Термодинамика и кинетика вакуумной индукционной плавки

В течение последних двух десятилетий принципы термодинамики и кинетики широко используются при исследовании и контроле металлургических процессов.

Эти же принципы применяются при вакуумной индукционной плавке для производства металлов и сплавов с повышенными свойствами для авиации, управляемых снарядов, ядерных реакторов и электроники.

Основной целью вакуумной индукционной плавки является получение металлов и сплавов, относительно свободных от газов и летучих примесей. Желаемые результаты достигаются с помощью тщательного выбора сырых материалов, рафинирования металлов в вакууме и предохранения их от загрязнений во время плавки и разливки.

Для контроля процессов рафинирования необходимо знать, какие реакции имеют место при данных условиях плавки и с какой полнотой и скоростью они протекают.

Цель настоящей статьи состоит в том, чтобы на основе использования принципов термодинамики и кинетики, изложенных в работе [1], дать ответ на поставленные вопросы применительно к индукционной вакуумной плавке и сравнить теоретические результаты с практическими. Однако следует подчеркнуть, что имеющиеся данные для количественных расчетов недостаточны.

Приведем краткое описание процесса вакуумной индукционной плавки. На фиг. 1 схематически представлена вакуумная индукционная печь, которая состоит из трех основных частей: загрузочного устройства, корпуса и камеры изложниц (откачная система на схеме не показана). Индуктор, смонтированный для работы в глубоком вакууме, помещен внутри ‘Вакуумного корпуса. Шихта, состоящая из сырых материалов и скрапа металла, выплавленного в вакуумной печи, поступает в тигель через загрузочный бункер и промежуточный лоток. Обычно плавка и рафинирование осуществляются при давлении 1—100 мк рт. ст.

Одна или несколько предварительно подогретых изложниц на плоской тележке вкатываются в печь. По достижении необходимого состава и оптимальной температуры для разливки металл разливают в изложницы, после чего они со слитками удаляются из печи. Печь снабжена двумя небольшими затворами для ввода термопары и устройства для отбора проб. Для определения степени очистки и контроля заданного состава пробы металла из тигля могут отбираться в любое время плавки. При необходимости через загрузочный бункер подают добавки металла. Обычная плавка состоит из трех циклов: расплавления, откачки и добавки легирующих элементов с последующей корректировкой.

В течение первого цикла периодически подгружают добавки металла И постепенно расплавляют основную часть шихты, состоящую из неакт ив-ных металлов и углерода, присутствующего в виде легирующего компонента. В течение этого цикла осуществляется основное рафинирова ние и дегазация. Для регулирования реакции обезуглероживания в печь вводят аргон или уменьшают скорость расплавления.

В период откачки происходит дальнейшая очистка металла с помощью понижения давления до минимального уровня. Последний цикл плавки включает корректировку состава металла добавкой соответствующих материалов и контроль атмосфер ы и температуры. Летучие компоненты металла обычно вводятся в конце п лавки при пониженном давлении аргона. В течение этого периода производятся окончательные анализы и вводятся корректирующие добавки. Три стадии плавки высоколегированной стали в промышленной печи емкостью 1000 кг представлены на фиг. 2.

При открытой плавке источниками загрязнения являются: воздух, шлак, огнеупоры и шихта; при вакуумной плавке металл загрязняется огнеупорами и шихтовыми материалами. Шихта обычно состоит из материалов высокой степени чистоты и лома из металла, выплавленного в вакууме. Содержание газов в сырых материалах, используемых в вакуумной индукционной плавке, показано в табл. 1.

Таблица 1

Содержание примесей в сырых материалах, используемых в вакуумной индукционной плавке

Металлы	Содержание, %
	О	N	н
Железо электролитическое…..	0,074	0,002	0,0036
Хром металлический ……….	0,04	0,07	0,0008
Хром электролитический	0,45	0,037	0,010
Никель монд1) …………….	0,02	0,0012	0,005
Кобальт электролитический	0,0075	0,0001	—
Марганец электролитический	0,05	0,001	0,015
Ванадий металлический (75%) ..	0,50	0,022	0,001
Титан (губка)	0,216	0,06	0,053
Цирконий (губка)………….	0,10	0,08	—
Молибден металлический	0,02	0,009	0,00038

Полученный процессом монд (фирма «Монд никель корпорейшн»).

Количество Углерода, серы, фосфора и остаточного металла меняется в различных партиях поставок сырых материалов, но обычно оно мало. При рафинировании металла основным источником загрязнения в вакуумной индукционной плавке являются огнеупорные материалы тиглей, разливочные огнеупоры и другие огнеупоры печи, соприкасающиеся с металлом. В дальнейшем будет показано, что наличие огнеупорных материалов ограничивает чистоту металла, которую можно было бы получить при вакуумной индукционной плавке. Рафинирование при такой плавке осуществляется диссоциацией, раскислением, дегазацией и испарением. Действие каждого из этих процессов, а также десульфурации будет описано ниже.