Спецэлектрометаллургия сталей и сплавов

Рис. 37. Схема расположения некоторых дефектов слитка ВДП: I - корона; 2 - послойная кристаллизация; 3 - светлый контур.

 

Появление в слитке ВДП  светлого контура вызывается длительной  остановкою затвердевания за счет интенсивного поступления перегретого жидкого металла в ванну. В этом случае на вертикальном фронте затвердевания создаются благоприятные условия для обеднения твердой фазы ликвирующими примесями (углерод, сера). С учетом изменения химического состава стали в светлой полосе и одновременного ухудшения структуры осевой зоны слитка (появление рыхлости), образование светлого контура в металле ВДП считается нежелательным и его стараются предотвратить оптимизацией и стабилизацией электрического режима.

Рис. 38. Влияние величины тока дуги и диаметра кристаллизатора на образование дефектов структуры в слитках конструкционной стали при ВДП.

 

Оптимальный ток дуги составляет 150-200 А на 1 см диаметра кристаллизатора (рис.38). При очень высокой, скорости переплава (большой величине тока дуги) в слитке ВДП образуются грубая зональная сегрегация и осевая физическая неоднородность.

 

 

7.7. Качество и сортамент металла ВДП

 

 Содержание серы и фосфора в слитке ВДП мало отличается от исходного состава переплавляемого электрода. В процессе переплава происходит дегазация металла, испарение отдельных компонентов сплава, раскисление металла и удаление неметаллических включении. Снижение концентрации газов составляет: водорода - на 70 - 90 %, азота на 40 - 50 %, кислорода - на 60 – 70 %. Значительно уменьшается содержание неметаллических включении, они становятся мельче и более равномерно распределены в матрице. При ВДП из металла путем испарения успешно удаляется свинец, в меньшей степени цинк, висмут, кадмий, сурьма и в незначительно количестве - олово. Слитки,  кристаллизующиеся в водоохлаждаемом кристаллизаторе, более однородны по химическое составу и макроструктуре.

Жаропрочные стали  и сплавы. Повышается технологическая пластичность, увеличивается выход годного металла при ковке и прокатке слитков, увеличивается жаропрочность, уменьшается анизотропия пластических свойств, снижается разброс служебных характеристик.

Нержавеющие стали. Повышается технологическая пластичность, что очень важно для получения труб. Улучшается сопротивление коррозии, повышаются механические свойства.

Конструкционные стали. Уменьшается анизотропия механических свойств, повышается пластичность, надежность в работе,  увеличивается хладостойкость. Кроме того, снижается число внутренних дефектов, выявляемых ультразвуковым контролем, улучшается свариваемость, устраняются дефекты, связанные с образованием флокенов

Подшипниковые стали. Главная задача ВДП этих марок стали состоит в значительном снижении неметаллических включений. Это приводит к повышению надежности и долговечности работы  подшипников качения, ресурс работы которых увеличивается в 1,5 - 2,0 раза.

Таким образом,  ВДП оказывается исключительно важным при производстве сталей разного назначения для тех отраслей промышленности, где предъявляются наиболее высокие требования к надежности и специальным свойствам стали.

Преимущества металла  ВДП состоят в высокой однородности химического состава и структуры по всему объему слитка, отсутствии грубых загрязнений, высокой чистоте по содержанию газов и неметаллических включений.

 

 

8. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПЕРЕПЛАВ

Электронно-лучевая  плавка нашла широкое применение как метод получения особо чистых металлов и сплавов в вакууме. По сравнению с традиционными способами вакуумной металлургии (вакуумная индукционная плавка, вакуумный дуговой переплав) ЭЛП позволяет получать металлы и сплавы с более низким содержанием вредных примесей, в результате чего существенно улучшаются их физические и механические характеристики, повышается надежность и долговечность изготавливаемых из них изделий.

 

8.1. Нагрев и плавление металла электронным лучем

Разогретый  до высокой температуры металл испускает часть электронов (эмиссия). Если поместить разогретый катод в вакуум и создать электрическое поле высокого напряжения между катодом и нагреваемым объектом (анодом), то электроны в таком электрическом поле на пути от катода к аноду будут разгоняться электрическим полем до очень больших скоростей и приобретать высокую энергию. При встрече с поверхностью нагреваемого металла происходит резкое торможение движущихся с большой скоростью электронов и превращение кинетической энергии их движения в тепловую. Поток электронов в электрическом поле называют электронным лучем. Нагрев электронным  лучем можно осуществить только в вакууме, который необходим для предотвращения потери энергии за счет столкновения электронов с молекулами газов.

Скорость движения электронов (V) зависит от ускоряющего напряжения    (U):

U, вольт 1000 10000 30000

V, м/с 2*10 ⁷ 6*10 ⁷ 10 ⁸

Мощность  потока ускоренных электронов:

Сила тока электронного пучка  (   ) связана с величиной ускоряющего напряжения   ( U ) соотношением:

где К - так называемый первеанс, или полная проводимость электронного пучка, которая для конкретной электронно-оптической системы является постоянной величиной.

При столкновении ускоренных электронов с поверхностью нагреваемого металла они проникают внутрь на некоторую величину . Это значение максимальной глубины проникновения электрона, в конце которой его энергия уменьшается до нуля, равно:

где   А, и Z   - соответственно атомная масса, плотность и порядковый номер элемента, представляющего нагреваемый объект.

Например, для  железа:

где    - в мкм, a    U - в вольтах. (Если     U = 30 кВ, то = 3 . 10^-9 (30 . 10³)²= 2,7 мкм)

Для других металлов, величене    имеет следующие значения (относительно величины   для железа)

Металл               F_e        N_i        Сr       Си.       Al       W        Та

         1,00    0,85     1,10    0,88    2,80    0,48     0,54

Таким образом, при нагреве  различных металлов электронным  лучем источник  тепла находится  в самом нагреваемом объекте - в поверхностном слое толщиной  . Передача тепла в объем металла осуществляется теплопроводностью или конвекцией ( если металл -жидкий).

Однако, не вся  мощность электронного луча преобразуется  в теплоту. Потери энергии электронного луча происходят как на пути следования его от катода к нагреваемой поверхности, так и непосредственно при торможении электронов в поверхностном слое металла. В результате, только от 60 до 95 % энергии электронного луча преобразуется в теплоту.

Следует отметить, что при столкновении электронов с поверхностью металла часть их кинетической энергии расходуется на возбуждение рентгеновского излучения. Обычно мощность рентгеновского излучения не превышает 0,5% мощности пучка электронов. Однако это излучение представляет биологическую опасность. Поэтому рабочая камера установок ЭЛП имеет защитный кожух из металла толщиной 20-40 мм, а ускоряющее напряжение ограничивается значением 35-40 кВ.

Энергия отраженных электронов воспринимается стенками камеры установки ЭЛП. Ток, обусловленный этими процессами, достаточно большой и достигает сотен ампер. Поэтому металлические части установок ЭЛП должны быть надежно заземлены.

8.2. Устройство электронных плавильных установок

Формирование  направленного потока электронов в  установках ЭЛП происходит в высоковольтной диодной системе с эмитирующим электроны нагретым катодом. Эта система может быть выполнена по двум схемам: без ускоряющего анода (рис. З9 а) и с ускоряющим анодом (рис.39 б).

 

 

 

Рис.39. Схема электронных плавильных установок: без ускоряющего анода (а) и с ускоряющим анодом (б):      I - катод; 2 - фокусирующий электрод; 3 - нагреваемый материал; 4 - ускоряющий анод; 5 - фокусирующая линза

 

Установки ЭЛП с кольцевым катодом.

Эти установки  относятся к первому типу, т.е. без ускоряющего анода. Источником электронов в этих установках (рис.40) является кольцо из вольфрамовой проволоки, нагреваемое от  специального трансформатором

 

 

Рис.40.  Электронная плавильная установка без ускоряющего анода с одним кольцевым катодом: I - кольцевой катод; 2 - переплавляемый электрод; 3 - экран; 4 -водоохлаждаемый кристаллизатор; 5 -ванна жидкого металла на наплавляемом слитке

 

 

 

 

Для увеличения эмиссии электронов в состав вольфрамовой проволоки обычно вводятся РЗМ, например лантан. Между катодом и оплавляемым электродом, катодом и ванной прикладывается ускоряющее напряжение, В электрическом поле высокого напряжения формируется поток электронов ("луч"), направленный на электрод и ванну. Достоинством такой установок является простота конструкции и более высокий к.п.д. - расход электроэнергии на 10-15 % меньше, чем в установках других типов. Поскольку знак (+)  источника напряжения подсоединен к самому металлу, отмечается меньшее отражение электронов (они притягиваются электродом и ванной). Такие установки еще называют печами автоэлектронного нагрева.

К недостаткам  установок с кольцевым катодом  относятся следующие:

• из-за близкого расположения катода и значительного испарения от плавящегося металла часто возникает "пробой" электродного пространства с возникновением дугового разряда, что ограничивает мощность установки и диапазон давлений остаточного газа (обычно не белее 10^-2Па);
• близость жидкого металла к катоду вызывает попадание паров металла на разогретый катод и снижение эмиссионной  способности катода и его стойкость.

 

8.3. Установки ЭЛП с радиальными пушками.

 

В отличие  от установок с кольцевым катодом, в этих установках катод представляет собой не единое кольцо, а состоит из нескольких устройств для формирования электронного луча, называемых электронными пушками. Они расположены по окружности (рис.41).

Катод в этих установках имеет посторонний подогрев. Ускоряющий электрод (анод) имеет узкую щель для прохождения электронного луча, благодаря чему попадают катодное пространство отделено от плавильного, и на катод не попадают брызги  и пары металла, а также газы.

 

 

Рис.41. Электронная плавильная установка с радиальными пушками и вспомогательной магнитной фокусировкой: I - катод; 2 - ускоряющий анод; 3 - кристаллизатор; 4 - наплавляемый слиток; 5 - переплавляемый электрод; 6 -система магнитной фокусировки

 

  Устраняется также  возможность возникновение дугового разряда, что увеличивает срок службы катода.

Для увеличения надежности используют отклонение электронного луча магнитной системой на угол до 60°. Помимо устранения прямого попадания паров и брызг металла на электроды, применение магнитного отклонения луча расширяет   технологические возможности установки, т.к. изменяя угол отклонения луча можно на одной и той же установке выплавлять слитки различного диаметра. Наличие в этих условиях  катодов имеет ещё и то преимущество, что при выходе из строя одного из них можно продолжать плавку на оставшихся. Однако, большое число катодов усложняет обслуживание установки, поэтому обычно ограничиваются 3-4 катодами.

8.4. Установка ЭЛП с аксиальными пушками

В установках с радиальными пушками формируется  плоский электронный  луч. Стремление сделать электронную пушку независимой от плавильного объеме привело к созданию установок с аксиальными пушками, в которых формируется цилиндрический или конический луч (рис. 42.).

Аксиальные  пушки имеют автономную вакуумную  систему, обеспечивающую в зоне формирования электронного пучка необходимое низкое давление (от 10^-4 до10^-3    Па). Ввиду большой мощности источника электронов основной излучающий катод (10) нагревается потоком электронов от вспомогательного накального катода (9) небольшой мощности.

Поверхность основного  катода вогнутая, что обеспечивает получение сходящегося электронного луча. Для получения сравнительно тонкого луча, проходящего через диафрагму (6), отделяющую электродное пространство от плавильного, аксиальные пушки имеют систему магнитной фокусировки электронного пучка (4,5), которая концентрирует электроны в единый луч.

 

 

Рис.42. Устройство аксиальной пушки:                                                  I – электронной луч;                      2,3 - электроды со специальной формой поверхности;                4,5- электромагнитные линзы;           6 - диафрагма;                                    7 – перегородки;                              8-изоляоторы;                                     9 - нагревающий катод;                    10 - основной излучающий катод;        II –вакуумный затвор ;                         12 – основной  затвор;                      13 – электомагнитые катушки для перемещения луча по поверхности ванны.

 

 

 

 

 

Диафрагма (6) и перегородки (7) обеспечивают низкое остаточное давление внутри пушки, независимо от остаточного давления в рабочей камере.