока с собственным магнитным полем на жидкий металл в ванне действуют электромагнитные силы. При отсутствии внешних магнитных полей движение металла в ванне ВДП представляет собой вращающийся торроидальный вихрь с осью симметрии по оси ванны. При наложении внешнего вертикального магнитного поля жидкий металл приходит в круговое движение в горизонтальной плоскости. В печах с хорошо скомпенсированным магнитным полем круговое движение металла отсутствует. Круговое движение металла в ванне квадратного и прямоугольного сечений тормозится вследствие роста гидравлических сопротивлений этих ванн. Вращательное движение ванны вызывает ликвационные дефекты в слитке, поэтому оно должно быть исключено.

При ВДП примеси удаляются на торце электрода и с поверхности жидкой ванны. Две реакционные зоны с развитой поверхностью взаимодействия при относительно малом объеме расплавленного металла, воздействие электрической дуги и вакуума на жидкий металл обеспечивают развитие необходимых процессов рафинирования.

В результате ВДП содержание водорода в металле снижается на 90−95 %, достигая (1−2)∙10^-4 %. Концентрация кислорода в переплавленном металле снижается на 70−80 %, азота − на 30−40 %. В несколько раз сокращается количество неметаллических включений при уменьшении их размера. Полнота удаления из металла газов и неметаллических включений зависит от технологии выплавки исходного металла, электрического и вакуумного режимов переплава.

Развитие процесса испарения при ВДП ведет к потерям марганца, которые в зависимости от состава сплава и размера слитка могут составлять от 5 до 35 %. Испарение металла ведет к удалению примесей цветных металлов − свинца, олова, сурьмы, висмута, цинка и др. − имеющему важнее значение для повышения качества сталей и сплавов. Концентрация меди при переплаве снижается на 10−30 %. Содержание хрома, кремния, никеля, молибдена, вольфрама, титана, алюминия не меняется.Испарившиеся металлы частично возвращаются в жидкий металл в результате расплавления образующегося конденсата на расходуемом электроде, а также расплавления конденсата, образующегося на стенках кристаллизатора. При подходе фронта наплавляемого металла конденсат на поверхности «короны» растворяется и обогащает периферийные участки слитка.Повышение качества металла после ВДП связано с очищением его от примесей и включений, а также с улучшением физической и химической однородности слитка. Повышение изотропности свойств обусловлено действием структурного фактора, поэтому при ВДП необходимо обеспечить благоприятные условия для обоих процессов: и рафинирования и кристаллизации металла.

Благоприятные условия кристаллизации металла, обеспечиваемые при ВДП, предопределяют высокую степень его однородности и плотности, дисперсность структуры и неметаллических включений, отсутствие ликвационных и усадочных дефектов слитка. С ростом скорости переплава увеличиваются ликвационные дефекты, поэтому для каждой стали (или сплава) существуют при заданном диаметре слитка максимальные значения силы тока и скорости переплава, при которых еще отсутствуют ликвационные дефекты. Снижение силы тока может − вести к грубой послойной кристаллизации и ухудшению поверхности слитков. Рабочие значения силы тока определяются диаметром кристаллизатора и материалом электрода. Стали, склонные к ликвации, переплавляются при относительно низких значениях силы тока. Таким образом, диапазон электрических режимов ограничивается образованием дефектов макроструктуры, локальной и зональной неоднородностью слитка.

Ограничение силы тока и скорости переплава связано с увеличением глубины жидкой ванны при увеличении массовой скорости переплава из-за ограниченной интенсивности теплоотвода от кристаллизующегося слитка. Условия охлаждения слитка при ВДП не являются оптимальными, так как теплопередача от слитка к кристаллизатору осуществляется в основном излучением, за исключением узких контактных поясков в верхней части слитка. Условия охлаждения слитка можно существенно улучшить, если ввести в зазор между слитком и кристаллизатором газ с низкой молекулярной массой, обладающий высоким коэффициентом теплопроводности. В промышленных условиях целесообразно использовать гелий, так как он обладает высокой теплопроводностью, взрывобезопасен и не взаимодействует с металлом. При подаче гелия в зазор между слитком и кристаллизатором тепловой поток передается от слитка к кристаллизатору излучением и теплопроводностью через газовую прослойку. В зависимости от условий переплава и марки стали давление гелия изменяется от 2 до 8 кПа, при этом значительно уменьшается глубина жидкой ванны. Это позволяет увеличить скорость наплавления слитка на 20−60 % при сохранении высокого качества металла.

Максимально возможная масса слитка, достигаемая в вакуумной дуговой печи, составляет 150 т при диаметре слитка 1850 мм.