Вакуумные Дуговые Печи Реферат

      Комментарии к записи Вакуумные Дуговые Печи Реферат отключены

Вакуумные Дуговые Печи Реферат.rar
Закачек 3120
Средняя скорость 2410 Kb/s

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПЕРЕПЛАВЕ И ПОКАЗАТЕЛИ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КАЧЕСТВО МЕТАЛЛА

Вакуумная дуговая печь как металлургический агрегат позволяет осуществить следующие физико-химические про­цессы при расплавлении и затвердевании металла, оказы­вающие большое влияние на качество конечного продукта.

1. Удаление летучих примесей посредством их испаре­ния. Испарение может происходить из твердого электрода во время его нагрева или из расплавленного металла на торце электрода и в ванне. Интенсивность рафинирования зависит от давления и температуры в соответствующей зо­не, а при постоянстве этих параметров — от продолжитель­ности нагрева и плавления электрода. Особенно активно при вакуумной плавке испаряются магний, свинец, мышьяк, олово — их удаление происходит почти полностью. Частич­но испаряются марганец, хром, медь и др.

При расчете материального и теплового балансов плав­ки необходимо учитывать эти процессы и принимать меры по предотвращению испарения в случае, если летучие ве­щества являются компонентами сплава, путем повышения давления в печи.

2. Удаление газов, находящихся в свободном и раство­ренном виде, из электрода, капли и ванны. Глубина ра­финирования зависит от давления в рабочем пространстве, температуры и скорости плавления. Большинство пере­плавляемых в ВДП металлов нуждается в удалении водо­рода, кислорода и азота.

При плавке с расходуемым электродом дегазация воз­можна как из твердой фазы (электрод и слиток), так и из жидкой (пленка расплава на торце электрода, капля и ванна). Дегазация твердого металла осуществляется путем диффузии газов, однако скорость этого процесса чрезвы­чайно мала. Обезгаживание расплава путем диффузии бо­лее вероятно, поскольку коэффициенты диффузии в распла­вах во много раз больше, чем в твердом металле.

Наиболее благоприятные условия для этого процесса создаются на пленке расплава на торце электрода, толщи­на которой составляет 1—2 мм и градиент концентрации значителен.

Существенного перемешивания металла в пленке не на­блюдается, следовательно, конвективный перенос газа с движущимся металлом-, препятствующий диффузии, не происходит. В противоположность этому диффузия газа в ванне маловероятна, так как толщина слоя расплава здесь значительно больше, а скорость движения металла намного превышает скорость диффузии.

Более вероятен выход газа в виде пузырей. Зарождение пузырька обычно происходит на поверхности раздела фаз. Так как гидростатическое давление металла препятствует зарождению пузырька на фронте кристаллизации, наибо­лее благоприятным местом для этого процесса является нижний торец электрода, где это давление отсутствует. Киносъемка процесса плавления электрода с большим га­зосодержанием показывает, что действительно из электро­да интенсивно выделяются пузырьки газа.

Еще одним способом удаления свободных и растворен­ных газов является их перевод в химическое соединение, упругость пара которого значительно выше упругости пара металла. К таким соединениям относятся моноокислы ит­трия, тантала, гафния, тория и др. Упругость паров выс­ших окислов ниже, чем моноокислов, и их испарение мало­вероятно.

При вакуумной дуговой плавке удается добиться почти полного удаления растворенных водорода и азота, а также кристаллизационной влаги, выделяющейся при температуре более 800—900 К. Химически связанные газы могут быть удалены лишь в случае перевода их в газообразное со­стояние. Так, окислы в зоне высоких температур могут вос­станавливаться углеродом с последующим удалением.

3. Удаление неметаллических включении в виде окси­дов, нитридов, карбидов, гидридов, сульфидов и их соеди­нений может в определенной степени происходить на торце электрода вследствие испарения или термической диссоциации. Наиболее благоприятные условия для удаления всех видов включений имеются на поверхности расплава, где включение может находиться достаточно долго, под­вергаясь термической и химической обработке. Термической диссоциации в зоне анодного пятна подвергаются гид­риды, нитрид алюминия, сульфиды [37]. Нераскисленный металл легко раскисляется углеродом с переводом кисло­рода в газообразную окись углерода [38].

Однако поскольку капли, падая с электрода, погружа­ются в ванну достаточно глубоко, необходимы определен­ные условия для всплывания включений на поверхность. Плотность включения должна быть меньше плотности металла, а скорость всплывания — больше скорости наплавления. Например, при первом переплаве титана окисные включения (как правило, кусочки окисленной губки), имеющие большую плотность, чем жидкий титан, быстро опускаются на дно ванны и не успевают раствориться даже при интенсивном перемешивании расплава. По данным большинства исследователей при переплаве стали проис­ходит всплывание включений размером более 15—20 мкм. Более мелкие включения могут коагулировать и всплы­вать в укрупненном виде.

Результаты исследований удаления кислорода и азота в виде неметаллических включений при вакуумном дуговом переплаве на примере стали ШХ-15 приведены в [39]. В частности, подтверждается сам факт, что этот способ удаления является единственно возможным. Установлено, что более полной очистке способствует формирование в ис­ходном металле включений с небольшой плотностью и ма­ксимальной межфазной энергией на границе с металлом (например, высокоглиноземистые включения). Увеличение размеров нитридных включений благоприятствует их уда­лению в процессе переплава.

Некоторые включения, даже попав на поверхность ван­ны, не разлагаются и образуют твердую или жидкую плен­ку шлака. К ним относятся окись алюминия и титана, кар­бид и нитрид титана.

При выплавке стальных слитков на зеркале ванны ча­сто оказываются и крупные (диаметром в несколько мил­лиметров) частицы шлака, попавшие в электрод при его отливке и состоящие в основном из оксидов и нитридов алюминия и титана. Шлаковая пленка примерзает к «ко­роне» и таким образом попадает в тело слитка, образуя подкорковые дефекты. Для уменьшения количества шлака принимают меры по снижению содержания этих видов включений в электроде посредством правильной организа­ции разливки. Кроме того, применяется физико-химическое воздействие на консистенцию и состав шлака добавкой фтористого кальция.

4. Растворение легирующих. В ВДП, как правило, вы­плавляют слитки сложного состава. При переплаве элек­трода легирующие добавляют при изготовлении электрода (выплавке, прессовании, спекании), этим удается достиг­нуть удовлетворительной однородности состава по сечению и длине слитка. При неравномерном распределении леги­рующих в электроде усреднить состав можно только тог­да, когда металл находится в жидком состоянии, например перемешивая его или увеличивая число переплавов.

Однако даже при удовлетворительном распределении всех компонентов в электроде в процессе переплава воз­можно перераспределение их по сечений и высоте слитка— так называемая зональная ликвация, связанная с зависи­мостью растворимости от температуры и избирательным выпадением из раствора компонентов с разной температу­рой плавления. Возможна и сегрегация по высоте слитка компонентов с сильно отличающимися значениями плотно­сти.

При плавке стали и сплавов на хромоникелевой и ни­келевой основах существенной зональной ликвации не об­наружено [33, 34]. При плавке сплавов на основе титана, содержащих такие компоненты, как ΑΙ, Μn, Mo, Сr, весьма сложно получить слиток однородного состава, что объяс­няется не только неравномерностью распределения легиру­ющих компонентов В электроде, но и протеканием ликвационных процессов. Заметная зональная ликвация по сечению слитка наблюдается при содержании легирующего компонента (Мо, Сr, Сu, Ni) более 8% [32]. В центре слит­ка содержание элементов, присутствие которых снижает температуру плавления (V,Cr, Μn, Сu, Fe), увеличива­ется, а элементов, повышающих температуру плавления (Mo, Nb), уменьшается. Это объясняется перераспределе­нием легирующих между жидкой и твердой фазами. На ликвационные процессы влияет также движение расплава вблизи и внутри двухфазной области.

Неоднородность химического состава слитков может возникнуть также в результате испарения легирующих ком­понентов. Например, в слитках титанового сплава ОТ-4 (1,5% Μn) центральная часть имеет пониженное содержа­ние марганца. При выплавке тех же слитков в атмосфере аргона удается, получить равномерное содержание мар­ганца.

Гарнисажная печь позволяет обеспечить большую рав­номерность химического состава, так как в ней одновре­менно весь металл находится в жидком состоянии. Кроме того, в этом агрегате легко осуществить интенсивное пере­мешивание расплава. В гарнисажной печи менее вероятно образование дефектов из тяжеловесных включений, кото­рые выпадают на дно ванны и вмерзают в гарнисаж. Одна­ко после отливки изделия не исключается протекание ликвационных процессов во время затвердевания.

5. Формирование поверхности. Интенсивное испарение и разбрызгивание металла при переплаве приводят к обра­зованию пористого поверхностного слоя, толщина которого зависит от количества конденсата. При втором переплаве некоторых чистых металлов удается добиться почти пол­ного отсутствия конденсата и получить слиток, не нуждаю­щийся в обдирке. Если возможности увеличения мощности дуги не ограничены другими соображениями, то целесооб­разно проводить переплав на форсированных режимах, что способствует повышению температуры в верхней части ван­ны и подплавлению образовавшегося над ней поверхност­ного слоя. При проведении переплава в аргоне при давле­нии (1—2) -10 4 Па, испарение незначительно и конденсат практически отсутствует. Титановые слитки, выплавленные в аргоне, имеют значительно лучшую поверхность, чем слитки, выплавленные при давлении менее 1*10 2 Па.

Некоторое влияние на качество поверхности слитка оказывает длина межэлектродного промежутка. Увеличе­ние ее приводит к образованию выпуклого торца электро­да и смещению тепловыделения к периферии, что может способствовать уменьшению толщины поверхностного слоя. При переплаве на коротких дугах наблюдается обратная картина.

Толщина поверхностного слоя, при прочих равных усло­виях зависящая от мощности дуги, определяет выход год­ного металла и, следовательно, стоимость продукции.

Поверхность изделия, отлитого в гарнисажной печи, за­висит прежде всего от жидкотекучести металла. Жидкотекучесть в свою очередь зависит от степени нагрева распла­ва и равномерности распределения температуры в ванне, т. е. от тепловых и геометрических факторов,

6. Формирование кристаллической структуры. В слит­ке, выплавленном в ВДП, как и в обычном слитке, наблю­даются три зоны: периферийная зона мелких кристаллов, зона крупных ориентированных кристаллов и зона неори­ентированных кристаллов в центральной части.

Значительный тепловой поток, проходящий от зеркала ванны к поверхности раздела фаз, и, следовательно, повы­шенные градиенты температуры перед фронтом кристаллизации создают хорошие условия для формирования дендритной структуры слитка. Для обеспечения высокой плот­ности металла необходима минимальная дендритная неод­нородность, что достигается при небольшой протяженности двухфазной области. При большой глубине ванны градиент температуры перед фронтом мал, а протяженность двух­фазной области велика. Это вызывает быстрый рост дендритов при последующем затвердевании маточного раство­ра, обогащенного примесями. При достаточно малых зна­чениях градиента и расширении зоны переохлаждения мо­гут формироваться и равноосные кристаллы некоторым развитием усадочных и ликвационных явлений, выражен­ных, впрочем, значительно слабее, чем у слитков, отлитых в изложницу. В центральной части крупных слитков наблюдаются в основном равноосные кристаллы, что объяс­няется снижением подводимого и отводимого тепловых по­токов у поверхности раздела фаз. Такая же картина на­блюдается и у небольших слитков, отлитых на повышенных токах, т. е. при значительной глубине ванны.

Вакуумные дуговые печи (ВДП), широко используемые для рафинирующего переплава многих качественных сталей и жаропрочных сплавов, имеют обычно расходуемый элек­трод. Электрическая дуга горит между этим электродом и поверхностью жидкого металла.

По ходу плавки длина электрода непрерывно уменьша­ется вплоть до его практически полного израсходования. Получаемый металл в процессе плавки не загрязняется ни газами, ни неметаллическим включениями, поскольку в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом исклю­чены источники этих загрязнений.

Поскольку поддерживать стабильную дугу в вакууме на переменном токе трудно, то эти печи питаются преиму­щественно постоянным током. Температура дуги сильно за­висит от материала переплавляемого электрода, так как ток дугового разряда протекает здесь через разреженные пары металла. Длину дуги в вакуумных дуговых печах поддер­живают сравнительно небольшой (20 – 50 мм), поскольку ее увеличение может привести к перебросу дуги на стенку водоохлаждаемого кристаллизатора, прожиганию этой стен­ки и взрыву печи. Поддержание требуемой постоянной дли­ны дуги осуществляется обычно с помощью системы авто­матического регулирования.

За счет тепловыделения в дуге электрод нагревается и начинается его оплавление. Капли расплавленного металла стекают с конца электрода, и пройдя зону дугового разряда, попадают в водоохлаждаемый кристаллизатор, где формиру­ется слиток. В верхней части слитка незатвердевший еще ме­талл образует лунку жидкого расплава.

Основные конструктивные элементы вакуумной дуговой печи показаны на рис. 150. Печь состоит из рабочей ка­меры, в которой размещается расходуемый электрод (обыч­но круглого сечения). В каче­стве расходуемого электрода используется металлический стержень, выполняемый из металла или сплава, подлежа­щего рафинирующему пере­плаву. Расходуемый электрод изготовляют отливкой, механической обработкой или ме­тодами порошковой металлур­гии (прессование и спекание порошков). Электрод прикре­пляют к токоведущему под­вижному штоку с помощью электрододержателя или приваривают к торцу зажатого в него огарка. Шток выполнен в виде системы коаксиальных труб с водяным охлаждением и рабочая камера печи так­же имеет водоохлаждаемую рубашку. Шток проходит че­рез вакуумное уплотнение в верхней части рабочей камеры и перемещается с помощью электромеханического (лебедочного или винтового типа) или гидравлического привода. В боковой стенке рабочей камеры предусмотрен патрубок с фланцем для присоединения откачкой (вакуумной) систем. В стенках рабочей камеры выполняются «глядел­ки» для наблюдения за дугой и за перемещением рас­ходуемого электрода, закрываемые стеклами. На каме­ре предусматриваются также предохранительные кла­паны на случай возможного прожигания стенки кри­сталлизатора и резкого увеличения давления паров воды.

К нижней части рабочей камеры (также с использова­нием вакуумного уплотнения) присоединяется водоохлаждаемый кристаллизатор, выполняемый из меди или хроми­стой бронзы. Кристаллизаторы могут иметь либо неподвиж­ный поддон, либо подвижный. При работе печей с непо­движным поддоном кристаллизатора происходит постепен­ное наращивание высоты слитка вплоть до заполнения кристаллизатора, чем и завершается плавка. В печах с под­вижным поддоном осуществляется перемещение поддона на штоке с помощью специального механизма вниз по мере наплавления слитка. Эту схему применяют при переплаве тугоплавких металлов и сплавов на их основе, так как она позволяет обеспечить более высокую степень разрежения в печи (10 -3 – 10 -2 Па). Кристаллизаторы с подвижным под­доном выполняются более короткими, чем с неподвижны­ми. Диаметр кристаллизатора выбирают несколько боль­шим диаметра расходуемого электрода.

Условия кристаллизации в водоохлаждаемом кристал­лизаторе благодаря интенсивному отводу тепла обеспечи­вают высокую степень физической и химической однородно­сти слитка, причем часть слитка, загрязненная всплывшими включениями, обычно составляет лишь незначительную долю его общего объема. При постоянной мощности, выде­ляемой в дуге, устанавливается стационарный режим рабо­ты печи, характеризующийся постоянной скоростью нара­стания слитка в кристаллизаторе. Это также способствует однородности получаемого металла.

В верхней части слитка, где поддерживается лунка рас­плава, металл вплотную прилегает к стенке кристаллиза­тора. Нижняя часть затвердевшего и остывающего слитка вследствие термической усадки постепенно отходит от сте­нок кристаллизатора, и образуется зазор. Нижней частью слиток опирается на поддон.

После завершения плавки проводят развакуумирование рабочей камеры печи и извлекают слиток из кристаллиза­тора. Разработаны различные конструктивные варианты извлечения слитка, из числа которых два получили наиболь­шее распространение:

1. Поддон выполняют съемным, а кристаллизатор постоянно соединен с рабочей камерой печи. В этом случае извлечение готового слитка из кристаллизатора осуществ­ляется снизу путем опускания поддона с помощью установ­ленного под ним гидравлического цилиндра.

2. Кристаллизатор выполняют отъемным от рабочей ка­меры и он опускается, а затем отводится в сторону пово­ротом или откатыванием. При таком варианте обычно ис­пользуются два кристаллизатора: водном ведется плавка, другой подготавливается к работе и тем самым сокраща­ется время на осуществление вспомогательных операций. Хотя при такой схеме и осложняется подвод воды к кри­сталлизатору, она наиболее широко применяется благодаря своей простоте и удобству в эксплуатации.

Вакуумные дуговые печи характеризуются сравнитель­но высоким удельным расходом электроэнергии, что обус­ловлено высокими потерями тепла с охлаждающей водой в кристаллизаторе, штоке электрододержателя, кожухе и других элементах, а также затратами энергии на привод насосов вакуумной системы. Удельный расход тепла со­ставляет 5500 кДж/кг (1,5 кВт×ч/кг).

Основные характеристики вакуумных дуговых печей се­рии ДСВ с глухим кристаллизатором для рафинирующего переплава стали и сплавов на основе никеля приведены в табл. 22.

Эти печи питаются постоянным током от выпрямитель­ных агрегатов типа ВАКП, обеспечивающих ток от 12,5 до 37,5 кА при напряжении 75 В.

Сравнительно высокий расход электроэнергии, большие капитальные затраты, обусловленные необходимостью уста­новки Дорогого и сложного вакуумного оборудования и выпрямителей, а также потери дорогого металла со стружкой (до 20%) при неизбежной обдирке слитков, имеющих не­высокое качество поверхности, — все это делает дуговой вакуумный переплав очень дорогостоящей операцией, оп­равдываемой только при производстве слитков качествен­ной стали, к которым предъявляют высокие требования.


Статьи по теме