Основные способы рафинирования спецсталей

 

Традиционными методами выплавки и разливки в ряде случаев нельзя получить металл требуемого качества. Взаимодействие жидкой стати в процессе выплавки и разливки с огнеупорными материалами, шлаком и атмосферой неизбежно приводит к значительному загрязнению металла неметаллическими включениями и газами. Затвердевание металла в чугунных изложницах сопровождается дефектами кристаллизационного (усадочные раковины, пористость, трещины и т.д.) и ликвационного происхождения.

Для повышения чистоты металлов и улучшения их физико-химических свойств металлурги используют различные виды воздействия на металл. Эти виды воздействия можно условно разделить на четыре группы:

1) применение шлаков или газов в качестве рафинирующих реагентов для проведения реакций дефосфорации и десульфурации, экстрактивного удаления из металла растворенных газов и неметаллических включений;

2) повышение температуры металлов, которое приводит к интенсификации процессов раскисления их растворенным углеродом, всплыванию неметаллических включений и т.д.;

3) вакуумирование металла, значительно повышающее раскислительную способность углерода и снижающее содержание растворенных газов и легкоплавких примесей цветных металлов, а также неметаллических включений в результате их флотации при барботировании металла;

4) принудительная кристаллизация в водоохлаждаемых кристаллизаторах, что дает возможность, регулируя скорость кристаллизации, получать желаемую макроструктуру, повышать плотность металла, оттеснять в металлическую ванну неметаллические включения с низкой адгезией, получать слитки без зональной ликвации, газовых пузырей и практически без усадочных раковин.

В конце 50-х - начале 60-х годов XX в. с началом освоения на заводах качественной металлургии процессов электрошлакового переплава (ЭШП) и вакуумно-дугового переплава (ВДП), а затем и вакуумно-индукциоиного переплава (ВИИ) связано рождение новой промышленной отрасли - специальной электрометаллургии (СЭМ). Эти и последующие годы ознаменовались значительными успехами в повышении качества металла, что главным образом связано с успешным развитием процессов ВИП, ВДП, ЭШП, электронно-лучевого переплава (ЭЛП), плазменно-дугового переплава (ПДП). Успехи специальной металлургии связаны с применением одного или нескольких рафинирующих воздействий для коренного улучшения качества металла.

В таблице 4.1 показано, как при различных процессах рафинирующей обработки используются эти средства повышения качества металла. Наиболее прогрессивными являются процессы переплава, так как они позволяют одновременно использовать почти все средства.

Таблица 4.1 - Эффективность различных способов обработки металла

Способ производства	Рафинирование шлаком и газом	Перегрев металла	Вакуумирование	Принудительная кристаллизация
Вакуумирование в ковше при разливке	–	–	+	–
Обработка синтетическим шлаком в ковше	+	–	–	–
Продувка металла в ковше газом	+	–	–	–
Вакуумно-индукционная плавка	–	–	+	–
Вакуумно-дуговой переплав	–	+	+	+
Электрошлаковый переплав	+	+	–	–
Электроннолучевой переплав	–	+	+	+
Плазменно-дуговой переплав в регулируемой атмосфере	+	+	–	+
Плазменный переплав в вакууме	–	+	+	+

 

Переплавные процессы объединены в особую группу специальной электрометаллургии - вторичные рафинирующие процессы. Общими для них являются переплав расходуемых заготовок (электродов), капельный перенос переплавляемого металла, последовательная кристаллизация его в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Во всех этих процессах используется электрический источник тепла, под действием которого металл плавится. В то же время вторичные рафинирующие процессы различаются характером преобразования электрической энергии в тепловую, наличием или отсутствием вакуума и шлака в плавильном пространстве и рядом других особенностей.

Источником нагрева при ПДП является энергия дугового разряда, при ЭЛП - энергия электронного луча, при ЭШП - тепло, выделяемое при прохождении тока через шлак, при ПДП - низкотемпературная плазма, температура которой колеблется в пределах 5000 - 30000 К.

ЭШП, ВДП, ЭЛП и ПДП являются высокоэффективными рафинирующими процессами, гак как они повышают общую чистоту металла, снижают содержание в нем вредных примесей, а получаемый слиток имеет минимальное развитие физической и химической неоднородности. Указанные процессы позволяют устранить ликвациопные и усадочные дефекты, повысить служебные характеристики металла.

Электрошлаковый переплав - отечественный способ улучшения качества сталей и сплавов, разработанный в 1952 г. в Институте электросварки им. Е.О. Патона при академии наук СССР. Он широко применяется для производства шарикоподшипниковых, быстрорежущих, нержавеющих, теплоустойчивых, жароупорных сталей и жаропрочных сплавов. В последние годы способ ЭШП начали интенсивно развивать за рубежом, однако до настоящего времени приоритет в развитых капиталистических странах принадлежит вакуумно-дуговому переплаву (ВДП). В значительно меньшей степени за рубежом и в России используется электронно-лучевой переплав (ЭЛП).

Плазменно-дуговой переплав, так же как и электрошлаковый переплав, - отечественный способ вторичного рафинирования стали. Первый слиток методом ПДП получен в 1963 г. в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН СССР. В создании и разработке метода плазменно-дугового переплава активное участие приняли Институт металлургии им. А.А. Байкова при академии наук СССР, Московский институт стали и сплавов, а также ряд других организаций, в том числе и металлургических предприятий. Отечественные разработки в области плазменно-дугового переплава занимают главенствующие позиции, что подтверждается патентованием способа и оборудования ПДП в развитых странах. Зарубежные фирмы проявляют интерес к указанному виду переплава и работают над технологическими схемами переплава и созданием мощных плазмотронов.

К началу 90-х годов прошлого века на отечественных предприятиях насчитывалось около 120 печей ЭШП, 70 печей ВДП, 3 печи ЭЛП и 3 печи ПДП. Па печах ЭШП производили около 400 - 450 тыс. т стали. ВДП - 100 - 110 тыс. т. В настоящее время во всем мире только методом ЭШП производят около 800 - 900 тыс. т стали с ежегодным приростом 10%. Выплавка металла методами спецэлектрометаллургии составляет 15% от объема выплавки электростали и продолжает наращиваться.

Сортамент сталей и сплавов, выплавляемых методами спецэлек-трометаллургии включает более 300 различных по своему химическому составу и назначению сталей и сплавов. Это высоколегированные жаропрочные сплавы на никелевой и хроможелезоникелсвой основе, нержавеющие стали, высокопрочные мартенситностареющие стали, стали и сплавы специального назначения, дисперсионно-твердеющие жаропрочные суперсплавы нового поколения.

В обобщенном виде сортамент легированных сталей и сплавов по методам выплавки распределяется следующим образом:

Конструкционные:

-цементуемые и улучшаемые                           ЭШП, ВДП;

-высокопрочные                                      ВДП, ВИП+ВДП;

-углеродистые                                      ЭШП, ПДП;

коррозионно-стойкие                                  ВДП, ВИП, ЭШП, ЭЛП, ПДП;

сварочные                                               ВИП;

высокопрочные мартенситиостареющие             ВИП, ВИП+ВДП, ВИП+ЭЛП;

жаропрочные и жаростойкие сплавы     ВИП. ВИП+ВДП, ВИП+ЭЛП;

приборные стали и сплавы, прецизионные ВИП, ВИП+ВДП. ВИП+ЭЛП, ПДП.

Распределение марочного состава по объему выплавки методами спецэлектрометаллургии на примере ОАО «Мечел» приведено ниже. Метод ВИП:

- 55% нержавеющие и коррозионно-стойкие стали типа 03X181112, 08Х 18Н1 ОТ, ЭИВ44, Э11543У;

- 29% жаропрочные сплавы типа ЭП718 и ЭП696.

- 15% мягкое железо, специальные и прецизионные стали и сплавы типа ЭП-678, ЭП637А, 29НК.

Более 70% объема металла, получаемого методом ВИП, идет на электроды для ВДП.

Метод ВДП:

- 75% конструкционные стали типа 30ХГСИ2А, 55СМ5ФА, СН28(33) и др.;

- 20% нержавеющие и специальные коррозионно-стойкие стали типа 12X181 ПОТ, ОИ810, ЭП494 и др.;

- 3% жаропрочные сплавы типа ЭП718, ЭИ698, ЭП742;

- 2% другие марки.

Каждый из рассмотренных методов имеет свою сферу применения в зависимости от сортамента и требований, предъявляемых к стали. Некоторые марки стали ответственного назначения могут выплавляться только способами спецэлектрометаллургии.

Основными способами, позволяющими получать весьма чистые стали и сплавы методами спецэлектрометаллургии, являются:

- плавка в вакууме;

- воздействие на металл плазменной дугой;

- вторичный переплав металла в кристаллизатор.

Вакуум используется в процессах ВИП, ВДП, ВДП и ЭЛП, плазма - в процессах ВИП, ПДП, вторичный рафинирующий переплав - в процессах ВДП, ВИП, ЭЛП, ЭШП и ПДП.