Дуговая плавка стали в печах с расходуемым электродом

Дуговая плавка в печах с расходуемым электродом является в настоящее время основным методом промышленного получения циркония, титана и гафния. Применение нерасходуемых электродов, изготовленных из вольфрама или графита, неизбежно сопровождается загрязнением металла материалом электрода. В вакууме лишь водород и хлор могут быть удалены из упомянутых выше высокореакционных металлов.

Этот метод применим и для получения в промышленных масштаба^ стали с малым содержанием неметаллических включений и газов. Сталь, переплавленная в вакуумных печах, обладает большей пластичностью; при ковке повышается выход годного по сравнению с аналогичным по составу металлом, выплавляемым на воздухе. Переплав в дуговых печах является простым и производительным методом, и в связи с расширением масштабов производства стоимость его в будущем, по-видимому, значительно снизится.

Конструкции дуговых вакуумных печей засекречены, поэтому схематично можно представить печь как установку из двух соединенных патрубков. Внутри нижнего патрубка находится водоохлаждаемая медная изложница, а в верхнем размещен электрод. С помощью мощных вакуумных насосов в печи создается разрежение. Электрод соединяется с одним из полюсов генератора, изложница — с другим полюсом. При плавке в вакууме капли нагретого металла непрерывным потоком падают с электрода на слиток; в аргоне металл проходит через зону дугового разряда в виде крупных шариков. Дуговой разряд поддерживается в печи благодаря термической ионизации газа и металлических паров. Скорость плавления в дуговых вакуумных печах намного выше, чем в обычных, и составляет примерно от 6,75 до 33,75 кг/мин при диаметре печи 400 мм. При такой скорости по окончании плавки слиток затвердевает только наполовину. Неправильно было бы представлять себе кристаллизацию слитка слоями, один за другим. Такие металлы, как титан, цирконий, гафний, сталь и другие, обладают очень низкой теплопроводностью, поэтому после образования первичной корки толщиной в несколько десятков миллиметров кристаллизация слитка слоями прекращается. Усадка слитка и образование воздушного зазора между стенками изложницы и слитком еще более ухудшают условия теплопередачи. При этом следует учитывать, что скорость охлаждения определяется потоком тепла сквозь слиток, поэтому жидкая часть слитка в процессе плавки принимает все более и более коническую форму. Процесс охлаждения протекает в основном при радиальном отводе тепла и частично при отводе тепла в вертикальном направлении. Этот вид теплопередачи имеет подчиненное значение с момента, когда расстояние между ванной жидкого металла и дном изложницы становится соизмеримым с радиусом последней.

К концу плавки потребление мощности может быть постепенно снижено, чтобы обеспечить дуговой обогрев прибыльной части слитка для уменьшения усадочной раковины. В некоторых промышленных печах используется вращающееся магнитное поле, которое возникает при пропускании постоянного тока через обмотку, намотанную вокруг изложницы. При прохождении тока через обмотку в жидком металле возникает крутящий момент за счет взаимодействия магнитного поля катушки с полем дугового разряда.

Вращение жидкого металла возникает вследствие того, что ток дугового разряда протекает по слитку в радиальном направлении к медной стенке и затем — по поверхности слитка, так как верх слитка и изложница находятся в контакте. Слиток вследствие усадки отходит от медной стенки, за исключением отдельных точек соприкосновения, расположенных на протяжении приблизительно 12 мм. Использование обмотки преследует одну цель — уменьшить размер дендритов в слитке, но вращательное движение металла не всегда улучшает поверхность слитка. В крупных промышленных печах действие этого фактора неизвестно, однако при перемешивании гомогенность металла не улучшается.

В течение последних 5 лет вопрос о магнитном перемешивании как средстве для регулирования процесса кристаллизации поднимался неоднократно, однако введение его в промышленность вызывало ряд трудностей, не оправдывающих цели. В слитках малолегированной стали, переплавленной в вакууме, обнаружены лишь очень небольшие образования крупных дендритов, и поэтому требуется меньшая степень обжатия при горячей обработке для уничтожения литой структуры, чем для металла, выплавленного на воздухе. Например, слиток стали марки 4340, прокованный на круг до 250 лсм из 400 леи, имел те же размеры зерна при более высоких механических свойствах в поперечном направлении, чем такой же профиль, полученный из слитка размером 576 мм, выплавленного на воздухе. Установлено, что это положение справедливо для сталей марок 52 100, 4620 и 4340.

Дендритная кристаллизация быстрорежущей стали, сплавов на никелевой основе и нержавеющих сталей в достаточной степени не изучена. Почти ничего не известно о влиянии дендритной кристаллизации на механические свойства и структуру крупных деталей из титана и циркония.

Все изготовляемые в настоящее время изделия из этих металлов подвергаются двойному переплаву для получения слитка с удовлетворительной степенью однородности. Некоторые сплавы на титановой основе, особенно сплавы титана с марганцем, при плавке в вакууме отличаются значительной потерей марганца за счет испарения. Несмотря на то, что упругость пара марганца при 1700° довольно низкая, все же происходят значительные его потери вследствие перегрева металла в зоне дуги, тем более что давление в печи не превышает 20 мм рт. ст. Марганец испаряется и конденсируется на холодных частях кокиля, затем, по мере наплавления слитка, он частично снова переходит в металл, обогащая поверхностный слой слитка. Так, например, при среднем содержании марганца в сплаве порядка 8% на поверхности слитка он может быть в количестве 14—17%, а в центре — 4—6%, особенно если переплав производится в глубоком вакууме. Подобная неоднородность слитка может быть легко устранена при повторном его переплаве в атмосфере аргона или в вакууме, но при давлении не более 20 мм рт. ст. В этом случае получается абсолютно гомогенный по составу слиток.

Углерод, присутствующий в стали при вакуумном переплаве в заметных количествах, как правило, не удаляется, однако в некоторых случаях, когда содержание углерода достигает 3—4%, имеется некоторая опасность потери углерода при переплаве, но такие стали¹) встречаются крайне редко.

Пока остается также открытым и вопрос о сегрегации карбидов при плавке в водоохлаждаемой изложнице быстрорежущей стали и других сплавов с высоким содержанием углерода и легирующих элементов. Высокоуглеродистые малолегированные стали, как, например, 52 100, не склонны к карбидной сегрегации. При содержании в стали более 1,5% Мп необходимо принимать специальные меры для уменьшения потерь марганца за счет испарения при переплаве в вакууме. Сталь, содержащая менее 2,0% Мп, теряет его в количестве от 15 до 25%; это обстоятельство необходимо учитывать при выборе стали для переплава. Концентрация никеля, хрома, кобальта, ниобия, тантала, титана, алюминия, молибдена, кремния и вольфрама при переплаве в вакууме не изменяется (в отношении вольфрама это не установлено), точно так же как и сегрегация, которая не получает большого развития при переплаве как стали, так и чистых титана, циркония или их сплавов.

Карбиды вольфрама плохо растворяются в металле, и в настоящее время полагают, что ухудшение свойств металла при его легировании ферровольфрамом при плавке на воздухе может быть устранено повторным переплавом в вакууме. В большинстве случаев поверхность слитков почти всех марок стали, а также циркония, титана и гафния вполне удовлетворительна, особенно если учесть, что эта поверхность затвердевает мгновенно или за очень короткий промежуток времени.

При хлоридном процессе, который применяется для получения титана, циркония и гафния, в них остаются следы хлоридов магния и натрия. В первое время, когда титан и цирконий выплавляли из губки, полученной по методу Кролля или путем восстановления натрием, поверхность слитков была очень плохой. Частично это объяснялось низкой плотностью тока при плавлении брикетов титановой губки, а также влиянием хлоридов на дуговой разряд. Какой из этих факторов оказывал решающее значение, сказать трудно. Поверхность стальных слитков, особенно некоторых марок, например 52100, 4340, обладающих высокой склонностью к закаливаемости, была очень хорошей. Действительно, стали 52100, 4340 и им подобные можно было ковать без какой-либо предварительной обдирки, за исключением местной зачистки дефектов на поверхности слитка. Слабо окислительная атмосфера во время ковки предохраняет металл от обезуглероживания, а небольшое количество образовавшейся окалины можно легко удалить.

Можно было бы ожидать, что при плавке в водоохлаждаемой изложнице упомянутых выше металлов и сплавов возникнет ряд серьезных проблем, связанных с вопросами образования трещин и других пороков в слитках, однако оказалось, что это бывает не во всех случаях, включая и быстрорежущие стали, все циркониевые, титановые сплавы и большинство закаливаемых на воздухе инструментальных сталей. Действительно, единственный случай, для которого поверхностные трещины в слитках являются проблемой, — это некоторые суперсплавы (сплавы с повышенными свойствами), которые подвергаются выкрашиванию в горячем состоянии. Вообще говоря, поверхность слитков стали и высокореакционных металлов — титана, циркония, гафния — лучше обрабатывать путем обдирки на шлифовальных кругах.

Иногда предпочитают обдирать слитки на токарных станках, так как в этом случае легко обнаруживаются свищи и другие пороки, однако необходимо заметить, что любой метод обработки определяется главным образом наличием соответствующего оборудования. Слитки не следует никогда обрезать до тех пор, пока они не прокованы или не прокатаны. Несмотря на то, что усадочную раковину можно довольно легко устранить с помощью определенных технологических приемов, небольшие раковины, имеющие диаметр порядка 25 мм, расположенные примерно на 25—30 мм от верха слитка, всегда присутствуют в слитках этих металлов. По мере увеличения размеров слитка отношение площади охлаждения к объему металла уменьшается, в связи с чем затрудняется контроль за образованием усадочной раковины. В процессе свободной ковки под молотом свищи и трещины в слитках титана и циркония хорошо завариваются. При прокатке слитков на обжимных станах сердцевина слитка деформируется в меньшей степени, чем при свободной ковке, поэтому при прокатке на дефекты внутреннего строения слитка необходимо обращать большее внимание, чем при ковке. Резка титана, циркония и гафния все еще стоит очень дорого, несмотря на то, что стоимость конечного продукта из титана упала до 11 долларов за килограмм. В течение последних 10 лет цена этих металлов, по-видимому, будет оставаться очень высокой, поэтому увеличение отходов недопустимо.

Для того чтобы избежать образования пороков в слитке, необходимо найти оптимальный метод переплава каждого сплава, но следует также учитывать и другие факторы, в частности возможность образования включений. Наиболее простой путь получения качественного металла заключается в обрезке прокатанной или прокованной полосы с обоих концов. Резка в горячем состоянии должна продолжаться до тех пор, пока не исчезнут раковины, что, по существу, может означать удаление всех всплывших наверх включений. Потери металла в этом случае составляют минимум 1 % и максимум — 10%. При этом для каждого сплава или для каждой марки стали нужно найти оптимальные условия плавки. Следует отметить как неожиданный факт, что при переплаве в вакууме содержание газов во многих сплавах приближается к равновесному. Парциальное давление водорода при плавке титана и его сплавов составляет примерно 10 мк рт. ст. при содержании его 0,002%, а при содержании водорода 0,005% — около 500 мк рт. ст. В связи с этим можно с большой степенью точности установить содержание водорода в жидком титане. Установлено также, что это соотношение выдерживается и при производстве титана в промышленном масштабе.

Как известно, состояние равновесия может быть достигнуто двояким образом: во-первых, путем насыщения чистого титана водородом при определенном давлении и, во-вторых, путем удаления водорода из титана, насыщенного водородом при том же давлении. Конечное содержание водорода должно быть в обоих случаях одинаковым. Поскольку парциальное давление кислорода над титаном иногда достигает 10—50 или 10—100 мк рт. ст., сам титан создает вакуум значительно лучше, чем какой-либо насос. При плавке титана приобретает большое значение методика обнаружения течи. При достаточно мощной откачной системе в печи может быть достигнуто давление порядка 500 мк рт. ст. даже в том случае, если отверстие, через которое натекает воздух, будет достаточно велико и титан будет насыщаться кислородом и азотом из воздуха. Надежды на возможность удаления кислорода из титана, циркония и гафния за счет образования окиси углерода оказались нереальными.

Дегазация стали является более сложным процессом, чем дегазация тугоплавких металлов: только водород удаляется легко. В малоуглеродистых сталях, не содержащих алюминия или титана, углерод, содержащийся в стали, взаимодействует с кислородом и окислами с образованием окиси углерода, которая откачивается из системы. Парциальное давление азота в этих условиях выражается заметной величиной, поэтому в процессе дуговой плавки его необходимо удалять. Реакция образования окиси углерода, по-видимому, достигает равновесия в вакуумной дуговой печи. Для уточнения вопроса о дегазации стали в больших и малых дуговых печах было исследовано свыше 20 плавок низколегированных сталей.

На фиг. 1 представлены результаты непосредственных измерений давления в печи без учета увеличения давления в дуге в связи с ограниченным пространством для прохода газа между дугой и измерительным устройством.

Если ввести поправку, учитывающую ограниченную площадь прохода газа между электродом и тиглем, то содержание газа будет примерно соответствовать значениям, обычным для сталеплавильной практики.

Было бы убедительным при определении равновесия провести опыт и установить, достигается ли одна и та «же растворимость кислорода в металле, когда окись углерода вводится в свободный от газов металл и в случае, когда из металла удаляется СО.

Предположение о достижении равновесия по ходу плавки очень удобно, так как можно предсказывать направление протекания реакции с участием газообразных компонентов. Это позволяет также определить мощность и производительность насосов. В присутствии алюминия и титана картина усложняется: эти элементы сильно снижают парциальное давление окиси углерода в жидкой стали. Окись алюминия может восстанавливаться углеродом, но для этого необходимы очень низкие давления, если желательно получить то же содержание газа. Хром, растворенный в стали, понижает активность углерода и кислорода, что в свою очередь уменьшает величину давления, необходимого для снижения содержания кислорода.

При переплаве в вакууме малоуглеродистых хромистых сталей или сплавов типа А-286 недостаточно понизить содержание углерода для заметного выделения газов. Влияние газов, выделяющихся при обезуглероживании металла, на общее количество газов, проходящих через вакуумные насосы при переплаве таких сплавов, как А-286, очень заметно. Вакуумные насосы во время переплава можно было бы выключить, если бы не было натекания. С другой стороны, в низколегированных сталях 52100, 4340 или 4620, раскисленных алюминием, содержание газов уменьшается в процессе переплава в вакуумных дуговых печах, так как давление, создаваемое в печи, вполне достаточно для очищения стали от растворенных газов. Однако в США пока имеется лишь несколько печей, которые позволяют поддерживать в рабочем пространстве разрежение в пределах 20 мк рт. ст. или ниже.

Переплав в вакуумных дуговых печах применяется также и для удаления хлоридов из циркония и титана. Хлориды магния и натрия не откачиваются насосами, а конденсируются на холодных частях установки, а также в вакуумпроводе. Губка может содержать до 0,5% хлорида магния, который распределяется вокруг зерен губки. Хлориды магния и натрия, которые конденсируются на холодных частях установки, отличаются высокими влагопоглощающими свойствами, поэтому как только печь открывают, хлориды абсорбируют значительные количества влаги из воздуха. Их весовое количество в связи с этим может удвоиться. Если не принять соответствующих мер, то значительная часть воды может снова перейти во время плавки вместе с хлоридом в титан или цирконий. Вода, попадая в металл, разлагается на кислород и водород, причем последний выделяется при нагреве в вакууме, а кислород, напротив, остается в металле. Даже в течение непродолжительного периода плавки, который занимает всего несколько минут, содержание кислорода в металле может заметно возрасти.

Важной, но пока нерешенной проблемой при переплаве стали является десульфурация стали, выплавленной на воздухе. В процессе переплава в вакууме низкомарганцовистой стали содержание серы снижается с 0,015 до 0,013%, в то время как отпечаток на серу слитка показывает весьма значительное изменение содержания серы. В настоящее время все же лучше всего переплавлять металл с заведомо низким содержанием серы. Неметаллические включения в стали, в частности нитриды титана, глинозем и силикаты, а также различные окислы глобулярной формы всплывают в процессе плавки. Некоторые из этих включений могут быть обнаружены в виде шлака в верхней части слитка. Например, при переплаве высокохромистых сталей одним из доказательств всплывания включений является появление в верхней части слитка пленки окислов хрома, которая, как известно, обладает характерным зеленым цветом.

Сталь, переплавленная в вакуумных дуговых печах, уступает по чистоте металлу, полученному в индукционных вакуумных печах, но плавка в дуговой печи позволяет постоянно, от плавки к плавке, получать чистый металл, значительно лучший, чем самые отборные плавки на воздухе.

Двойной переплав стали в вакууме вполне обоснован; такой переплав титана и циркония производится регулярно, причем стоимость его невысока. Сталь, выплавленная на воздухе и обладающая какими-либо дефектами, может быть дважды переплавлена в вакууме с целью получения здорового слитка; при этом его структура получается лучшей, чем у металла высшего качества. В нижеследующей таблице сравнивается содержание газов, степень чистоты по шкале JK и другие характеристики стали 4340, выплавленной на воздухе, после первого и второго переплава в вакууме. Данные, приведенные в таблице, имеют обобщающий характер, поскольку сравнивается не одна и та же плавка в процессе ее передела, а различные плавки.

Сравнение свойств стали 4340, выплавленной на воздухе и после повторного вакуумного переплава

(Таблица составлена по данным 4 плавок)

Несмотря на улучшение свойств стали после двойного переплава в вакууме, до промышленного применения этого метода еще далеко. Более полные данные для стали 4340 получены фирмой «Элиджени луд-лум» на слитках крупного сечения. Установлено, что после переплава в вакууме наблюдается значительное улучшение механических свойств.

Для того чтобы получить высокое качество металла и после первичного переплава в вакууме, следует работать с электродами, обладающими достаточной степенью чистоты. Необходимо принимать во внимание, что марганец в процессе плавки в вакууме испаряется; следует также стремиться к минимальному содержанию серы в электродах.

Наиболее важной особенностью переплава в вакууме является то обстоятельство, что окислы, силикаты, нитриды алюминия и титана, а также другие включения перераспределяются в процессе переплава либо частично всплывают (флотируются).