Файл: Сергеев, А. Б. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали.pdf

ганца 0,2% константа скорости оказалась заметно выше, чем для остальных марок стали (8,8- ІО-3 см/с). Возмож­ но, это связано с повышенной температурой плавления железа.

/ — край; 2 — середина радиуса; 3 — центр слитка

Рассмотренные закономерности поведения марганца при ВДП позволяют анализировать некоторые частные случаи распределения этого элемента в слитках. Особый интерес в этом смысле представляют участки слитков, наплавляемые в нестационарном режиме, прежде всего нижняя и верхняя зоны. Содержание марганца в них, как правило, отличается от среднего (рис. 18), посколь-

ку даже при постоянной скорости плавления объем жид­ кой ванны и время пребывания металла в жидком со­ стоянии в начале и в конце плавки непостоянны.

Потери марганца из верхней части слитка резко воз­ растают в тех случаях, когда плавка заканчивается по­ степенным снижением силы тока, позволяющим умень­

57

шить глубину залегания усадочной раковины (рис. 1Ö). При этом существенно увеличивается время пребывания металла в жидком состоянии, в то время как объем ван­ ны уменьшается. Оба эти фактора способствуют усилен­ ному испарению марганца.

ИСПАРЕНИЕ МЕДИ

Среди ряда цветных металлов, обнаруживаемых обычно в качестве примесей в конструкционной стали, медь занимает особое положение. От остальных метал­ лических примесей ее отличает, во-первых, сравнительно высокая концентрация и, во-вторых, то, что современные стандарты на конструкционную сталь из всех примесей цветных металлов ограничивают, как правило, только содержание меди. Поэтому анализ поведения этого эле­ мента при вакуумной дуговой плавке представляет оп­ ределенный практический интерес.

Концентрация меди в расходуемых электродах обыч­ но составляет 0,1—0,3%, а после переплава она снижа­ ется на 10—30%. В кристаллизаторе диаметром 320 мм переплавили1 по девять электродов стали марки 50Х2НМ при двух значениях силы тока—-5,5 и 6,5 кА. Содержание меди уменьшилось в среднем па 30%. Для каждого варианта подсчитали по формуле (20) констан­ ту скорости испарения меди и для сравнения — констан­

Видно, что характер изменения константы для меди и марганца при увеличении силы тока существенно раз­ личен: константа скорости испарения меди растет, тогда как К мп уменьшается. Это различие вызвано, по-види­ мому, тем, что испарение меди в большей степени по

1 Исследование проведено совместно с И. В. Халякиным, А. Г. Шалимовым. Е. Б. Качановым.

58

сравнению с марганцем лимитируется стадией десорб­ ции атомов с поверхности расплава и, следовательно, константа скорости процесса больше зависит от темпера­ туры поверхности. В пользу такого предположения сви­ детельствует и повышенная активность меди в распла­ вах железа [45].

Рассматривая приведенные результаты, следует иметь в виду, что они относятся к конкретным условиям опыта со сталью определенного химического состава. Анализ данных промышленных плавок стали других ма­ рок с различным содержанием меди (от 0,1 до 1,0%) показывает, что значение константы испарения этого эле­

ном металле характеризуется значительно большим раз­ бросом, чем в слитке ВДП. Различен и уровень концен­ трации: более 50% плавок в исходном состоянии имеют содержание азота 0,012%, а после ВДП таких плавок ос­ тается < 1 0 % . В среднем содержание азота в результате

59

переплава понизилось примерно на 40%, т. е. в такой же

степени, как и марганца.

Однако, это аналогия поведения двух элементов явля­ ется чисто внешней. В' отличие от марганца азот пред­ ставляет собой с некоторыми оговорками неконденсиру­ емый в условиях высокотемпературного процесса газ. Его потенциал ионизации значительно выше, чем у мар­ ганца (14,5 и 7,4 эВ соответственно) [46], и, следова­ тельно, вероятность образования ионов из молекул азо­ та, оказавшихся в зоне дуги, следует признать ничтож­ ной. Поэтому вопрос о месте испарения азота и особен­ ностях механизма этого процесса заслуживает само­ стоятельного рассмотрения.

В описанных выше опытах по переплаву электродов различного сечения сопоставили содержание азота в ис­ ходном и переплавленном металле и по аналогии с мар­ ганцем подсчитали по формуле (19) константу скорости

Поскольку константа оказалась постоянной только при a s = l , то следует сделать вывод о преимущественном выделении азота со всей поверхности жидкой ванны. Та­ кое отличие от марганца, для которого эффективная по­ верхность испарения представляет собой лишь кольцевой участок ванны, незакрытый электродом, объясняется тем, что азот вследствие высокого потенциала ионизации не служит переносчиком зарядов в столбе дуги. В то же время центральные участки поверхности ванны имеют наиболее высокую температуру и с этой точки зрения

60

представляют собой наиболее подходящее место для вы­ деления азота. Торец электрода, видимо, играет в этом процессе подчиненную роль в связи с понижением сред­ ней температуры металла на нем.

Следовательно, процесс деазотации стали при ВДП можно описать уравнением

С учетом этого рассмотрим экспериментальные данные, характеризующие кинетику удаления азота в ходе ваку­ умной дуговой плавки в сравнении с поведением этого элемента в условиях вакуумной индукционной печи. На рис. 21 обобщены результаты ряда плавок металла раз­ личного химического состава. Вакуумный дуговой пере­ плав проводили в кристаллизаторах диаметром от 200 до 460 мм при линейной плотности тока 150—200 А/см. Емкость вакуумных индукционных печей составляла 0.5—0,8 т, температура жидкого металла 1500—1600° С. При этих условиях, судя по расположению точек на гра­ фике, константы скорости деазотации в обоих агрегатах близки между собой.

Дальнейшее подтверждение этого получено в опы­

лютные значения констант скорости деазотации (табл. 12) свидетельствуют о том, что условия удаления азота в кристаллизаторе вакуумной дуговой печи соответствуют условиям вакуумной индукционной плавки при темпера­ туре металла 1550—1600° С.

Уместно напомнить, что аналогичное сопоставление для марганца привело к значительно более низкой «эк­ вивалентной» температуре вакуумной индукционной плавки — менее 1500° С. Это может служить дополни­ тельным подтверждением в пользу изложенных представ­ лений о месте испарения марганца и выделения азота при ВДП и о различном влиянии на эти процессы дуго­ вого разряда.

1 Исследование на вакуумной индукционной печи проведено сов­ местно с Ал.. Г. Шалимовым, И. В. Халякиным, Н. П. Поздеевым, Г. Н. Окороковым.

61