Дегазация металлов в жидком состоянии

Вредное влияние примесей на свойства многих металлов и сплавов хорошо известно. Растворимость газов, окислов, нитридов и гидридов в расплавах выше, чем в твердых телах, в результате чего возможно пересыщение металла газами, которые затем выделяются при охлаждении (главным образом по границам зерен).

Хрупкость включений, выпавших по границам зерен, вызывает, естественно, и хрупкость всего материала в целом. Примерами таких металлов, исключительно чувствительных к наличию примесей, являются титан, цирконий и хром.

Загрязнение титана и циркония кислородом, азотом или водородом вызывает хладноломкость. Хром же чувствителен к загрязнению даже ничтожно малыми количествами кислорода.

В других металлах, как, например, в меди, вредное влияние растворенного кислорода и кислорода, присутствующего в металле в виде соединений, весьма ощутимо при прокатке листа и проволоки больших диаметров. Непреодолимые трудности встречает волочение тонкой проволоки из меди, содержащей кислород. Кислород в сочетании с водородом, растворенным в меди, приводит к так называемой водородной хрупкости меди. В несколько меньшей степени, но также вредно влияют газы на свойства низколегированных конструкционных сталей.

Гудремоя [1] и его сотрудники нашли, что водород, растворенный в металле, выделяется в процессе затвердевания. Выделение водорода приводит к образованию флокенов и излому деталей в процессе эксплуатации вследствие возникновения трещин.

Для упомянутых металлов (титана, циркония и хрома), за исключением меди, обычный процесс плавки не позволяет получить продукт, пригодный для массового применения.

Основываясь на изучении свойств чистых металлов, которые характеризуются высокой химической устойчивостью, Рон [2] сконструировал установку для плавки больших количеств металла в вакууме при давлении 10—50 мм рт. ст. Эти установки появились задолго до начали интенсивного развития вакуумной металлургии, однако их использование для промышленного производства оказалось затруднительным вследствие отсутствия соответствующих вакуумных насосов.

Предпосылкой для успешного и экономичного развития вакуумное металлургии было освоение производства небольших установок, обор дованных контрольно-измерительными приборами и приспособлениями позволяющими производить легирование металла в процессе плавки, регулирование химических реакций, а также непрерывный анализ выделяющихся газов.

На фиг. 1 представлена вакуумная установка, конструкция которой, по-видимому, уже описана в соответствующей литературе.

для того, чтобы константа равновесия не изменялась, должна уменьшаться концентрация углерода или кислорода. Поскольку упругость диссоциаций окислов слишком мала, уменьшение давления не влияет на дегазацию металла, в связи с чем необходимо применять соответствующие раскислители.

Вакуум, по существу, является инертной атмосферой, поэтому плавку можно вести без шлака. Очевидно, целесообразно использовать в качестве раскислителя такие элементы, которые дают газообразный не растворимый в металле продукт, удаляемый насосами.

С этой точки зрения наиболее подходящими раскислителями являются углерод и водород. Почти полное отсутствие растворимости окиси углерода в железе и высокое давление ее пара при точке плавления железа и при более высоких температурах способствуют развитию реакции обезуглероживания. Окись углерода, образующаяся во внутренних частях ванны, поднимается к поверхности металла в виде пузырьков, причем этот процесс получает значительное развитие, если ему не препятствует гидростатическое давление столба расплавленного металла. Растворенные газы, например кислород, азот или водород, благодаря их низкому парциальному давлению внутри газовых пузырьков могут диффундировать через границу раздела металл — пузырек и после достижения поверхности ванны откачиваются.

В процессе плавки металла в тигле давление столба металла вследствие его высокой плотности препятствует образованию газовых пузырьков в достаточных количествах даже в сравнительно неглубоких слоях металла. Вследствие этого важно принять во внимание, что каждое приращение объема плавки часто отражается на поверхности раздела металл — вакуум в течение процесса дегазации. Во всех этих процессах не достигается равновесия, так как время реакции очень мало, а путь диффундирующих элементов слишком велик.

Особое внимание следует уделить рассмотрению реакций между стенками тигля и расплавом, которые имеют место при высоких температурах. Фаст и его сотрудники [5] изучали загрязнение металла материалом тигля в процессе плавки чистого железа в высоковакуумной индукционной печи. В качестве восстановителя и раскислителя применялся водород. Тигли изготовлялись из окиси алюминия и окиси магния.

Кроме того, продукты реакций, которые являются результатом столкновений между атомами металла и молекулами газа в пределах зоны, граничащей с расплавленным металлом, имеют одинаковую вероятность попадания как в жидкий металл, так и в пространство над металлом. На поверхности раздела металл—атмосфера возникает очень тонкий слой окислов, который препятствует реакции между молекулами газа и металла. Этот слой неблагоприятно влияет и на развитие процессов десорбции.

Приведенные выше рассуждения определяют выбор материала тигля. Далеко не все металлы и сплавы можно улучшить путем вакуумной обработки. Иногда приходится наблюдать обратное явление. Часто разрушение деталей возникает благодаря той или иной последовательности добавок легирующих элементов или вследствие их недостаточной чистоты.

Поскольку вакуумная плавка ведется без шлака, образование шлака в процессе плавки также не имеет места. Например, если железо добавляется в качестве легирующей присадки к титану, необходимо тщательно следит^ за тем, чтобы оно было свободно от газов. Титан благодаря высокому сродству к кислороду, азоту и водороду легко взаимодействует с этими газами, и даже последующая дегазация с помощью восстановителей будет невозможной. В случае многокомпонентных сплавов необходимо особое внимание уделять планированию последовательности операций ввода легирующих компонентов и следить за тем, чтобы они имели требуемую степень чистоты.

Только при этом условии можно достичь успеха при вакуумной плавке. Еще задолго до начала систематического изучения механизма реакций при низких давлениях металлурги интересовались проблемой вакуумной плавки. С точки зрения современного состояния науки большая часть концепций того времени была неправильной, однако некоторое предложенное тогда оборудование оказалось весьма удачным. Существует много причин, объясняющих позднее развитие вакуумной металлургии. Металлурги, смело оперирующие с огромными установками, чувствовали себя робко в области физического эксперимента. С другой стороны, физики, как правило, не имели достаточных знаний в области металлургии. Но для решения проблем вакуумной плавки требовался своеобразный синтез знаний. Рон обладал опытом физика и квалификацией металлурга. Следует отметить, что получение металлов и сплавов в вакууме без загрязнений требует создания весьма эффективного оборудования и более совершенных технологических процессов. Как уже упоминалось ранее, вакуумная плавка в некоторых случаях дает металл, имеющий худшие технологические характеристики, чем у металла, выплавленного в обычных условиях.

С другой стороны, имеется значительная группа металлов и сплавов, производство которых и их практическое применение возможно только в случае, если они выплавляются в вакууме. К числу таких металлов, исключительно чувствительных к загрязнению газами, относятся титан, цирконий, молибден, тантал, вольфрам, бериллий и уран.

Быстрое .развитие отраслей техники, связанных с созданием ядер-ных реакторов, газовых турбин, ракетных и авиационных двигателей, требовало разработки новых сплавов с улучшенными характеристиками. Для выплавки таких сплавов возникла необходимость в конструировании и изготовлении специального вакуумного оборудования.

Известно, что одной из главных проблем вакуумной плавки является проблема огнеупорных тиглей. Свойства большинства металлов существенно зависят даже от ничтожно малых примесей газов в металлах. В связи с этим требовалась разработка такого процесса, который исключал бы возможность взаимодействия газов с расплавом [8]. Решение этой проблемы стало возможным в результате применения дуговой плавки принизком давлении. Возникающие трудности при создании соответствующей аппаратуры могут быть преодолены. Особый интерес в настоящее время представляет процесс дуговой плавки в печи с расходуемым электродом. Механизм дегазации в этом процессе примерно следующий. Жидкий металл, отделяясь от электрода, под действием сильного электромагнитного поля распадается на отдельные капли, из которых быстро выделяется газ, благодаря большой поверхности капель и высокой температуре в зоне дуги.

Однако нет никаких возможностей регулировать длительность пребывания жидких капель металла в вакууме, поэтому в большинстве случаев происходит только частичная дегазация металла, так как удаление газов, присутствующих в металле в виде соединений, осуществляется главным образом в результате химических реакций с образованием газообразных продуктов. Практические успехи, достигнутые при дуговой плавке титана, циркония, молибдена и тантала, столь значительны, что этот процесс не может быть заменен каким-либо другим. На фиг. 4 схематически показана конструкция дуговой печи, изготовленной на заводе «Металлверк» в Планзее, а на фиг. 5 представлен ее общий вид. В лаборатории фирмы «Вестингауз электрик корпорейшн» [9—11] разработан другой способ, исключающий взаимодействие футеровки с расплавом. Внутри специально сконструированного индуктора помещаются материалы, имеющие металлическую электропроводность, поддерживаемые во взвешенном состоянии в электромагнитном поле и нагреваемые-токами высокой частоты до плавления, причем жидкий металл имеет форму капли.