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

Т а б л и ц а G

Влияние диаметра слитка, силы тока и материала электрода на температуру понерхности жидкой ванны

где Агфах— максимально возможный перегрев метал­ ла при D J I —^0;

ß— постоянная величина.

Если эта формула справедлива, то lgA^ должен ли­ нейно зависеть от D J1. График, построенный в соответ­ ствующих координатах (рис. 13), в общем подтверждает это, однако формула (10) нуждается в уточнении. Из формулы (10) следует, что отсутствие перегрева поверх­ ности слитка возможно лишь при 1 — 0. В то же время хорошо известно, что при некоторых значениях силы то­ ка, отличных от нуля (с увеличением размера слитка они растут), наплавляемый металл сразу же затверде­ вает, по существу, без образования жидкой ванны. Сле­ дует предположить, что перегрев в этом случае равен нулю. Это подтверждается и сделанным на рис. 14 со­ поставлением данных [36] о степени перегрева с глуби­ ной жидкой ванны в близких по размеру кристаллизато­ рах диаметром 260—280 мм. Обе величины приближа­ ются к нулю в одном и том же достаточно узком интер­ вале силы тока — порядка 2,5—3,0 кА. Правильнее, повидимому, искать зависимость перегрева не от абсолют­ ной величины силы тока, а от разности / — Іт ах, где /,„ах — максимальная сила тока, при которой не образу­

40

ется жидкой ванны. Такой подход особенно необходим при оценке возможного перегрева металла в кристалли­ заторах большого диаметра.

На распределении тепла в жидкой ванне сказывает­ ся, очевидно, и ее динамическое состояние. Хорошо изве­ стно, например, что вызываемое взаимодействием маг­ нитного поля с протекаю-

С,°Перегреб

ном уменьшении градиента, если ие полном его исчезно­ вении. Измерения температуры стали ШХ15 [38] на пе­

леноида снижает температуру поверхностного слоя жид­ кой ванны с 1580 до 1510° С, а величина температурного градиента у фронта затвердевания уменьшилась при этом с 6—7 до 2—3°С/см. Вероятной причиной такого снижения является ускорение передачи тепла за счет вы­ нужденной конвекции в самой жидкой вампе, а также на

41

границе раздела ее с двухфазной областью. Нельзя ис­ ключать и того, что продольное магнитное поле может непосредственно сказываться на распределении тепла дугового разряда и, следовательно, — на температуре жидкой ванны.

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООТВОДА ПРИ ВАКУУМНОЙ ДУГОВОЙ ПЛАВКЕ

Выделяемое в дуговом разряде тепло расходуется, как было показано, на плавление, перегрев и частичное ис­ парение металла, а также па возмещение потерь излу­ чением самой дуги II зеркала жидкой ванны. Из слитка одновременно отводится теплота затвердевания и часть аккумулированного тепла. Вся эта тепловая энергия пе­ редается через стенку кристаллизатора охлаждающей воде. От условий теплопередачи зависит баланс тепла и, следовательно, температура жидкой ванны, а главное — скорость кристаллизации металла.

Процесс теплоотвода по отношению к кристаллизато­ ру в целом нестационарен: в ходе наплавления слитка непрерывно меняется величина тепловых потоков и их распределение по высоте кристаллизатора. В то же вре­ мя по достижении слитком высоты, примерно равной его радиусу, можно выделить следующие три зоны тепло­ отвода: I — излучения дугового разряда и зеркала ван­ ны; II — непосредственного контакта корочки слитка со стенкой кристаллизатора, III — теплопередачи через за­ зор между слитком и кристаллизатором. Тепловые по­ токи в зонах I и II относительно постоянны, и заметно меняется лишь поток в зоне III, увеличивающийся по мере увеличения высоты слитка. Следует заметить, что при достаточно большой длине суммарная величина этого потока стабилизируется и может даже умень­ шаться.

Наибольшие тепловые нагрузки на кристаллизатор приходятся, естественно, в зонах I и II. Так, согласно дан­ ным [39], в кристаллизаторе диаметром 280 мм при пе­ реплаве стали ШХ15 в этих зонах отводилось при силе тока 3,3; 4,2 и 5,0 кА соответственно 35, 39 и 50 квт. Сум­ марная протяженность двух зон приблизительно равна 80— 100 мм. С учетом этого удельная тепловая нагрузка составляет примерно 430—520 тыс. ккал/(м2-ч). В зо­ не III, где теплопередача осуществляется от слитка

42

к кристаллизатору преимущественно излучением, эта нагрузка на порядок меньше.

Следовательно, даже если допустить, что уровень теплоотвода в зоне плавления и непосредственного кон­ такта является предельным, приходится признать, что тепловосприпимающая способность кристаллизатора на большей части его высоты используется неэффективно. Связано это с повышенным тепловым сопротивлением зазора, особенно заметным в условиях вакуума, а также с сопротивлением закристаллизовавшейся корочки слитка.

Ограниченная интенсивность теплоотвода делает не­ возможным быстрое затвердевание металла. Как будет показано в дальнейшем, скорость продвижения фронта кристаллизации в условиях ВДП мало отличается от скорости в обычных слитках, затвердевающих в излож­ нице сравнимого сечения, и особенности процесса затвер­ девания при ВДП состоят не в ускоренном отводе тепла, а в непрерывном подводе тепла к фронту кристаллиза­ ции из жидкого металла.

ГЛАВА 3

ИЗМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

И РАФИНИРОВАНИЕ СТАЛИ ПРИ ВАКУУМНОМ ПЕРЕПЛАВЕ

Низкое давление газов над расплавом в кристалли­ заторе вакуумной дуговой печи стимулирует развитие процессов, протекающих с образованием газообразных продуктов. К этим процессам, чаще всего положительно влияющим на качество металла, в первую очередь сле­ дует отнести выделение газов — азота, водорода и кис­ лорода. Последние удаляются преимущественно в виде окиси углерода, образующейся в результате восстанов­ ления оксидных включений. Наряду с этим и кислород, и в некоторой степени азот могут удаляться также путем механического всплывания или выделения твердых либо жидких частиц на поверхность расплава.

Протеканию всех этих процессов способствует значи­ тельная удельная поверхность пленки жидкого металла на электроде, а также жидкой ванны, и относительно не­ большая скорость плавления расходуемого электрода.

43

В то же время дуговая вакуумная плавка сопровож­ дается и некоторыми отрицательными явлениями. В ча­ стности, испарение компонентов, обладающих при температуре процесса высокой упругостью пара, может вести не только к рафинированию переплавляемого ма­ териала от примесей цветных металлов, но и существен­ но изменять содержание основных легирующих элемен­ тов. На практике это в наибольшей степени относится к марганцу, потери которого при ВДП нередко достига­ ют 30% и более, в то время как содержание других эле­ ментов, в частности, хрома, кремния, никеля, молибдена, вольфрама, титана, алюминия, по существу не меняет­ ся [40].

Многочисленными исследованиями установлено, что полнота удаления из металла газов и включений зави­ сит от многих факторов. В их числе технология выплав­ ки исходного металла, в особенности, способ раскисле­ ния, электрический и вакуумный режим переплава. Усло­ вия переплава существенно влияют также и на процессы испарения, поэтому необходим более подробный анализ закономерностей протекания этих процессов и их связи с технологией переплава.

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИСПАРЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ

И ДЕГАЗАЦИИ МЕТАЛЛА ПРИ ВДП

Переход компонента из расплава в газовую фазу — сложный многоступенчатый процесс. Его скорость в ус­ ловиях вакуума лимитируется либо массопереносом компонента из расплава к поверхности раздела ме­ талл — газ, либо собственно актом испарения (десорб­

ции) .

В случае, когда лимитирующей стадией является массоперенос, изменение концентрации элемента в рас­ плаве описывается кинетическим уравнением первого порядка [41]:

44