HomeСталь, сплавы › Получение слитков методом плавки

Получение слитков методом плавки

Получение слитков методом плавкиПлавку тугоплавких металлов проводят в вакууме или в среде инертных газов, получая расплав металлов или сплавов высокой химической чистоты, так как при плавке в вакууме не только обеспечивается защита от загрязнения, но и происходит рафинирование металла.

 

В результате плавки в вакууме повышается пластичность и существенно улучшаются другие физико-механические свойства металлов. В настоящее время освоены и осваиваются в промышленном масштабе вакуумная индукционная плавка, электродуговая, электроннолучевая, зонная и плазменная плавки.

 

Индукционная плавка. Наибольшее распространение получила вакуумная индукционная плавка в тигле с индуктором, расположенным в вакуумном пространстве.

Этот метод в настоящее время применяют для выплавки металлов с температурой плавления ниже 2000° С. Выплавку вольфрама, молибдена, ниобия и тантала в таких печах не производят, так как для этих металлов термостойкость материала тигля недостаточна.

 

Металлы платиновой группы, а также сплавы на основе хрома плавят в индукционных печах в вакууме или в среде инертных газов. В качестве материала для тиглей используют А1203, BeO, Th02 или Zr02. В процессе индукционной плавки происходит интенсивное перемешивание объема расплавленного металла, что в сочетании с регулированием степени вакуума во время плавки способствует получению слитков с более равномерным составом и структурой.

 

Известны методы индукционной плавки во взвешенном состоянии. В этом случае расплавляемый образец размещают между двумя близко расположенными индукторами и силы электромагнитного поля поддерживают металл во взвешенном состоянии, а индуктируемые в металле токи расплавляют его. Однако удержать металл во взвешенном состоянии представляет определенные трудности, так как он принимает форму суммарного магнитного поля и удерживается лишь силами поверхностного натяжения, поверхностной пленки и магнитным полем.

 

Этот метод находится в стадии лабораторных исследований и пока не получил промышленного развития. Представляет интерес капельная плавка с индукционным нагревом. При этом методе вертикальный стержень расплавляемого металла помещают в индукционную катушку и по мере расплавления перемещается или стержень или катушка, а капли расплавленного металла попадают в медный охлаждаемый кристаллизатор.

 

Однако в этом случае трудно добиться стабильности процесса, так как диаметр переплавляемого стержня изменяется и фокус магнитного поля перемещается вверх на первоначальное сечение, что может привести к отрыву не расплавившихся кусочков металла. Как правило, слитки при этом методе получаются недостаточно плотными.

 

Электродуговая плавка

В настоящее время плавка большинства тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, ниобия, тантала, титана, циркония и др.) и сплавов на их основе широко освоена в промышленных масштабах в вакуумных электродуговых печах.

 

Этот метод выплавки обладает большими преимуществами, а именно:

а) отсутствует загрязнение металла материалом тигля и атмосферными газами и создаются условия для очистки металла от летучих примесей;

б) обеспечиваются благоприятные условия кристаллизации слитка, при которых загрязнения и включения обычно сконцентрированы в верхней части и на поверхности слитка;

в) уменьшаются потери металла (при отрезке головной части слитка), так как усадочная раковина при правильном подборе электрического режима может быть сведена к минимуму;

 

г) обеспечивается универсальность процесса, позволяющая использовать его для плавки металлов и сплавов, обладающих самыми различными физическими свойствами.

Различают два вида электродуговой плавки: с не-расходуемым и расходуемым электродами.

 

В качестве катода применяют водоохлаждаемый стержень, изготовленный из вольфрама или графита; стержень не плавится, а создает дугу, необходимую для плавки шихты, помещаемой или подаваемой в кристаллизатор, состоящий из водоохлаждаемой плиты с лунками для кристаллизации металла. Не нарушая герметичности печи, можно выплавить несколько слитков, к тому же слитки можно при помощи специального стержня1 перевернуть и затем переплавить второй раз.

 

На дуговых печах с нерасходуемым электродом выплавляют небольшие слиточки массой 50-130 г, диаметром 25 — 35 мм и высотой 8- 15 мм. В качестве защитной атмосферы, а также для создания минимально допустимого давления не менее 13,3 кн/м2 (100 мм рт. ст.), обеспечивающего стабильное горение дуги, применяют водор.од (для плавки вольфрама и молибдена), аргон или гелий (для ниобия и тантала).

 

Существенный недостаток метода дуговой выплавки, с нерасходуемым электродом состоит в том, что переплавляемый металл может быть загрязнен продуктами этого электрода за счет его некоторого опдавления или выделения из него примесей. Очистки же металла от примесей почти не происходит вследствие высокого давления газов в печи. Печи с нерасходуемым электродом в настоящее время для промышленных целей не применяют и используют главным образом в лабораторных условиях.

Наиболее широкое применение в промышленности получили вакуумные электродуговые печи с расходуемым электродом. Существует несколько конструкций вакуумных дуговых печей с расходуемым электродом, но принцип их действия один и тот же: электрод, изготовленный из расплавленного металла или сплава, оплавляется в электрической дуге, а образующийся жидкий металл в виде капель стекает в охлаждаемый кристаллизатор, где и происходит формирование слитка.

 

Агрегат состоит из следующих основных элементов: вакуумной плавильной камеры, механизма подачи электрода, кристаллизатора, механизма вытяжки слитков, вакуумного блока, электрического оборудования.

 

Плавильная камера представляет собой цилиндрический или прямоугольный стальной кожух. Рабочие камеры промышленных печей большой мощности имеют охлаждаемые водяные рубашки. Расходуемый электрод изготовляют из переплавляемого металла и крепят к штоку, имеющему водяное охлаждение. Шток вводится в печь через верхние втулки с подвижным вакуумным уплотнением.

 

Кристаллизатор представляет собой цилиндрический медный кожух с водоохлаждаемой рубашкой. Применяют два типа кристаллизаторов: глухие (глубокие) на полную высоту слитка и низкие, проходные, через которые вытягивают слитки. На кристаллизаторе размещают соленоид для фокусировки дуги и перемешивания металла в ванне.

 

При плавке в глубоком кристаллизаторе слиток образуется непосредственно в кристаллизаторе, а зона плавления непрерывно перемещается; при вытягивании же слитка расплавленная зона фиксирована в верхней части кристаллизатора, а слиток вытягивается из него вниз в соответствующую камеру. Для вытяжки слитков из кристаллизатора применяют специальный механизм.

 

Вакуумные электродуговые печи оборудованы мощными вакуумными системами с целью обеспечения остаточного давления в печи порядка 13,3-1,33 мн/м2 (Ю-4-Ю-5 мм рт. ст.). Производительность откачных систем в мощных промышленных печах достигает 20- 40 м3/сек (20000-40000 л/сек).

 

При плавке металлов в вакуумных электродуговых печах происходят следующие процессы: плавление металла; удаление газовых летучих примесей; диссоциация неустойчивых соединений при высоких температурах в вакууме; конденсация летучих компонентов в более холодных участках печи или удаление их из печного пространства; восстановление и раскисление металла; кристаллизация металла.

 

При разрядке в дуговом промежутке возникает дуга, в которой происходит расплавление электрода переплавляемого металла или сплава. Кристаллизация слитка происходит одновременно с плавлением электрода. По мере расплавления происходит автоматическая подача электродов. Постоянство дуги достигается регулировкой\’от устройства, реагирующего на изменение падения напряжения при изменении длины дуги.

 

Нестабильность дуги может привести к нарушению непрерывности роста столбчатых кристаллов в слитке, а это вызывает в свою очередь образование дефектов в виде очагов напряжений в местах скопления примесей, что приводит к разрушению слитка во время деформации.

 

Следовательно, при плавке металлов в вакуумных дуговых печах необходимо выбирать такую силу тока (плотность тока), которая обеспечивала бы не только расплавление металла, но и сохранение его в течение определенного времени в жидком состоянии. При этом создаются благоприятные условия для дегазации металла и его перемешивания при воздействии электромагнитного поля соленоида.

 

В зависимости от силы тока и числа витков в соленоиде изменяется форма дуги и степень перемешивания металла. Перемешивание способствует всплыванию неметаллических примесей, более равномерному распределению легирующих добавок и измельчению зерна в слитках. Очистка тугоплавких металлов от газов, неметаллических и металлических примесей происходит, главным образом, за счет диссоциации соединений, испарения и удаления примесей.

 

Эффект удаления примесей зависит от их содержания в металле. Чем больше содержание примесей, тем больше степень рафинирования; при малом же содержании примесей рафинирования практически не наблюдается, что видно на примере ниобия. Повысить степень очистки переплавляемого металла можно за счет введения химически активных добавок. Как показывают исследования, глубина вакуума имеет большое значение при выплавке ниобия и тантала в виде пластин, проволок или порошка вводят в электрод или в жидкую ванну расплавленного основного металла.

 

В настоящее время в России и за рубежом выплавляют сравнительно крупные слитки из тугоплавких металлов или сплавов на их основе диаметром от 70 до 300 мм и массой до 1500 кг.

Условия и наиболее часто применяемые режимы плавки тугоплавких металлов и сплавов на их основе в вакуумных электродуговых печах приведены ¦ в табл. 12 и 13.

Структура слитков тугоплавких металлов, выплавленных в электродуговых печах, зависит от режимов плавки, присутствующих в металле примесей, легирующих добавок и условий охлаждения. Обычно слитки, выплавленные в электродуговых печах в водоохлаждае-мые кристаллизаторы, имеют грубую столбчатую структуру. При этом чем больше температура плавления тугоплавкого металла, тем больше перепад температуры при охлаждении и тем больше размеры образующихся кристаллов.

 

Размеры кристаллов, особенно вольфрама и молибдена, могут достигать нескольких сантиметров в поперечном сечении и в длину. С повышением содержания примесей получаются более мелкие зерна в слитке. Наличие значительного количества примесей кислорода, азота и углерода также оказывает существенное влияние на характер микроструктуры слитков тугоплавких металлов.

 

Микроструктура слитков ниобия различной чистоты показана . С увеличением содержания примесей внедрения в металле могут образовываться карбиды, нитриды, оксиды, карбонитриды или другие сложные соединения, вызывающие понижение пластичности металла.

 

Следует отметить, что нередко в слитках возникают большие внутренние напряжения и образуются трещины, что объясняется температурным перепадом между жидким металлом и охлаждаемым кристаллизатором. На появление трещин также влияют примеси внедрения, особенно это относится к вольфраму и молибдену.

 

Существенный недостаток процесса выплавки в электродуговых вакуумных печах состоит в низкой дегазации (рафинировке) металла. Причинами этого являются, во-первых, непродолжительное время нахождения металла в расплавленном состоянии при относительно большой скорости плавления (ограниченная возможность регулирования) и, во-вторых, сравнительно высокое остаточное давление газов над расплавом 13,3- 1,33 н/м? (10-1-Ю-2 мм рт. ст.).

 

Поэтому качество получаемого после расплавления металла зависит прежде всего от чистоты переплавляемой шихты. В промышленных условиях находятся в эксплуатации комбинированные агрегаты, в которые входят печи, а также машины для прессования, спекания и плавки. В настоящее время за рубежом на таких комбинированных печах выплавляют слитки молибдена диаметром 305 мм и массой до 1500 кг со скоростью 7,3- 9,1 кг/мин.

 

Дальнейшим развитием метода вакуумной дуговой плавки является гарниссажная плавка, позволяющая получать слитки с равномерным химическим составом и мелким зерном. Название «гарниссаж» относится к твердому слою металла, который соприкасается с охлаждаемым водой тиглем и содержит жидкий металл. Так как гарниссажная корка и расплавленный металл состоят из одного и того же материала, загрязнения не происходит.

 

Плавление шихты производится с нерасходуемым электродом или в комбинации, в которой за плавкой с нерасходуемым электродом следует плавка с расходуемым электродом. Основной недостаток процесса состоит в том, что трудно создать необходимый перегрев расплавляемого металла для обеспечения хорошей жидкотекучести. Этим методом были получены небольшие слиточки ниобия и тантала массой 2-3 кг.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.