» » Выплавка стали в вакуумных печах
29.04.2015

В последние годы все более широкое промышленное распространение получает плавка стали в вакуумных индукционных печах и вакуумная плавка с расходуемым электродом. В США этими методами в 1958 г предполагалось выплавить до 57 000 т стали.
Плавка в вакууме имеет ряд преимуществ перед плавкой при нормальном атмосферном давлении. Окисление углерода при обычной плавке сопровождается увеличением содержания растворенного кислорода в металле. Последующее раскисление в некоторой степени снижает содержание кислорода, однако металл остается загрязненным оксидными неметаллическими включениями. Применение вакуума обеспечивает по лучение стали с низким содержанием растворенного кислорода с гораздо меньшим содержанием неметаллических включений, что обусловлено повышением раскислительной способности углерода при снижении давления и использованием в качестве раскислителя водорода.
Константа реакции обезуглероживания [С] + [0] = {CO}
Кр = рСО / [%О] * [%С]

является функцией только температуры, поэтому снижение рСО благоприятствует раскислению металла. Теоретически раскислительная способность углерода при снижении давления, например до 1 мм рт. ст., повышается в 760 раз; в реальных условиях увеличение раскислительной способности несколько меньшее; по экспериментальным же данным A.M. Самарина, при давлении в 1 мм рт, ст, она повышалась в 100 раз. Это связано с влиянием условий образования и выделения пузырьков CO из объема металла на величину равновесного давления рСО.
В условиях вакуума также уменьшается содержание окисных неметаллических включений за счет взаимодействия их с углеродом жидкого металла
(MeO)н.в + [С] = [Me] + {CO}.

Было установлено, что после вакуумирования содержание включений типа MnO и Cr2O3 уменьшалось на 70—80%, а силикатов на 50%. В связи с этим необходимо отметить одно отрицательное явление плавки в вакууме — взаимодействие материала тигля с углеродом жидкого металла, которое в ряде случаев затрудняет получение металла с низким содержанием кислорода. При взаимодействии материала тигля с углеродом в глубоком вакууме происходит восстановление материала тигля, при этом восстанавливаемый элемент растворяется в железе и, раскисляя его, загрязняет металл частицами окисла. Поэтому при вакуумной индукционной плавке большое значение имеет выбор материала тигля; обычно тигли изготавливаются из трудновосстановимых окислов — окиси магния или двуокиси циркония.
Наряду с уменьшением содержания кислорода при плавке в вакууме происходит заметное удаление серы (в виде газообразных соединений с кислородом или элементарной серы), что связано с повышением раскислительной способности углерода и уменьшением значения произведения [%С]*[%S], которое при атмосферном давлении равно 0,11.
При вакуумной плавке значительно снижается содержание азота и водорода, растворимость которых в жидком железе пропорциональна квадратному корню из их парциальных давлений. При снижении давления с 760 до 1 мм рт. ст. растворимость азота в жидком железе снижается с 0,054—0,056% до 0,001%, а растворимость водорода — с 27—30 до 0,9 мл/100 г.
Выплавленные в вакууме стали и сплавы отличаются от выплавленных обычным путем более высокой чистотой, лучшими механическими свойствами и лучшей деформируемостью в холодном и горячем состоянии. Нержавеющие и жаропрочные стали, выплавленные в вакууме, обладают повышенной устойчивостью против коррозии и более высокими механическими свойствами, а подшипниковые и низколегированные стали содержат меньше примесей и обладают более высоким сопротивлением усталости, чем выплавленные при нормальном атмосферном давлении.
Вакуумная плавка особенно широко применяется для производства высоколегированных жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов с повышенным содержанием химически активных элементов (Al, Ti, Zr), которые невозможно получить обычным путем.
Вакуумные индукционные печи разделяются на периодические и непрерывного действия.
В печах непрерывного действия (наиболее совершенной конструкции) загрузка шихты, разливка стали и выдача слитков происходят без нарушения вакуума в плавильной камере. Имеются такие непрерывно действующие печи, которые выплавляют до 1200 кг стали за одну плавку.
На рис. 52 представлена схема печи непрерывного действия с двумя взаимозаменяемыми индукционными тиглями емкостью 136 и 900 кг. Камеры для загрузки шихты 1 и для изложниц 17 герметически изолированы от плавильной камеры 8 специальными затворами. В камере для разливки имеется приспособление для обогрева верхней части слитка.
Плавление в вакуумных печах ведут при давлении 0,1—10в-3 мм рт. ст. Иногда для тщательного контроля (регулирование кипения и др ) процесса плавки поддерживают давление внутри печи в несколько миллиметров за счет выделяющихся газов или в печь специально впускают инертный газ (аргон). Тигли в вакуумных печах обычно набивные, изготавливаемое чаще всего из окиси магния или двуокиси циркония.
Магнезитовая футеровка хороша тем, что восстанавливаемый из нее магний испаряется и не загрязняет металл частицами окисла. Небольшие концентрации различных элементов (например, бора) в футеровке могут при плавке попасть в металл и сильно повлиять на его свойства.
Выплавка стали в вакуумных печах

Этот недостаток — возможность загрязнения металла окислами элементов и элементами, восстанавливаемыми из материала тигля — практически устраняется при вакуумной дуговой плавке с расходуемым электродом, осуществляемой в медном водоохлаждаемом кокиле.
Дуговая вакуумная плавка с расходуемым электродом заключается в переплаве электрода из металла определенного состава в медном водоохлаждаемом тигле при остаточном давлении 0,1—0,005 мм рт. ст. Электроды выплавлены из шихты необходимого состава либо при нормальном атмосферном давлении, либо в индукционных вакуумных печах. Кроме того, электроды получают путем спекания или сварки окатышей, а также брикетов из смеси порошковых или гранулированных металлических материалов. Схема дуговой плавильной установки представлена на рис. 53. Тигель печи — это медный водоохлаждаемый цилиндр, который служит также и изложницей для формирования слитка. При водяном охлаждении скорость застывания слитка настолько велика, что металл практически не загрязняется материалом тигля.
Дуговые печи с расходуемым электродом питаются постоянным током (напряжение около 80 в, плотность тока порядка 500 а/см2 диаметра слитка), причем электрод служит катодом, а слиток — анодом. В этих печах выплавляют преимущественно жаропрочные сплавы, а также молибденовые, титановые и циркониевые. Полученный металл отличается высокой чистотой и однородностью, отсутствием газов и включений, чем и объясняется его хорошая пластичность и высокие механические свойства.
В настоящее время наряду с небольшими печами имеются печи, в которых выплавляют слитки диаметром от 300 до 600 мм и весом от 900 до 5500 кг.
Выплавка стали в вакуумных печах

Кроме дуговых печен с расходуемым электродом применяются вакуумные печи с нерасходуемым электродом и автотиглем, т.е. с ванной, изготовленной из того же материала, что и выплавленный сплав.
Нерасходуемый электрод изготовлен в виде полого цилиндра из тугоплавких материалов, изнутри охлаждаемого водой. В изложницу на перемещаемый поддон из загрузочного бункера поступает шихта. По мере расплавления и застывания образующегося в изложнице слитка поддон опускается, на поверхность слитка поступает новая порция шихты и плавка продолжается.
Плавка в дуговых печах с расходуемым или нерасходуемым электродом дешевле индукционной вакуумной плавки, а получаемые сплавы отличаются более высоким качеством.