Спецэлектрометаллургия сталей и сплавов

Министерство образования и науки Украины

Приазовский государственный  технический университет

Кафедра металлургии  стали им. проф. И. Г. Казанцева

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Бакст В. Я.

Спецэлектрометаллургия  сталей и сплавов

(конспект лекций) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Мариуполь, 2007 г.

С О Д Е  Р Ж А Н И Е 

 

 

I. ВВЕДЕНИЕ. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОВ                           2       СПЕЦИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИИ.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  СПЕЦИАЛЬНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ                 8

 

3.СХЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И  УСТАНОВОК  ЭШП         25

 

4. ФЛЮСЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО  ПЕРЕПЛАВА                                  29

 

5. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  ПРИ ЭШП                  35

 

6. ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО  ПЕРЕПЛАВА                                 44

 

7. ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ                                                               55

 

8. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ  ПЕРЕПЛАВ                                                          68

 

9. ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ   ПЕРЕПЛАВ                                                          84

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК                                                                   90

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I. ВВЕДЕНИЕ. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОВ СПЕЦИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИИ.

 

Начиная с середине ХХ века человечество быстрыми темпами осваивает  новые высокотехнологичные отрасли (аэрокосмическая, ядерная, криогенная и др.), требующие для свое реализации создания особых конструкционных материалов. Современная наука – энергоемкие технологические процессы и аппараты нуждаются в конструкторских элементах, надежность которых остается стабильно высокой в условиях знакопеременной и вибрационных нагрузок, при воздействии мощных радиоактивных излучений, в зонах высоких давления и глубокого вакуума, в агрессивных средах, при близких к абсолютному нулю и сверхвысоких температурах.

История развития специальной  электрометаллургии свидетельствует о том, что рождение новых происходит на тех этапах развития техники, когда на основе уже известных технологических процессов нельзя решить новые задачи, в частности удовлетворить потребность в сталях и сплавах, обладающих уникальными свойствами: высокопрочными, но вязкими; жаропрочными, но пластичными; способными не терять пластичности при криогенных температурах и т.д.

Металлы и сплавы с сочетанием таких характеристик дают  возможности производить только методы специальной электрометаллургии (СЭМ).

В процессах СЭМ используются следующие виды воздействия на переплавляемый металл:

1. Применение шлаков как рафинирующих агентов для десульфурации, удаления из металла растворенных газов и неметаллических включений.
2. Высокотемпературный нагрев металла, что приводит к интенсификации процессов раскисления их растворенным углеродом, улучшению условий всплыванию неметаллических включений, более полному  испарению примесей цветных металлов.
3. Вакуумирование металла, что значительно повышает раскислительную способность углерода,  снижает содержание растворенных газов, примесей цветных металлов и неметаллических включений.
4. Организация быстрого и направленного затвердевания металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе, что обеспечивает подавление ликвационных процессов, создает благоприятные условия для удаления неметаллических включений.

Общая схема воздействия  на металл переплавляемого электрода  с целью получения чистого по вредным примесям высококачественного слитка приведена на рис1.

Эти новые процессы получили общее название специальные процессы электроплавки или специальной электрометаллургии.

К ним относятся переплавочные процессы: электрошлаковый (ЭШП), вакуумно-дуговой  (ВДП), электронно-лучевой (ЭЛП), плазменно-дуговой и плазменная плавка (ПДП)

 

 

Рис.1. Общая схема воздействий на металл переплавляемого электрода.

 

 

1.1. Электрошлаковый переплав

Сущность ЭШП состоит  в переплаве расходуемого электрода в электрошлаковой печи за счет тепла, выделяющего в слое жидкого шлака при прохождении через него электрического тока, капельном переносе через слой шлака электродного металла, рафинировании жидкого металла нагретым до высокой температуры шлаком и последовательном затвердевании металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе.

На рис.2 приведена схема установки ЭШП, в которой элементом сопротивления  является ванна расплавленного шлака. При прохождении тока жидкий шлак, обладающий достаточно большим электрическим сопротивлением, сильно разогревается и погруженный в него металлический электрод нагревается и оплавляется с торца. Металл каплями перетекает с    оплавляемой части электрода через шлак в водоохлаждаемую изложницу, в которой постепенно формируется наплавляемый слиток.

В результате переплава  металл очищается от  серы и неметаллических включений а направленная кристаллизация слитка обеспечивает получение плотной структуры литого металла. Способ ЭШП изобретен и разработан в институте электросварки им .Е.О.Патона  АН УССР в начале 50-х годов, а в 1958 г. было налажено промышленное производство слитков на заводе "Днепроспецсталь". Высокая технологическая гибкость процесса ЭШП и хорошее качество переплавляемого металла способствовали быстрому внедрению технологии ЭШП в практику отечественной металлургии и машиностроения.

 

Рис.2. Схема установки  ЭШП:                           I – переплавляемый электрод;               2 – водоохлаждаемый кристаллизатор; 3 - ванна   расплавленного шлака;          4 – затвердевший слиток

 

Имеется много разновидностей конструкций печей ЭШП; большинство из них работает на переменном токе промышленной частоты.

 

1.2. Вакуумно-дуговой переплав

 

Процесс ВДП основан  на переплаве металла в вакуумной  дуговой печи в результате' нагрева и плавления расходуемого электрода электрической дугой большой мощности (рис.3). Электрическая дуга горит между торцом переплавляемого электрода и поверхностью ванны жидкого металла. Переплав ведется в вакуумной камере, из которой системой вакуумных насосов непрерывно откачивается выделяющиеся в процессе переплава газы и пары металла.

Электрод крепится на специальном штоке, вводимом в вакуумную камеру через специальное скользящее вакуумное уплотнение.

За счет высокой температуры  электрической дуги торец электрода непрерывно оплавляется. Металл в виде капель стекает в медный водоохлаждаемый кристаллизатор, где формируется слиток. По мере оплавления электрода и наплавления слитка производят автоматическое перемещение электрода таким образом, чтобы расстояние между торцом электрода и наплавляемым слитком оставалось постоянным.

Принцип .дугового переплава  расходуемого электрода был изобретен  нашим соотечественником Н.Г.Славяновым в 1892 г.; в 1904 г. печь с расходуемым электродом при пониженном давлении в рабочей камере была использована для получения литого тантала - металла с температурой плавления 2900 °С.

Переплав стали методом  ВДП стали использовать, начиная с 1953г. В процессе ВДП происходит значительное удаление из металла газов (водород, азот), а также неметаллических включений.

 

 

 

Рис.3. Схема установки  вакуумно-дугового        переплава:

I - вакуумная камера;

2 - переплавляемый электрод;

3 - водоохлаждаемый кристаллизатор;

4 -затвердевший слиток.

 

 

При ВДП из металла в результате испарения успешно удаляются примеси цветных металлов (Pb, Zn, Bi, Cd,  Sb, Sn). Наплавляемые слитки, кристаллизующиеся в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе, получаются однородными по химическому составу и макроструктуре. Процесс ВДП используется для переплава тугоплавких и высокореактивных металлов (Ti, Zr, Mo и. др.), а также сплавов на основе никеля и кобальта.

 

 

1.3. Электронно-лучевой переплав

 

Процесс ЭЛП основан  на использовании тепловой энергии, выделяющейся в расплавляемом металле при бомбардировке его быстрыми электронами. Нагрев металла в установках ЭЛП осуществляется потоком электронов, разогнанных до большой скорости в электрическом поле высокого напряжения. Сталкиваясь с поверхностью нагреваемого металла, электроны значительную часть своей кинетической энергии передают металлу, повышая его температуру.

Получить плотный, не рассеивающийся в пространстве поток  электронов, можно только в глубоком вакууме, при давлении меньшем, чем 10^-2 Па. Поэтому все установки ЭЛП снабжены системами специальных насосов для получения в рабочем пространстве этих установок глубокого вакуума.

Схема установок ЭЛП  приведена на рис.4. Источником электронов может служить разогретый до высокой температуры кольцевой катод (рис.4 а). В установках ЭЛП такой конструкции высокое напряжение (до 30000 В)  создается между разогретым катодом,  расплавляемым электродом и поверхностью наплавляемого слитка, который служит анодом.

 

 

Рис.4. Схема установок  электронно-лучевого переплава с кольцевым катодом (а) и с электронной пушкой(б):

1 переплавляемый электрод;

2 - кольцевой катод;

3 - экран; 

4 - водоохлаждаемый кристаллизатор;

5 - наплавляемый слиток;

6 - электронная пушка.

 

  Электроны, излучаемые катодом, разгоняются электрическим полем до высоких скоростей, и при ударе о поверхность металла приобретенная ими кинетическая энергия переходит в тепловую. Это позволяет концентрировать тепло у поверхности расплава в кристаллизаторе и на поверхности расплавляемого электрода.

В более совершенных конструкциях установок ЭЛП в качестве источников электронов используют так называемые электронные пушки. Установка с аксиальной электронной пушкой показана на рис.4 б. Электронная пушка состоит из накаливаемого катода, ускоряющего анода и системы фокусировки электронного луча.

В установках ЭЛП получают слитки из тугоплавких металлов высокой чистоты (Ta, Mo, Nb), а также различные сплавы и высококачественные стали.

В результате электронно-лучевого переплава в металле значительно уменьшается содержание газов, достигается высокая степень чистоты по неметаллическим включениям, заданная макроструктура слитков и высокая однородность металла. ЭЛП обеспечивает глубокую очистку металла от вредных примесей, цветных металлов и позволяет получать в литом виде Mo, W и другие тугоплавкие металлы, требующие для своего расплавления очень высокой температуры. Кроме того, электронно-лучевые установки применяют для нанесения покрытий на металл и неметаллические материалы, для пайки, сварки, получения монокристаллических металлов.

1.4. Плазменно-дуговой переплав

Источником тепла при  ПДП является низкотемпературная плазма, которая образуется в специальных  устройствах, называемых плазмотронами.

При нагреве газов  до высоких температурных атомы  ионизируются, и при температурах выше  20000 С степень ионизации большинства газов   приближается к 100 %. В этом случае газ становится электропроводящей средой, на которую могут воздействовать магнитные поля.

Ионизированный газ, способный  проводить электрический ток, называется плазмой. Для плавления металлов используют плазменную дугу, представляющую собой сильно сжатый в поперечном сечении дуговой разряд. Плотность тока в сжатой дуге во много раз выше, чем в обычной, поэтому значительно выше и ее температура, которая в среде инертных газов может достигать 30000 С.

В металлургии используются главным образом дуговые плазмотроны. В них плазма образуется за счет диссоциации и ионизации газа   (аргон, азот, кислород, водород),    пропускаемого через зону горения сжатой электрической дуги постоянного тока.

Установка ПДП (рис.5) имеет  водоохлаждаемый кристаллизатор с  подвижным днищем, обеспечивающим вытягивание  слитка из кристаллизатора в процессе плавки. Плазмотроны могут располагаться перпендикулярно или под наклоном к переплавляемому электроду. Плазменные дуги регулируют с таким расчетом, чтобы обеспечить равномерное оплавление вращающегося электрода и одновременный подогрев зеркала жидкого металла в кристаллизаторе. Установки ПДП с водоохлаждаемый кристаллизатором используют для рафинирования переплавляемого металла. Свойства металла улучшаются за счет повышения чистоты металла по вредным примесям и принудительной направленной кристаллизации наплавляемого слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе.

 

 

 

Рис.5. Схема установки плазменно-дугового переплава:                                      I - плавильная камера;                                        2-переплавляемый электрод;                          3-плазмотроны;                                                        4 – водоохлаждаемый кристаллизатор;      5 – наплавляемый слиток.