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

экранируемой электродом части поверхности жидкой ванны. Такой же вывод был сделан ранее и в рабо­ те [43]. Кажущееся неучастие в испарении остальной по­ верхности ванны и торца электрода связано, вероятнее всего, с ионизацией атомов марганца, находящихся в столбе дуги. Заряженные частицы удерживаются в электрическом поле, и вероятность выхода их за преде­ лы столба, по-вндимому, мала. Кроме того, может иг­ рать некоторую роль и частичная конденсация паров марганца на отдельных участках торца электрода, воз­ можная вследствие значительной разницы температур близкорасположенных поверхностей электрода и ванны.

Судить о том, насколько правильно характеризует

обширного экспериментального материала, относящего­ ся к вакуумному дуговому переплаву в кристаллизато­ рах диаметром от 200 до 460 мм (линейная плотность тока составляла от 140 до 250 А/см), а также анализ ма­ териалов опытов, специально проведенных в вакуумной индукционной печи.

На рис. 16 сопоставлена кинетика испарения марган­ ца из стали ЗОХГСНА при ВДП в кристаллизаторе диа­ метром 400 мм и в вакуумной индукционной печи с ем­ костью тигля 0,5 т. Приведенное время плавки [см. фор-

Т а б л и ц а 9

Расчетные значения констант скорости испарения марганца в условиях вакуумной индукционной и вакуумной дуговой плавки

=(140—250 А/см)

* Получено экстраполяцией.

52

мулу (21)] варьировалось в первом случае путем изме­ нения скорости плавления, а во втором — выдержки ме­ талла в тигле. Кроме того, опыты в индукционной печи провели 1 при двух разных температурах расплава. Бли­ зость кинетических характеристик испарения в двух про­ цессах несомненна.

Используя полученные результаты, рассчитали сред­ ние значения констант испарения марганца. В случае

куумной дуговой и индукционной плавок близки между собой, хотя при переплаве они оказались несколько ниже.

Эту разницу можно объяснить пониженной температу­ рой металла в периферийной части ванны, т. е. там, где и происходит в основном, согласно описанной выше ги­ потезе, испарение марганца. Еще одно подтверждение этой гипотезы можно усмотреть в характере изменения константы с ростом силы тока. Наблюдаемая при этом тенденция к уменьшению константы могла бы показать­ ся совершенно неожиданной, поскольку увеличение тока

1 При участии И. В. Халякпиа и Г. Н. Шиян

53

повышает температуру поверхностного слоя ванны й, следовательно, испарение должно ускоряться. Однако, поскольку марганец испаряется только в зазоре, где перегрев металла вообще невелик н сравнительно мало зависит от силы тока, то можно придти к заключению, что режим переплава не должен существенно сказывать­ ся на скорости испарения. В то же время от силы тока зависит, по-видимому, степень ионизации металлических паров в межэлектродном промежутке, и если ионизация влияет на эффект испарения, то с ростом силы тока сле­

предположения о том, что ионизация атомов марганца, находящихся между расходуемым электродом и поверх­ ностью ванны, препятствует их выходу за пределы этого промежутка и что результирующий эффект испарения зависит от площади незаэкранированной электродом по­

низма испарения марганца. Вопрос о лимитирующей ста­ дии процесса пока остается открытым, поскольку одни исследователи [31] полагают, что самой медленной сту­

1560— 1580°С [44], но оно основано па опытах, прове­ денных в вакуумной индукционной печи.

Заключение о том, какая стадия контролирует процесс испарения, можно сделать, рассчитав по уравнению Лэнгмюра теоретическую скорость испарения и сопоста­

Соизмеримость двух скоростей можно рассматривать как признак того, что акт испарения является одной из

54

лимитирующих стадий. В то же время такой стадией служит, по-видимому, и массоперенос. Об этом свиде­ тельствует, в частности, то обстоятельство, что фактиче­ ская скорость оказалась заметно меньше теоретической.

В условиях ВДП следует ожидать замедления обеих стадий процесса: массопереиоса в жидкой фазе, посколь­ ку в индукционной печи значительное влияние на пере­ нос вещества к поверхности оказывает электромагнитное перемешивание [44], далеко не всегда наблюдаемое при ВДП, и процесса испарения, поскольку в перифе­ рийной зоне жидкой ванны металл почти лишен пере­ грева над точкой плавления. Кстати, слабое перемеши­ вание также следует рассматривать в качестве одной из причин того, что константы скорости испарения при ва­ куумной дуговой плавке ниже, чем при вакуумной ин­ дукционной.

Роль диффузионного звена в испарении марганца пз расплава в вакуумной дуговой печи дополнительно про­ верили в серии опытов с искусственным вращением жид­ кого металла с помощью соленоида. Константа скорости испарения в этих опытах оказалась вдвое выше, чем при

обычном переплаве (табл. 10).

Таблица 10

Влияние динамического состояния жидкой ванны при ВДП на значения константы скорости испарения марганца (кристаллизатор диаметром 320 мм; сила тока 6,5 кА)

Наиболее очевидной причиной столь значительного роста константы следует, конечно, признать ускорение массопереноса в жидкой фазе — подвода атомов мар­ ганца к поверхности испарения. Но нельзя также исклю­ чать и других возможных причин, например перераспре­ деления в результате вращения температуры в поверх­ ностном слое ванны с некоторым ее увеличением в периферийной зоне, Кроме того, возможно, что магнит-

55

ііое поло, с помощью которого обеспечивается вращение, оказывает определенное влияние на степень ионизации металлических паров или на траекторию движения ионов, и это в свою очередь увеличивает суммарные по­

терн марганца.

На поведении марганца при переплаве сказывается и химический состав металла. Это обнаружено при сопо­ ставлении данных, относящихся к металлу с различным содержанием углерода [43]. Автор объясняет замедлеи-

Рнс. 17. Влияние содержания углерода в стали на констан­ ту испарения марганца К ^ п [43]:

/ — плавки с тсмператупоП плавления 1475—1500° С: // — то же. но с учетом влияния температуры па константу испаре­ ния

мое испарение марганца из стали с высоким содержани­ ем углерода двояко: с одной стороны, пониженной тем­ пературой плавления такого металла и, следовательно, уменьшением температуры ванны, а с другой стороны — влиянием углерода на коэффициент активности марган­ ца. Следует заметить, что при сравнении сталей с раз­ ным содержанием углерода, но с близкой температурой плавления (рис. 17) влияние углерода незначительно.

На основании статистических данных контроля про­ мышленных плавок в кристаллизаторе диаметром 400 мм при силе тока 7,5 кА нами подсчитаны константы скоро­ сти испарения для отдельных марок конструкционной стали:

в то же время для мягкого железа с содержанием мар-

56