Глава 10. Переплавные процессы

Переплавные процессы представляют собой различные способы переплава (с целью повышения качества металла) слитков или заготовки, предварительно полученных обычными спосо­бами выплавки (в дуговой электропечи, конвертере, марте­новской печи). Изменение состава переплавленных заготовок заключается в том, что в них уменьшается содержание вред­ных примесей и включений.

Кроме того, особые условия кристаллизации металла (бо­лее быстрая и направленная кристаллизация) обеспечивают существенное уменьшение неприятных последствий ликвацион-ных процессов и дефектов усадочного происхождения.

Помимо названия "переплавные процессы" используют на­звания "специальная металлургия" или "специальная элект­рометаллургия".

К переплавным процессам часто относят также плавку стали в вакуумной индукционной печи (вакуумный индукцион­ный переплав или сокращенно ВИП).

Первые промышленные вакуумные индукционные печи появи­лись около 35 лет тому назад, это были первые вакуумные агрегаты, предназначенные для плавки стали.

§1. Вакуумный индукционный переплав

Этот метод позволяет получить металл строго заданного состава, очень чистый по содержанию газов, неметалличес­ких включений, примесей цветных металлов. Недостаток ме­тода - контакт металла с футеровкой. В настоящее время

Рис. 227. Схема процессов электропереплава (а — вакуумно-дуговой; б — электрошлаковый; в — электронно-лучевой; г — плазменный с радиальным разме­щением плазмотронов; д — плазменный с осевым размещением плазмотронов): 1 - источник питания; 2 - слиток; 3 - ванна расплава; 4 - кристаллизатор; 5 — электрод (переплавляемая заготовка); 6 — герметизированная камера; 7 — шлаковая ванна; 8 - шлаковая "рубашка" (при ЭШП); 9 - фокусирующее устрой­ство; 10 — плазмотрон

660

661

ВИП используется как метод предварительной выплавки шихты в виде заготовки для других переплавных процессов, для производства сплавов ряда марок ответственного назначения и особо качественных отливок, в частности из жаропрочных сплавов для изготовления деталей реактивных двигателей (например, лопаток газовых турбин).

В чистом виде "переплавными" процессами являются пере­плавы: вакуумно-дуговой (ВДП), электрошлаковый (ЭШП), электронно-лучевой (ЭЛП), плазменно-дуговой (ПДП). Прин­ципиальная схема переплавных процессов представлена на рис. 227.

§2. Вакуумный дуговой переплав

На схеме рис. 227, а показано, что под воздействием высо­ких температур, возникающих в зоне электрической дуги между переплавляемым электродом и поддоном кристаллиза­тора, металл на нижнем торце электрода расплавляется и капли расплавленного металла падают в ванну, где под воз­действием охлаждения кристаллизатора формируется слиток. До начала операции печь вакуумируют (остаточное давление обычно не более 1,33 Па); вакуумные насосы продолжают ра­ботать в течение всей плавки. Таким образом, капли метал­ла падают через вакуумированное пространство, при этом обеспечивается очень полное очищение металла от газов, оксидных неметаллических включений (общее содержание кис­лорода снижается до очень низких пределов), от примесей некоторых цветных металлов и получается плотный слиток. Кристаллизация металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе (обычно медном) имеет четко направленный характер, отве­чающий направлению отвода тепла. В результате ВДП механи­ческие характеристики металла улучшаются и становятся почти одинаковыми в различных направлениях. В современных установках ВДП получают слитки массой от нескольких сотен килограммов до 40—50 т.

Достоинством способа ВДП является отсутствие контакта металла с огнеупорной футеровкой, недостатком — невозмож­ность снижения содержания серы (отсутствие шлаковой фазы). Дуговая выплавка отличается высокой концентрацией тепла в дуге, поэтому ВДП получил широкое распространение при производстве слитков из тугоплавких металлов (титана,

662

циркония, ниобия, молибдена, вольфрама и др.). Схему, при применении которой электрод переплавляется, называют ВДП с расходуемым электродом. На рис. 228 показана современ­ная вакуумно-дуговая печь с расходуемым электродом.

В некоторых случаях изготовить расходуемый электрод невозможно (например, при переплаве титановой губки). В этих случаях губчатый или порошкообразный материал расп­лавляют, помещая его в зону дуги между постоянным (нерас-ходуемым) электродом и ванной. Такой метод называют ВДП с нерасходуемым электродом. Полученный таким образом слиток обычно еще раз переплавляют методом ВДП с расходуемым

У »»>/>»

663

Р ис. 228. Вакуумно-дуговая печь: 1 — механизм перемещения электро­да; 2 — вакуумная камера; 3 — ме­ханизм прижима электрода; 4 — на­правляющие кристаллизатора; 5 — кристаллизатор с поддоном; 6 — механизм подъема кристаллизатора; 7 — механизм разгрузки; 8 — патрубок с вакуумным насосом

Рис. 229. Вакуумная дуговая гар-нисажная печь:

1 — электрод; 2 — тигель; 3 — же­лоб: 4 — форма; 5 — стационарные заливочные камеры; б — стол цент­робежной машины

электродом. При ВДП с нерасходуемым электродом вместо кристаллизатора иногда устанавливают металлический водо-охлаждаемый тигель; во время плавки на стенках тигля образуется корочка переплавляемого металла (гарнисаж) и расплав контактирует с гарнисажем из этого же металла. Печи такого типа называют гарнисажными.

Вакуумные дуговые гарнисажные печи (ВДГП) используют также для фасонного литья отливок особо ответственного назначения. На рис. 229 изображена схема современной гар-нисажной печи емкостью 0,6 т с разливкой металла по жело­бу. Плавильная поворотная камера соединена с двумя ста­ционарными заливочными камерами с помощью патрубков и поворотных вакуумных уплотнителей. Нерасходуемые электро­ды обычно делают из вольфрама.