30.05.2015

Применение вакуума для плавки стали давно привлекало внимание металлургов, однако только в послевоенные годы, в связи с развитием вакуумной техники, этот метод получил широкое промышленное использование.
Любая сталь, изготовленная обычными методами, в значительной мере насыщена газами, резко снижающими ее качество. Кислород и азот вызывают старение металлов. Крайне нежелательной примесью является водород, вызывающий водородную болезнь; образование флокенов, делающих сталь не пригодной для изготовления даже малоответственных деталей.
Известно, что любая примесь в трансформаторной стали, кроме кремния, снижает ее электротехнические свойства. Наиболее вредными примесями являются углерод, кислород и сера, но наряду с этим магнитные свойства снижаются под влиянием неметаллических включений, водорода и азота. Вакуумная плавка позволяет получить трансформаторную сталь с низким содержанием указанных примесей.
Хромоникелевые нержавеющие стали аустенитного типа устойчивы против коррозии в случае закалки их при 1050—1150° в воде. При медленном охлаждении или сварке эти стали оказываются склонными к интеркристаллитной коррозии. Наиболее надежным способом устранения интеркристаллитной коррозии является снижение содержания в стали углерода до 0,02% и менее, при котором он не выпадает в виде карбида, а остается в растворенном состоянии. Такая сталь не чувствительна к нагреву и охлаждению. Наиболее целесообразным методом получения малоуглеродистой хромоникелевой стали является плавка в вакууме. Поскольку металл, не содержащий карбидов и нитридов, характеризуется повышенной пластичностью, имеется возможность, наряду с высокими антикоррозионными свойствами, деформировать заготовки до самых незначительных толщин и размеров.
При получении шарикоподшипниковой стали вакуум позволяет резко снизить количество неметаллических включений, что увеличивает стойкость шариковых подшипников.
Вакуум используется в производстве различных жаропрочных сплавов, идущих, в частности, на изготовление лопаток и других частей газовых турбин, для получения плотных качественных отливок и при изготовлении особо ответственных деталей машин.
В металлургии стали осуществляют плавку в вакуумных индукционных печах без сердечника, плавку в дуговых печах с расходуемым электродом и обработку стали, ранее полученной в любых металлургических агрегатах, под вакуумом. Первые два способа наиболее совершенны, причем второй обеспечивает возможность получения более чистой и однородной стали. Однако в связи со сложностью конструкции плавильных установок как тот, так и другой методы имеют пока ограниченное применение. Для дегазации больших количеств металла наибольшее применение получил третий способ.
Плавка в индукционных печах( без сердечника)

Основным преимуществом вакуумных печей с индукционным нагревом является интенсивное перемешивание в них расплава за счет индуктивных токов, что способствует быстрому выделению газов из всего объема металла.
В настоящее время существует много отечественных и зарубежных конструкций индукционных промышленных вакуумных печей. Емкость печей, применяемых в сталеплавильном производстве, достигает 1—2,5 т. Печи непрерывного действия имеют футеровку из трудновосстановимых окислов магния, алюминия, циркония, бериллия или тория. Плавке подвергаются лишь наиболее чистые сорта железа, в частности электролитическое. Загрузку шихты и выдачу слитков осуществляют без нарушения вакуума.
Плавка стали

На рис. 21 приведена схема индукционной вакуумной печи непрерывного действия емкостью 450 кг, предназначенной для выплавки и разливки металла в вакууме. Установка состоит из трех камер: шихтовой, плавильной и для отливки. В шихтовочную камеру, отделенную ОТ плавильной затвором, подвешивают контейнер с шихтой, камеру уплотняют и откачивают из нее воздух. После выравнивания давления в шихтовочной и плавильной камерах открывают затвор и с помощью ворота опускают шихту в печь, где она расплавляется вместе с контейнером. Плавление продолжается в течение 1 час., а весь цикл занимает около 5 час. Загрузку в печь различных компонентов шихты осуществляют с помощью специальной воронки без нарушения вакуума. В камере для отливки, установленной на тележке, находится поворотный стол с изложницами. После выравнивания разрежения в плавильной и нижней камерах открывают заслонку соединяющего их затвора, гидравлическим поршнем поднимают изложницу до уровня носка печи, опрокидывают печь и заполняют изложницу металлом. Затем печь возвращают в исходное положение, а изложницу опускают на стол. После поворота стола на соответствующий угол, например при 6 изложницах на 60°, к печи поднимается следующая изложница. Печь выдает в сутки две плавки по 450 кг. Мощность печи 350 ква.
Трансформаторная сталь, выплавленная на заводе «Электросталь» в вакуумной индукционной печи, содержала 0,01—0,02% С. Количество кислорода и водорода в этой стали было в 10 раз меньше, чем в стали, полученной обычным способом, и составляло соответственно 0,0023 и 0,000057о. Полученная сталь обладала лучшими магнитными свойствами — ваттные потери ее были на 15—20% ниже потерь в стали, выплавленной в обычной печи. Плавка в вакуумных индукционных печах жаропрочных сплавов увеличивает их стойкость при высоких температурах и пластические свойства. Хромоникелевая нержавеющая сталь, полученная в вакуумной индукционной печи содержит не более 0,02% углерода и обладает более высокими антикоррозионными свойствами при воздействии кислот; температурный порог хрупкости этой стали понижается со 100—125° до минус 50° а ударная вязкость возрастает с 0,2—0,6 до 10—15 кг/см2. Показано, что при выплавке шарикоподшипниковой стали, содержащей 1,0% V, 5% Сr, 5% Мо и 0,65% С, в вакуумной печи стойкость подшипников при 200° увеличивается в семь раз и составляет 1080 час. вместо 150 час. для подшипников из стали, выплавленной обычным способом.
Плавка в дуговых печах

Принцип дуговой плавки с расходуемым электродом основан на том, что между вертикальным подвижным электродом и ванной из расплавленного металла, служащей вторым электродом, зажигается дуга; верхний электрод при этом плавится и расплавленный металл стекает в водоохлаждаемый кристаллизатор. Верхний электрод готовится из той стали, которую будут переплавлять. По мере расплавления электрод наращивают сверху путем сварки или свинчивания. Плавку проводят в нейтральной атмосфере или в вакууме. Все печи имеют вакуумную систему, которая служит либо только для предварительного откачивания перед заполнением печи нейтральным газом, либо для поддержания вакуума во время плавки. Эти печи в настоящее время широко используются для плавки тугоплавких металлов — молибдена, титана и др. Поэтому устройство и работа их более подробно рассмотрены ниже в разделе плавки тугоплавких металлов.
Выплавка стали и жаропрочных сплавов в вакуумных дуговых печах достигла к настоящему времени десятков тысяч тонн и в четыре раза превышает выплавку индукционным методом. Это объясняется тем. что метод дуговой вакуумной плавки имеет ряд преимуществ перед вакуумной индукционной плавкой. Плавка в дуговых печах исключает загрязнение металла огнеупором футеровки. Поскольку расплавление металла идет постепенно, происходит лучшая дегазация его. Отсутствует сегрегация легирующих добавок. В вакуумных дуговых печах можно выплавлять те же стали, что и в индукционных печах, но затраты на выплавку металла дуговым методом значительно ниже, чем индукционным.
Существующие установки дуговой плавки металла позволяют получать слитки диаметром 345—660 мм и весом до 900—5450 кг.
Обработка выплавленной стали под вакуумом

Методом вакуумирования можно перерабатывать неограниченное количество стали и сплавов. Он прост в аппаратурном оформлении, высокопроизводителен и доступен каждому металлургическому заводу. Метод получил широкое применение.
В России этот метод дегазации стали был предложен еще в 1940 г. А.М. Самариным и Л.М. Новиковым. Первое промышленное осуществление метод получил на Енакиевском металлургическом заводе, а позднее — на заводах «Днепроспецсталь», «Серп и молот», «Красный Октябрь», УЗТМ и ряде других.
Процесс дегазации и разливки металлов осуществляют в следующих вариантах;
1) в разливочном ковше, помещенном в вакуумную камеру, с последующей разливкой в слитки при атмосферном давлении;
2) в процессе выпуска стали из разливочного ковша в пустой ковш или изложницу, находящиеся в вакуумной камере;
3) в процессе переливания стали в вакууме из разливочного ковша в изложницу.
В последнее время разработан четвертый метод обработки стали методом вакуумирования отдельными порциями. Метод заключается в том. что в ковш с металлом вводят трубу специальной дегазационной вакуумной камеры. Вследствие разности давлений металл поднимается по трубе в камеру и дегазируется в ней, после чего поднимают камеру, выпускают дегазированный металл обратно в ковш и затем повторяют этот цикл. Во избежание охлаждения металла камеру нагревают.
Все методы вакуумной обработки позволяют улучшить свойства металла. Наилучшие результаты достигаются при трех последних методах. В настоящее время выпуск различных марок стали, прошедших стадию обработки в вакууме, составляет сотни тысяч тонн металла в год. На Уральском заводе тяжелого машиностроения этим методом получают слитки весом до 120 г.
Вакуумирование стали на Енакиевском заводе производили по первому варианту в разливочном ковше емкостью 16 т. При обработке рельсовой и кипящей стали остаточное давление составляло 75—140 мм рт. ст., а длительность выдержки металла под вакуумом в ковше 12—14 мин. В результате содержание кислорода в кипящей стали снизилось в 5—10 раз, азота на 30—35%, а полученные образцы металла оказались однородными по своему составу и обладали высокими механическими свойствами. Плавки, проведенные на заводе «Серп и молот», показали, что при обработке в течение 5—7 мин. содержание углерода в кипящей стали может быть снижено с 0,10—0,15% до 0,02%. Этими плавками установлена возможность получения низкоуглеродистой стали при обработке в вакууме металла с повышенным содержанием углерода.
Метод обработки в ковше является наиболее простым, но не позволяет провести сравнительно глубокой дегазации металла, поскольку глубинные слои не принимают участия в реакциях, протекающих на поверхности, а при разливке металла происходит повторное насыщение его газами.
На рис. 22 изображена установка завода «Днепроспецсталь», позволяющая осуществлять обработку стали по первому и второму методам. Вакуумная установка представляет собой герметическую футерованную изнутри цилиндрическую камеру, в которую помещают ковш емкостью 25 т. Уплотнение между крышкой камеры и самой камерой осуществлено с помощью вакуумной резины. В камеру помещают пустой разливочный ковш (в других случаях — изложницу), закрывают ее сверху алюминиевым листом и создают разрежение около 10—20 мм рт. ст. После этого переливают металл из верхнего наполненного ковша в нижний, расположенный в вакууме. Разлив осуществляется либо через специальную герметически установленную вверху воронку (как в случае установки завода «Днепроспецсталь») либо путем выпуска металла непосредственно из верхнего ковша, установленного герметически на крышке камеры. В обоих случаях струя металла переплавляет алюминиевый лист и попадает в вакуумное пространство. Таким образом, при этом способе обработки удаление газа происходит из струи, т. е. из всего объема переливаемого металла. Следует заметить, что разливка в изложницу еще более благоприятна и обеспечивает получение металла с меньшим содержанием газа.
Недостатком рассмотренных методов обработки стали под вакуумом является быстрое охлаждение сплава, ограничивающее продолжительность дегазации, и необходимость предварительного перегрева его. Соответственно этот способ применим для тех марок стали, перегрев которых не вызывает снижения их качества и связан только с повышением содержания газа. К числу таких сталей относятся трансформаторная, хромоникелевая и некоторые другие.
Плавка стали

Технология вакуумирования трансформаторной и конструкционной стали разработана на заводе «Днепроспецсталь». Вакуумирование производят при остаточном давлении 30—35 мм рт. ст. и длительности не более 10 мин. До введения технологии вакуумной обработки выплавляемая на заводе трансформаторная сталь содержала 0,04—0,05% С и 0,01% 5. Введение вакуумной обработки в ковше позволило снизить содержание углерода и серы в стали соответственно до 0,01—0,02 и 0,003— 0,005%, но требовало более горячего хода процесса в окислительный и восстановительный периоды плавки. Содержание. кислорода уменьшилось в два-три раза и находилось в пределах 0,004—0,005%). Водорода выделялось около 1 см3/100 г и составляло в конечном металле 4,6 см3/100 г. Снижение содержания в трансформаторной стали указанных примесей даже в таких пределах привело к заметному улучшению электромагнитных свойств ее. У вакуумированной трансформаторной стали ваттные потери снизились на 15—25%.
Вакуумная обработка в ковше на заводе «Днепроспецсталь» хромоникелевой стали привела к снижению степени пораженности проката волосовинами.