Дуговые печи с расходуемым электродом для тугоплавких металлов

За последние 10 лет достигнуты значительные успехи в освоении плавки в дуговых печах с расходуемым электродом многих металлов и сплавов. Усилия металлургов были направлены главным образом на разработку процессов, позволяющих получать значительные количества тугоплавких металлов, пригодных для использования в качестве конструкционных материалов.

Получение больших количеств тугоплавких металлов является в настоящее время одной из важнейших задач техники, так как дальнейший прогресс тепловых двигателей зависит от возможности промышленного получения сплавов, обладающих более высокой температурой плавления, чем железо, никель или кобальт. В частности, в настоящее время уже создано оборудование, позволяющее получать слитки молибдена весом до 1 т.

Особенности процесса

Металл, выплавленный в печах с расходуемым электродом, имеет две характерные особенности, первая из которых заключается в полном устранении такого распространенного дефекта, как осевая пористость, или сегрегация. Второй особенностью является очистка металла в процессе плавки. Получение здорового слитка, удаление примесей, а также возможность производства крупных слитков обусловили широкое развитие этого метода. В настоящее время с помощью дуговой плавки получают не только жаропрочные сплавы, но также и материалы для электротехнической, атомной и других отраслей промышленности.

Определение содержания примесей в процессе дуговой плавки с расходуемым электродом

В этой работе основное внимание будет уделено плавке молибдена в дуговых печах с расходуемым электродом, поскольку этот процесс более применим к молибдену и в меньшей степени к танталу и вольфраму. Вообще вопросам получения литого молибдена посвящено наибольшее количество исследований, если не считать работ, относящихся к плавке титана и железа.

В металлургии тугоплавких металлов основное внимание должно уделяться, во-первых, вопросам получения достаточно крупных (для последующей обработки) слитков и обеспечения требуемых размеров продукции, а во-вторых, очищению металла от вредных примесей.

Выполнение требований в отношении мощности оборудования зависит, в частности, от конструкции дуговых печей, что имеет очень важное значение. Однако в данной статье этот вопрос будет затронут лишь частично. Главное внимание будет уделено методам контроля и регулирования содержания примесей, так как эта задача является основной в металлургии тугоплавких металлов.

Обрабатываемость и эксплуатационные свойства тугоплавких металлов, получаемых методом дуговой плавки, существенно зависят от содержания примесей. Например, прочность молибдена при высоких температурах возрастает с увеличением концентрации углерода на несколько сотых процента, а в случае наличия хотя бы нескольких тысячных долей процента кислорода пластичность молибдена уменьшается.

Для получения тантала, обладающего определенной пластичностью, содержание водорода в нем должно быть ниже 0,01%, а кислорода — 0,03%. Пластичность и обрабатываемость вольфрама также резко уменьшаются даже при наличии небольших количеств углерода или кислорода, но критическая концентрация названных элементов точно неизвестна.

Наконец, следует упомянуть еще одну причину, заставляющую обращать особое внимание на чистоту металла: невозможность получения слитка, обладающего структурой с очень мелким зерном. Следует отметить, что в слитке практически невозможно получить столь же тонкую структуру, как и в металле, изготовленном методами порошковой металлургии.

Литой металл имеет грубую крупнозернистую структуру. Например, в слитке молибдена зерна имеют обычно б—12 мм в диаметре и 50—100 мм в длину. При таких крупных зернах и при относительно малой их поверхности, приходящейся на единицу объема, наблюдается значительная склонность к интеркристаллитному излому.

Весьма малое количество другой фазы, выпадающей по границам зерен во время кристаллизации или несколько позже, резко увеличивает склонность металла к интеркристаллитным трещинам. Это является следствием перехода второй фазы, выпавшей по границам зерен, в жидкое состояние при температуре горячей обработки. Другой возможной причиной увеличения хрупкости является низкое сопротивление скалыванию второй фазы. Эти примеры подчеркивают особую важность чистоты продукта.

Следует отметить, что в большинстве случаев нам неизвестно влияние примесей на свойства металла. Необходимо провести еще много исследований, чтобы установить влияние примесей на свойства и их оптимальное содержание в тугоплавких металлах. Мы располагаем некоторыми данными относительно влияния углерода и кислорода на свойства молибдена. Эти данные говорят о том, что содержание кислорода в молибдене должно быть возможно более низким, во всяком случае менее 0,001%. Содержание углерода может колебаться от 0,005 до 0,05% в зависимости от назначения металла. В частности, для изготовления отдельных конструкций применяют металл, содержащий около 0,05% углерода. Если молибден используется для изготовления тонкой проволоки, содержание углерода должно быть ближе к нижнему пределу, чтобы уменьшить ее обрывы во время волочения и износ фильер.

Содержание углерода связано с содержанием кислорода и определяется развитием реакций в жидкой фазе. Низкое содержание кислорода является желательным для обеспечения хорошей обрабатываемости, поэтому следует стремиться к максимально возможному с точки зрения удовлетворения других требований увеличению содержания углерода. В тех случаях, когда металл используется в электронных устройствах, вакуумных приборах и т. д., основным требованием является низкое содержание газов. Одним из серьезных факторов, влияющих на процесс очищения металла, является ограниченное время протекания процесса. Продолжительность рафинирования ограничивается минимальной скоростью плавки в данных условиях, а эта скорость в свою очередь определяется величиной тока, размерами изложницы, диаметром электрода, давлением и атмосферой, в которой происходит плавка.

В основном скорость плавки определяется необходимостью улучшения поверхности слитка. Низкая скорость плавки, с одной стороны, способствует удлинению периода рафинирования, но, с другой — уменьшается приток тепла для поддержания высокого температурного градиента у стенок изложницы.

Следовательно, существуют веские доводы в пользу более кратковременного процесса рафинирования. Для проведения хорошей очистки металла необходимо:

• 1. Применение очень чистых штабиков, полученных и сохраняемых в вакууме. В соответствии с современными возможностями содержание кислорода в молибденовом порошке можно уменьшить до 0,02%, а предел содержания кислорода в слитке — до 0,0001%. Если содержание кислорода в исходном материале уменьшить вдвое, т. е. до 0,01%, можно снизить расходы на вакуумную систему на 50%.

• 2. Использование откачной системы при плавке с малым натеканием.

• 3. Соответствие производительности откачной системы газовыделению при данной скорости плавки и обеспечение необходимой очистки металла от вредных примесей. (В первом приближении мощность, затрачиваемая на очистку металла, обратно пропорциональна давлению.)

• 4. Правильный выбор диаметра электрода. Его электросопротивление не должно влиять на нагрев. Для надежного регулирования дуги и улучшения теплопередачи в ванну температура электрода должна быть меньше половины температуры плавления металла.

• 5. Последовательное уменьшение скорости теплопередачи для безопасности работы установки (использование полированной поверхности тигля и толстых стенок).

Степень очистки металла в процессе дуговой плавки с расходуемым электродом можно контролировать по материальному балансу плавки. Применительно к молибдену можно допустить, что кислород и углерод удаляются только в виде СО, а азот — в виде двухатомного газа. Для использования материального баланса как средства контроля необходимо знать скорость плавления, состав исходного порошка, состав полученного металла, давление в процессе плавки, а также зависимость давления от скорости откачки вакуумной системы.

Например, при плавке молибдена со скоростью, равной 1,50 кг/мин, содержание кислорода с 0,025% в порошке понизилось до 0,0002% в слитке, в то время как содержание азота уменьшилось с 0,002 до 0,0002%, водорода — с 0,0002 до 0%. Столь значительное изменение содержания газов в металле соответствует скорости выделения смеси СО + N₂ + Н₂ в 33 400 л • мк/сек.

По кривой зависимости скорости откачки от давления получаем, что в этом случае может быть достигнуто разрежение порядка 7 мк рт. ст. Непосредственные измерения показали 5—6 мк рт. ст.

Приведенные выше данные получил Ноэсен в исследовательской лаборатории фирмы «Дженерал электрик». Им также изучено относительное рафинирование в различных ступенях процесса, причем он установил, что при переплавке электрода, содержащего 99,5% Мо (остальное Ti), 79% от общего количества азота удаляется во время спекания электрода, а остальное — из расплава (а также во время дугового разряда); в то же время 90% кислорода удаляется из электрода, а остальное — из расплава. Аналогично, уменьшение содержания углерода из исходных материалов до плавления наконечника электрода составляло 54%, а 17% удалялось при прохождении металла через столб дуги и из расплава.