книги из ГПНТБ / Сергеев, А. Б. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали

'ДК 66*. 1 8 7 .^ 6 9 ^ -- чмзд

192с.

Обобщен опыт переплава конструкционной стали в промышлен­

ных вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом. Описаны сопровождающие переплав процессы: плавление металла, испарение примесей, рафинирование от газов и неметаллических включений и затвердевание. Рассмотрено влияние на эти процессы, а также па особенности кристаллического строения и свойства получаемой стали, условий переплава, в том числе диаметра слитка и электрического

режима.

Книга рассчитана на ннженеров-металлургов и научных работ­ ников, занимающихся получением металлов и сплавов методом ВДП, а также другими способами переплава расходуемых электродов; мо­ жет быть полезна студентам металлургических вузов. Табл. 51. Ил. 84. Список лит.: 108 назв.

© Издательство «Металлургия», 1974.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Гл а в а 1. Современная технология производства стали ме­ тодом В Д П ..........................................................

Конструктивные особенности современных вакуумных дуго­

3

ВВЕДЕНИЕ

Стремительный рост скоростей, нагрузок, температур в самых различных областях техники оказался возмож­ ным только благодаря созданию и широкому распрост­ ранению совершенно новых металлургических процес­ сов, таких как электрошлаковый н вакуумный дуговой переплав, вакуумная индукционная плавка. Эти процессы в совокупности с появившимися в последенее время новей­ шими способами плавки (электроннолучевым и плазмен­ ным) представляют собой самостоятельную отрасль ме­ таллургического производства, так называемую специаль­ ную электрометаллургию. По мере становления каждого из новых способов плавки определяется его место в про­ изводстве стали и сплавов. При этом принимаются во внимание возможности процесса, состав и назначение ме­ талла, а также экономические факторы.

Среди методов специальной электрометаллургии все более заметную роль приобретают в последнее время процессы, основанные на переплаве расходуемых элект­ родов в водоохлаждаемых кристаллизаторах. Их общей отличительной чертой являются благоприятные условия затвердевания металла, предопределяющие высокую степень его однородности и плотности, дисперсность структуры и неметаллических включений. Вместе с тем каждый из этих методов характеризуется и определен­ ными дополнительными факторами, существенно влияю­ щими на эффективность переплава. Так, например, при электрошлаковом переплаве дополнительной рафини­ рующей средой является слой разогретого шлака, взаи­ модействуя с которым, металл частично освобождается от серы и неметаллических включений. При вакуумной дуговой и электроннолучевой плавке роль рафинирую­ щей среды играет вакуум, благодаря которому из метал­ ла выделяются растворенные в нем газы, испаряются некоторые вредные примеси цветных металлов. В ваку­ уме получают заметное развитие реакции восстановле­ ния включений некоторых типов углеродом.

Переплав расходуемых электродов в вакуумных дуговых печах, вначале применявшийся исключительно для получения активных и тугоплавких металлов, за последние полтора десятилетия сделался одним из важ ­ нейших способов улучшения качества стали и сплавов. По мере роста производственных мощностей расширял-

4

ся сортамент переплавляемого металла: вначале это были преимущественно подшипниковые стали и жаро­ прочные сплавы, позднее — и конструкционная сталь. Рассматривая изменения сортамента ВДП за последние годы, можно уловить тенденцию к дальнейшему росту доли конструкционной стали. Это неудивительно, так как, с одной стороны, непрерывно расширяется произ­ водство разных высокопрочных сталей, которым ваку­ умный переплав сообщает наиболее благоприятный комплекс свойств, с другой стороны, появляются все но­ вые сферы применения вакуумного металла, особенно там, где наряду с высокими механическими свойствами материалов требуется максимальная долговечность и на­ дежность изготовляемых из них изделий.

Масштабы использования вакуумной конструкцион­ ной стали характеризует хотя бы такой пример: для по­ стройки одного только коммерческого реактивного лай­ нера Боинг-747 требуется более 100 т металла, переплав­ ленного в вакууме, а на изготовление транспортного самолета С5А расходуется 80 т вакуумной сверхпроч­ ной стали [1].

Первые исследования процесса ВДП на лаборатор­ ных установках и качества получаемой стали провели Г. Н. Окороков, И. В. Полин, Э. И. Серебрийский, Л. Н. Белянчиков, В. А. Бояршинов и др. Авторам книги в числе первых в нашей стране довелось участвовать в разработке и исследовании промышленной технологии ВДП стали и сплавов и, в частности, конструкционной стали. Деятельное творческое участие в этих работах принимали Д. П. Долинин, Б. К- Каравашкин, А. П. Ка­ рякин, Е. Б. Качанов, Н. В. Кейс, Ю. В. Кофман, Н. П. Поздеев, Г. А. Хасин и другие специалисты. Ряд исследований процесса рафинирования выполнен под руководством Д. Я- Поволоцкого.

Большую помощь в освоении и изучении вакуум­ ной дуговой плавки неизменно оказывал А. Н. Морозов.

В результате проведенных работ были определены требования к расходуемым электродам, электрический и магнитный режимы переплава для ряда сталей. Не менее важны полученные при этом сведения о законо­ мерностях процессов, сопровождающих переплав: плав­ ления, рафинирования металла от газов и включений, затвердевания, о влиянии факторов плавки на характер структуры, а также о происхождении некоторых ее осо­

5

бенностей и дефектов. Достоверность и общность резуль­ татов этих исследований, проведенных в основном на кристаллизаторах диаметром до 460 мм, подтвержде­ ны позднее при освоении ВДП в более крупных печах.

Авторы видят свою основную задачу в том, чтобы представить в систематизированном виде основные ре­ зультаты исследований технологии вакуумного дугово­ го переплава, структуры и свойств получаемой этим ме­ тодом конструкционной стали. Многие пз рассматрива­ емых вопросов, несмотря на то, что они поставлены

плава расходуемых электродов — пе только в вакууме, но также в инертной среде и на воздухе.

В книге обобщаются главным образом данные соб­ ственных исследований, проведенных преимущественно на Челябинском металлургическом заводе, который явился в отечественной металлургии пионером широкого промышленного освоения производства конструкцион­ ной стали методом вакуумного дугового переплава. По мере необходимости привлекались и сведения из литера­ туры, однако мы не имели в виду представить полную сводку многообразного литературного материала по те­ ме работы, появившегося за последние годы. Такая зада­ ча по ряду причин представляется чрезвычайно сложной. Прежде всего, слишком неодинаков методологический подход к исследованию одних и тех же процессов в раз­ личных работах. Далее, большинство исследований про­ ведено при переплаве самых разнообразных сталей и сплавов в кристаллизаторах различного размера, часто лабораторного масштаба. Наконец, не существует пока единства даже в отношении терминологии, что объясня­ ется относительной новизной изучаемого предмета.

Значительное место в книге отведено описанию и анализу процессов рафинирования и затвердевания металла, так как они в наибольшей степени определяют качество стали переплавленной в вакууме.

Авторы благодарят работников Челябинского метал­ лургического завода и Челябинского НИИМ, принимав­ ших участие в проведении исследований и помогавших при оформлении рукописи. Авторы считают также своим долгом выразить большую признательность проф. докт. техн. наук А. Н. Морозову за ценные замечания, сделан­ ные им при рецензировании книги.

6

Г Л А В А 1

СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ МЕТОДОМ ВДП

Переплав расходуемых электродов в вакуумной ду­ говой печи основан на нагреве и плавлении в вакууме металлической заготовки электрической дугой большой мощности п одновременном затвердевании металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Верхний торец формируемого таким образом слитка непрерывно обо­ гревается дугой, и это обеспечивает необходимый перег­ рев поверхности над точкой плавления, создавая усло­ вия для направленного затвердевания. Во время плавле­ ния и выдержки в жидком состоянии металл частично освобождается от газов, вредных примесей и неметалли­ ческих включений.

В вакуумном переплаве нашли удачное применение ценные для металлургического процесса свойства элект­ рического дугового разряда низкого давления: высокая концентрация энергии на катоде, функции которого обычно выполняет расходуемая заготовка, и сравнитель­ но равномерное распределение энергии как по торцу ка­ тода, так и по аноду. Эти свойства дуги придают процес­ су в целом простоту и надежность, иногда недооценивае­ мые при сопоставлении его с другими методами специальной электрометаллургии. А ведь только при ВДП источник нагрева размещается непосредственно на расходуемом электроде, т. е. не требуется установки дополнительных электроннолучевых пушек или плазмот­ ронов и создания шлаковой ванны, которая также может служить тепловыделяющим элементом. Это, кстати, предопределяет и наименьший (по сравнению с осталь­ ными способами) расход электроэнергии на переплав.

Для осуществления ВДП, кроме собственно печи и расходуемого электрода, необходимы лишь источник постоянного тока и вакуумная система. Еще в недале­ ком прошлом это оборудование было громоздким, силь­

7

но повышало стоимость установки в целом и усложняло ее эксплуатацию. В особенности это относится к машин­ ным преобразователям постоянного тока. После замены их мощными кремниевыми выпрямителями с дросселя­ ми насыщения резко уменьшились колебания тока при коротких замыканиях, упростилось обслуживание печи и регулирование электрического режима. Получение необ­ ходимого для ВДП вакуума также не является в настоя­ щее время проблемой. Промышленность выпускает до­ статочно производительные механические и паро-масля­ ные насосы, обеспечивающие быструю откачку объемов порядка десятков кубических метров до давления

10~3 мм рт. ст.

Все это позволяет утверждать, что вакуумный дуго­ вой переплав в течение длительного периода будет оста­ ваться одним из основных методов улучшения качества стали и сплавов.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ВАКУУМНЫХ ДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ

Вакуумные дуговые печи с расходуемым электродом независимо от их конструкции представляют собой сово­ купность ряда узлов и систем, выполняющих определен­ ные функции в процессе переплава (рис. 1). Одна из ос­ новных деталей — кристаллизатор — представляет собой медную трубу круглого или прямоугольного сечения, устанавливаемую в корпусе из нержавеющей стали. В зазор между корпусом и стенкой кристаллизатора по­ дается проточная вода для охлаждения. Верхняя часть кристаллизатора снабжена медным фланцем, снизу он плотно закрывается водоохлаждаемым поддоном, изго­ тавливаемым обычно из меди или из сплава на ее

толстого стального листа, служащему одновременно ем­ костью для размещения верхней части расходуемого эле­ ктрода и штока, несущей конструкции для большин­ ства деталей печи, вакуум-провода и токоподвода. На верхней крышке имеются смотровые окна для наблюдения за процессом переплава и вакуумное уплотнение, через которое в печь вводится шток с электрододержателем. Шток представляет собой ох­ лаждаемую водой полированную стальную трубу. Для

8

уменьшения общего сопротивления штока его часто выполняют в виде биметаллической конструкции: на­ ружная стальная труба несет механическую нагрузку,

чи электрода в ходе плавки. Вакуумная система обыч­

разрежения и паро-масляных насосов, создающих рабо­ чее давление порядка 10~3 мм рт. ст. Системой трубопро­ водов, снабженных вакуумными затворами, насосы сое­ динены' с камерой печи.

В состав агрегата входит также источник постоянно­ го тока — машинный преобразователь или полупровод­ никовый выпрямитель. От этого источника ток подается к печи при помощи шин и гибких кабелей. Последние применяют для подвода тока к штоку, а также и к каме­ ре печи на печах некоторых типов.

Для наблюдения за плавкой используют два перис­ копа, установленные над смотровыми отверстиями. Изображение зоны плавления (вид сверху) можно прое­ цировать на экран или наблюдать непосредственно че­ рез окуляр перископа. Применяют также и телевизион­ ные системы.

9