Ковшевое вакуумирование неэффективно
при обработке полностью раскисленной стали
и больших масс металла. В этом случае
вследствие слабого развитии реакции
С + О = СО металл кипит вяло. Для улучшения
дегазации стали вакуумную обработку
металлов в ковше совмещают с продувкой
его аргоном и электромагнитным перемешиванием.
Обычно дегазацию металла в ковше проводят
в течении 10-15 мин. Более длительная обработка
приводит к значительному снижению температуры
металла.
Парционное и циркуляционное вакуумирование стали
применяют при дегазации больших масс
металла.
При парционном вакуумировании футерованная
вакуумная камера небольшого объема помещается
над ковшом с жидким металлом. Патрубок
камеры, футерованный изнутри и снаружи,
погружен в жидкий металл. Под действием
атмосферного давления порция металла
(10 - 15 % от общей массы) поднимается в камеру
и дегазируется. При движении ковша вниз
или камеры вверх металл вытекает, а при
обратном движении вновь поднимается
в камеру, для полной дегазации стали необходимо
провести от 30 до 60 циклов вакуумной обработки.
При циркуляционном способе вакуумирования стали
применяют вакуумную камеру с двумя патрубками.
Жидкий металл из ковша поднимается в
камеру по одному патрубку, дегазируется
и вытекает обратно в ковш по второму патрубку.
Происходит непрерывная циркуляция металла
через вакуумную камеру. Подъем жидкой
стали в камеру происходит за счетэжектирующего действия
аргона, который подают во входной патрубок.
Струйное вакуумирование металла
применяется в основном при отливке крупных
слитков этот способ является более совершенным,
т. к. устраняется вторичное окисление
при разливке вакуумированного металла
из ковша в изложницы.
При отливке слитков в вакууме
струя металла, переливаемого из ковша
в изложницу, установленную в вакуумной
камере, разрывается выделяющимися газами
на множество мелких капель металла. Поверхность
металла резко возрастает, что приводит
к глубокой дегазации стали. Кроме того,
сталь также дегазируется в изложницы.
Последнее время для получения
стали с очень низким содержанием углерода,
обработку металла в вакууме совмещают
с продувкой его кислорода или смесью
аргона и кислорода.
Применение вакуума при выплавки
стали позволяет получать металл практически
любого химического состава с низким содержанием
газов, неметаллических включений, примесей
цветных металлов. Как уже отмечалось,
реакции дегазации и раскисления металла
углеродом в вакууме протекают более полно.
Кроме того, при плавки металла в глубоком
вакууме (<10-2 Па) из металла
удаляются некоторые неметаллические
включения.
Получение стали
и сплавов особо высокого качества.
Качество сталей и сплавов в
значительной мере определяется их чистотой,
т. е. содержанием вредных примесей,
неметаллических включений, растворенных
газов. Даже наиболее качественная
сталь, выплавляемая в открытых электрических
дуговых и индукционных печах, по своей
чистоте уже не всегда может полностью
удовлетворять непрерывно возрастающим
требованиям. Для получения сталей и сплавов
особо высокого качества и наиболее ответственного
назначения применяют плавку в вакуумных
дуговых и индукционных печах, а также
электрошлаковый и другие методы переплава.
Электрошлаковый
переплав (ЭШП) разработан в Институте
электросварки им. Е. О. Патона. Принципиальная
схема установки приведена на рис. 9, а.
Рисунок 9 - Схемы электрошлакового переплава (а) и возбуждения электрошлакового
процесса (б):
1–водоохлаждаемый поддон; 2 – водоохлаждаемый кристаллизатор(изложница);3
– переплавляемый (расходуемый) электрод;
4 – слой шлака; 5 – ванна расплавленного
металла; 6 – затвердевший слиток; 7– флюс
для возбуждения процесса; 8 – рабочий
флюс; 9 – затравка.
Переплавляемый (рафинируемый)
металл подается в установку в виде расходуемого
электрода и плавится в слое шлака, нагретого
до 2000° С. Проходя через слой шлака, мелкие
капли металла рафинируются. Под слоем
шлака накапливается жидкий металл, постепенно
заполняя весь кристаллизатор-изложницу.
Затвердевший слиток опускают вместе
с поддоном и устанавливают новый поддон
для последующей плавки. Для переплава
используют переменный ток с рабочим напряжением
45 – 60В; величина тока около 20А на 1 мм диаметра
электрода.
Переплавляемые электроды представляют
собой кованые или катаные прутки (штанги)
круглого или квадратного сечения из рафинируемой
стали, обычно выплавленной в электродуговых
печах.
До начала процесса на поддон
(для его защиты от прогорания) устанавливают
затравку — диск из углеродистой стали
(см. рис. 9,б). Кольцевой зазор между затравкой
и стенками изложницы уплотняют асбестовым
шнуром. Затем на затравку насыпают флюс
для возбуждения, опускают электрод и
насыпают рабочий флюс, После начала процесса
электрод по мере его плавления (со скоростью
300–800 кг/ч) поднимают вверх с помощью автоматического
механизма подачи.
Флюс для возбуждения, состоящий
из смеси алюминиево-магниевого порошка
с калиевой селитрой (KNO3) и добавок,
обладает высокой электропроводностью
в твердом состоянии. Рабочий флюс представляет
собой смесь CaF2, А12Оз. СаО и т.
д. При его расплавлении образуется шлак,
являющийся электрическим сопротивлением.
В шлаке генерируется тепло, обеспечивающее
расплавление металла, и протекают процессы рафинировки,
детально еще не изученные. Наиболее вероятно,
что удаление неметаллических включений
происходит в результате их абсорбции
шлаком при прохождении через него мелких
капель металла. Часть включений удаляется
в результате их всплывания в металлической
ванне. Считают, что сера удаляется в результате
ее электрохимического окисления в виде
SO2. В шлаке, нагретом
до высокой температуры, могут образовываться
и летучие соединения серы, например SF6.
Получению высококачественного
бездефектного металла во многом способствуют
также чрезвычайно благоприятные условия
кристаллизации. В водоохлаждаемом кристаллизаторе
происходит довольно быстрая кристаллизация
металла, направленная в основном снизу
вверх. При этом металл затвердевает по
всему сечению слитка, что сопровождается
непрерывным пополнением ванны каплями
металла, поступающими из слоя шлака. Это
приводит к получению плотного слитка
с однородным строением, без усадочной
пористости, зональной ликвидации и других
дефектов структуры, присущих обычным
слиткам. Электрошлаковый переплав является
значительно более простым способом по
сравнению с другими способами получения
высококачественных сталей.
Плавка
в вакуумной дуговой печи (рис. 10) — по существу переплав
стали требуемого состава, выплавленой в
открытой дуговой или другой печи. Переплавляемый
электрод в виде катаной или литой штанги
закрепляют наводоохлаждаемом штоке и
вводят в водоохлаждаемый кристаллизатор
— изложницу. В начале процесса дуга горит
между электродом (катодом) и затравкой
— диском из той же стали, а затем между
электродом и расплавленным металлом.
Длина дуги регулируется автоматически.
Плавку проводят в вакууме около 10-1 мм рт. ст.
При переплаве металл хорошо
очищается от газов и неметал - лических включений,
а в результате направленной кристаллизации
в водоохлаждаемом кристаллизаторе (снизу
— вверх) слиток не имеет усадочной раковины
и других дефектов. Этим способом можно
получать крупные слитки (до 50 т) с высокой
однородностью по химическому составу
и структуре. Расход электроэнергии на
переплав относительно небольшой — 300—450 кВт-ч/т
Рисунок 10 - Схема
электродуговой вакуумной печи:
1– водоохлаждаемый кристаллизатор (изложница); 2 – переплавляемый
(расходуемый) электрод; 3 – патрубок к вакуумному
насосу; 4 –вакуумная камера;
5 – водоохлаждаемый шток;
6 – ванна жидкого металла; 7 – слиток.
Плавка
в вакуумных индукционных печах дает возможность выплавлять
сталь и сплавы с незначительным содержанием
газов и неметаллических включений строго
заданного состава. Принцип работы таких
печей такой же, что и при открытой индукционной
плавке. Различие состоит в том, что печное
пространство герметизируется и в нем
создаётся вакуум примерно до 10-3 мм рт. ст.,
значение которого уже объяснено раньше.
Разливку металла также производят в вакууме, иногда
в атмосфере защитного газа. Этот способ
не получил широкого распространения.
Индукционные вакуумные печи сложны по
устройству, стоимость переплава высокая.
Электроннолучевой
переплав (ЭЛП). Плавление
металла происходит под действием потока
электронов, излучаемых высоковольтной
катодной пушкой. На облучаемой поверхности
их кинетическая энергия переходит в тепловую.
В плавильном пространстве
создается глубокий вакуум. На рис.11 приведена
одна из схем электроннолучевой печи,
разработанной в Институте электросварки
- им. Е. О. Патона.
Рисунок 11 - Схема
электроннолучевой печи:
1 – механизм подачи nepeплавляемого электрода;
2 – переплавляемый
электрод; 3, 4, 5, 6 – вакуумные насосы; 7 – механизм вытягиванияслитка; 8 – водоохлаждаемый кристаллизатор; 9 – камера печи;
10 – слиток; 11, 12 – электронные пушки
и системы фокусирования пучка электронов.
Печь снабжена шестьюдесятью
электронными пушками. Излучаемые электроны
направляются на проплавляемый металл
(расходуемый электрод) с помощью электромагнитов.
Образующийся слиток вытягивается из
кристаллизатора. Глубокий вакуум и выгодные
условия затвердевания в водоохлаждаемом кристаллизаторе
обеспечивают получение особо чистого
металла.
Электроннолучевую плавку применяют
для выплавки сталей особо высокой чистоты,
а также вольфрамовых, молибденовых и
других сплавов.
Плазменно-дуговой
переплав (ПДП) — также один из новейших
способов получения сталей и сплавов очень
высокой чистоты.
Схема одного из вариантов плазменной
дуговой печи для плавки сыпучей шихты
приведена на рис. 12.
Рисунок 12 - Схема плазменной дуговой
печи:
1– плазматрон; 2 – плазменная
дуга; 3 – плавильная камера; 4 –
механизм подачи дробленой шихты;
5 – водоохлаждаемый кристаллизатор; 6 –
слиток.
Источником тепла является
плазменная дуга, образующаяся между расплавляемым
металлом и катодом плазматрона, ее тем
пература может достигать 10
000 – 15 000 оК.
В качестве рабочего газа для
образования плазмы применяют аргон или
гелий (расход 1 – 10 л/мин). Металл плавится
в верхней части медного водоохлаждаемого кристаллизатора,
а образующийся слиток вытягивается вниз.
При плавке используют сыпучую шихту —
дробленую стружку либо прутки переплавляемого
металла.
Достоинствами являются высокая
температура, высокий коэффициент теплопередачи
к расплавляемому металлу, возможность
изменения скорости плавления в широких
пределах, простота обслуживания установки
4.5. Марки сталей
Сталью называется сплав железа ( Fe ) с углеродом (
С ) до 2,14 % . Углерод является основной
примесью, от его содержания зависят механические
и технологические свойства. С увеличением
С увеличивается твердость и прочность, но
уменьшается пластичность и вязкость. Кроме
этого затрудняется обработка давлением
как в холодном так и в горячем состоянии,
увеличивается трудоемкость механической
обработки, ухудшается свариваемость.
Наличие постоянных примесей Mn, Si, P, S обусловлено
особенностями металлургического процесса
выплавки стали. Для освобождения расплава
от FeO, образующегося при плавке и ухудшающего
свойства, вводят Мn и Si –раскислители. При
этом содержание Мn не должно превышать
0,75 %,а Si – 0,35 %. Содержание их в таком количестве
практически не оказывает влияния на механические
свойства углеродистых сталей. Более высокое
содержание примесей придает стали повышенную износостойкость.
Si, как и Мn повышают прочность и упругость стали
при сохранении вязкости. Повышенное
содержание Si до (2 – 4) %, увеличивает электросопротивление.
S и Р попадают как примеси в
сталь при металлургическом процессе
из исходных материалов (руд) и их содержание
больше ( 0,06 –0,08 ) % каждой резко ухудшают
ее качество.
Вредное влияние S связано с явлением красноломкости стали,
т.е. с повышением хрупкости ( образовании
трещин ) в горячем состоянии при
ковке и прокате. Красноломкость является
следствием образования S с Fe соединения
( эвтектики ), температура плавления которой
988 °С, что значительно ниже температуры
плавления стали. При кристаллизации эвтектика
располагается по границам зерен и плавится
при нагревании заготовок при ковке или
прокатке. Связь между зернами нарушается,
сталь становится хрупкой. Красноломкость
снижается введением в сталь Мn, образующего
с S сульфид марганца, температура плавления
которого 1620 °С.
Вредное влияние Р заключается
в резком увеличении хрупкости стали,
при обычной температуре, т.е. в холодном состоянии. Это
явление называется хладноломкостью. Оно
возникает в результате того, что Р растворяясь
в железе ( феррите ) существенно увеличивает
его хрупкость при обычных температурах.
С повышением содержания С вредное влияние
Р существенно возрастает.