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

Постоянство лугового промежутка обеспечивается не только путем стабилизации напряжения на дуге, но и за счет управления числом импульсов короткого замыка­ ния— характеристики, которая также связана с рассто­ янием между электродом и жидкой ванной. По-видимо­ му, наиболее рациональными являются комбинирован­ ные системы, основанные на стабилизации напряжения с использованием импульсной характеристики [16] для предупреждения чрезмерно длинной и чрезмерно корот­ кой дуги. Эта идея была осуществлена в разработанных Челябинским НИИМ регуляторах АРВДП-3, установ­ ленных па печах некоторых заводов.

Для ведущего плавку важно располагать информа­ цией о длине расходуемого электрода в течение всей плавки. Это позволяет непосредственно судить о скоро­ сти плавления электрода и определять в конце процесса момент начала снижения силы тока для выведения уса­ дочной раковины. Наиболее перспективны в этом плане системы непрерывного взвешивания расходуемого элек­ трода ', однако создание работоспособных устройств та­ кого рода представляет собой сложную техническую за­ дачу, и каких-либо сообщений о применении этого мето­ да контроля плавки на промышленных печах пока нет.

Вместе с тем описан опыт управления вакуумной ду­ говой плавкой с помощью электронной вычислительной машины [18]. Программа плавки вводится в счетно­ решающее устройство с помощью перфокарт, а затем оно успешно контролирует ход плавки и осуществляет необходимые изменения электрического режима, длины дуги II давления в печи.

Среди узлов печи, подвергшихся коренной модерни­ зации в связи с проблемой качества металла, следует назвать также систему подвода тока. От ее исполнения, как было детально показано Б. К. Каравашкиным [19],

взначительной степени зависит напряженность магнит­ ного поля в кристаллизаторе, в том числе вертикальной составляющей поля, взаимодействие которой с проходя­ щим по жидкой ванне током вызывает вращение ванны

вгоризонтальной плоскости.

Была разработана бифилярно-коаксиальная схема токоподвода, построенная на следующих основных прин­ ципах:1

1 Пат. (Англия) № 1136964, 1968.

16

имя, переплав электрода и извлечение полученного слит­ ка. Если технологию плавки рассматривать в более ши­ роком плане, то необходимо учитывать и ряд других ее элементов: выплавку металла для электродов, изготов­ ление электродов и, наконец, передел слитков ВДП на сортовую заготовку.

Подготовка расходуемых электродов

Сталь для переплава в вакууме выплавляют чаще всего в электропечах, однако возможна выплавка ее и в других агрегатах, например в мартеновских печах

икислородных конвертерах. При этом иногда применя­ ют внепечную обработку синтетическим шлаком или дегазацию металла в ковше. Сложнолегированные стали

исплавы плавят также в индукционных печах, на воз­

духе и в вакууме. В связи с этим после увеличения про­ изводства металла методом ВДП (в 60-х годах) про­ изошло значительное повышение производственной мощ­ ности вакуумных индукционных печей. Например, в США в начале 70-х годов она превысила 200 тыс. т.

Некоторое распространение получил и двукратный вакуумный дуговой переплав, а также комбинация ва­ куумного переплава с электрошлаковым. Последний ме­ тод применяется, например, для получения подшипнико­ вой стали повышенной чистоты, а двойной ВДП •— преи­ мущественно для производства так называемых суперсплавов — материалов с высоким содержанием хи­ мически активных компонентов. Состав стали, предназ­ начаемой для переплава, в основном совпадает с задан­ ным составом конечного продукта — в нее вводится лишь повышенное количество элементов, частично испаряю­ щихся при ВДП (для большинства марок конструкцион­ ной стали — марганца).

Для качества готовой стали важно, чтобы исходный металл был .соответствующим образом раскислен. При выборе материала для окончательного раскисления от­ дают предпочтение алюминию. Считается целесообраз­ ным вводить его в повышенном количестве (1— 1,5кг/т), при этом в ходе ВДП удается полнее освободить металл от кислородсодержащих включений.

Существует несколько способов изготовления расхо­ дуемых электродов: их отливают на установках полуне­ прерывной разливки или в изложницы круглого сечения с малой конусностью, либо куют из обычных слитков па

18

Молотах пли прессах. Применяют в качестве электродов л катаные штанги квадратного сечения. Имеется поло­ жительный опыт переплава таких заготовок в кристал­ лизаторах диаметром до 630 мм.

Перед переплавом электроды подвергают сплошной обдирке на токарных стайках или зачищают всю поверх­ ность абразивами. Применяют также дробеструйную обработку гранулированным отбеленным чугуном.

Электрод крепят к штоку при помощи хвостовика, за­ жимаемого в электрододержателе. Хвостовик привари­ вают к электроду либо в печи после создания в ней пред­ варительного разрежения (1-10—1 мм рт. ст.), либо на автономной установке внепечной приварки. Широко рас­ пространен также метод крепления, осонованный на вы­ тачивании на конце электрода «грибка», с помощью ко­ торого электрод зажимается в держателе. Этот метод экономит время лишь по сравнению с вариантом печной приварки, однако он увеличивает затраты на изготовле­ ние электрода и снижает выход годного.

Откачка газов из печи и проверка натекания

Одной из важнейших специфических особенностей ва­ куумной дуговой плавки является низкое давление газов в плавильном пространстве. На промышленных установ­ ках оно обычно не превышает 10 мкм рт. ст., причем та­ кого разрежения достаточно как для надежной защиты расплавленного металла от вторичного окисления, так и для обеспечения эффективного очищения металла от газов и летучих примесей. Помимо этого, указанное дав­ ление соответствует диапазону устойчивого горения электрической дуги.

В связи с непрерывной откачкой газов из печи на раз­ личных ее участках устанавливается некоторый перепад давления, зависящий от производительности насосов, сопротивления вакуум-проводов (в том числе зазора между электродом и кристаллизатором), интенсивности газовыделения из жидкого металла, а также натекания газов, как внешнего, так и внутреннего. Так, на вакуум­ ной дуговой печи типа ЦЭП-359 с кристаллизатором диа­ метром 380 мм давление, зарегистрированное термопар­ ным датчиком ЛТ-2, на входе бустерного насоса БН-4500 составило 0,5; в камере печи 1,5—2,5, у торца расплав­ ляемого электрода 9—15 мкм рт. ст.

В последнем случае давление замеряли в патрубке, вваренном в нижнюю часть кристаллизатора, после до­ стижения жидким металлом уровня патрубка. Расстоя­ ние от лампы до электрода составляло примерно 150 мм.

Следует отметить, что аналогичный результат был получен и в работе [24]. Там же отмечается, что давле­ ние металлических паров в зоне плавления может быть значительно выше (0,5— 1,0 мм рт. ст.).

Для проведения переплава важно не только достичь определенного разрежения в печи, но и обеспечить до­ статочную ее герметичность, характеризуемую величиной натекания. Для уменьшения натекания, которое склады­ вается из внутреннего, связанного с выделением газов, адсорбированных стенками кристаллизатора и других частей печи, и внешнего, определяемого поступлением газа через мельчайшие неплотности в деталях печи и их соединениях, необходимо при эксплуатации печи соблю­ дать правила герметичности. Кроме того, целесообразно в период межплавочного простоя печи подавать в охлаж­ даемые детали горячую воду. Тем самым удается умень­ шить поверхностную конденсацию паров воды из атмос­ феры и снизить внутреннее натекание. Например, на печах фирмы «Дойче Эдельштальверке» (завод в г. Крефельде, ФРГ) для охлаждения кристаллизатора и рабо­ чей камеры подается вода с температурой на входе до 45—55° С, в то время как к выпрямителям и паро-мас­

ляными насосам подается холодная вода (не более

25°С) [10].

В практике принят следующий порядок проверки гер­ метичности печи перед плавкой. Замеряют давление в печи (рі), перекрывают все насосы и через определен­ ное время (т) вновь измеряют давление {ръ)- С учетом объема камеры печи (Кк) натекание L подсчитывают по формуле

ь = = (Рг-Рі)Ѵк л ,мкм/с- (!)

т

Норма предельного натекания в большинстве случаев является условной и устанавливается без достаточного экспериментального и теоретического обоснования. Вме­ сте с тем для достижения того или иного натекания при­ ходится увеличивать продолжительность откачки печи, т. е. ее простой между плавками. В связи с этим целе­ сообразно рассмотреть некоторые результаты замеров натекания на холодной печи во время и после плавки.

20

21

Приведенные данные свидетельствуют о том, что нор­ му натекания перед началом плавки целесообразно уста­ навливать с учетом времени откачки. Так, согласно рис. 2, эта норма может быть установлена равной 200 л-мкм/с после 15 мин откачки или 50 л-мкм/с после откачки в течение 30 мин.

Электрический режим переплава

Собственно процесс переплава можно разделить на три этапа: наведение жидкой ванны, стабильное плав­ ление и выведение усадочной раковины. Плавка начина­ ется с зажигания дуги между торцом электрода и укла­ дываемой на поддон затравочной шайбой или стружкой. Режим начальной стадии плавки обычно выбирают та­ ким образом, чтобы обеспечить быстрое образование жидкой ванны. С этой целью силу тока повышают на 20—30% по сравнению с номинальной.

Рабочее значение силы тока определяется прежде всего диаметром кристаллизатора и материалом элек­ трода. Зависимость силы тока от диаметра при измене­ нии последнего в небольших пределах можно считать прямо пропорциональной. Так, для кристаллизаторов диаметром 300—600 мм оптимальные значения силы то­ ка при переплаве конструкционной стали соответствуют линейной плотности порядка 150—200 А на 1 см диамет­ ра. В то же время при переходе от малых и средних кри­

рост оптимальной силы тока, как правило, несколько опережает увеличение диаметра, а для высоколегирован­ ных жаропрочных сплавов существует обратная тен­ денция.

При назначении электрического режима учитывают и состав переплавляемого металла, его склонность к об­ разованию тех или иных ликвационных дефектов: стали, склонные к ликвации, переплавляют при относительно низких значениях силы тока.

С самого начала плавки важно поддерживать опти­ мальную длину дугового промежутка. Это обеспечивает постоянство формы оплавления торца электрода и рас­ пределения энергии в зоне дуги — необходимое условие получения однородного слитка. В технологических инст­ рукциях обычно задают вместо длины дуги напряжение,

22

однако все чаще регламентируется не этот вторичный параметр, а длина дугового промежутка. Ее более точ­ ному регулированию в необходимых пределах и воспроиз­ водимости от плавки к плавке способствует усовершенст­ вованная методика замера напряжения на дуге [16, 25], состоящая в том, что напряжение измеряют не между двумя разноименными шинами, а между верхним тор­ цом расходуемого электрода и фланцем кристаллизато­ ра. При этом в измеряемую разность потенциалов не входит непостоянное падение напряжения на ряде уча­ стков короткой сети, в том числе в зажиме электродо­ держателя, и эта разность очень мало отличается от истинного напряжения на дуге.

Режим заключительной части плавки выбирают та­ ким образом, чтобы обеспечить минимальную обрезь от верха слитка. При этом учитывают наряду с влиянием режима на расположение усадочной раковины повышен­ ный угар марганца, наблюдаемый при снижении силы тока переплава. В результате верхнюю часть слитка, годную по макроструктуре, не удается использовать вследствие неравномерного распределения марганца. В связи с этим выведение усадочной раковины путем по­ степенного снижения силы тока или резкого снижения силы тока с обогревом дугой малой мощности практику­ ется только при переплаве сталей и сплавов с низким или же с ненормированным содержанием марганца. Для большинства конструкционных сталей целесообразно за­ канчивать плавку на рабочей силе тока. Возможно так­ же выведение усадочной раковины с подачей в печь аргона.

После окончания плавки слиток некоторое время ох­ лаждается в вакууме. Продолжительность выдержки сле­ дует определять, исходя из примерного количества жид­ кого металла в верхней части слитка к моменту выклю­ чения. После выведения усадки выдержку слитков диаметром 300—500 мм можно ограничить 5—15 мни.

Верхняя часть слитка, извлеченного из кристаллиза­ тора, обычно нагрета до 900— 1000° С, поэтому слитки стали и сплавов, склонных к образованию трещин, сразу же помещают в футерованный неотапливаемый колодец, обеспечивая тем самым замедленное охлаждение. За­ тем слитки обдирают на токарных стайках на глубину 5—20 мм в зависимости от диаметра. Конструкционную сталь перед обдиркой, как правило, подвергают умягча­

23