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.