Особенности формирования слитка при вакуумном дуговом переплаве

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Особенности формирования слитка при вакуумном дуговом переплаве

30.10.2020

Как указывалось, главное преимущество переплавного процесса перед обычными способами получения слитков в изложнице заключается в целенаправленном воздействии на кристаллизацию металла. Активно вмешаться в формирование слитка позволяют два фактора: замедленное наполнение кристаллизатора и обогрев зеркала ванны. Из-за особенностей источника теплоты при ВДП они оказываются связанными друг с другом и с электрическим режимом (током дуги). Эту взаимосвязь, а также ее влияние на другие важные показатели формирования слитка можно изобразить мнемонической схемой
Особенности формирования слитка при вакуумном дуговом переплаве

Влияние тока дуги Iд на массовую скорость переплава Q, а последней — на глубину h'м и форму металлической ванны описано в предыдущем параграфе. Из него, в частности, следует вывод о прямо пропорциональной зависимости глубины ванны от величины тока дуги.

Глубина и форма ванны — важные показатели, информирующие, например, о преимущественном направлении роста столбчатых кристаллов. Однако они не дают полного представления об условиях затвердевания металла, пока не установлена их связь с основными показателями кристаллизации: скоростью роста кристаллов vx. температурным градиентом G у фронта затвердевания, протяженностью двухфазной зоны Аf, локальным временем затвердевания тj. Совокупность этих факторов определяет показатели структурной и химической неоднородности металла, которые для простоты на схеме выражены через расстояние между осями дендритов первого и второго порядка d1,2. Особенность формирования слитка при ВДП состоит в том, что здесь можно повлиять на какой-либо из показателей только через последовательность предшествующих перечисленных звеньев цепи. При этом величина тока оказывается единственным регулирующим, а потому требующим оптимизации параметром. Проследим эту связь подробнее.

Линейная скорость затвердевания vx — это скорость перемещения фронта кристаллизации в перпендикулярном ему направлении. При формировании столбчатой структуры она равна скорости роста вершин главных осей дендритов Rк. Обычно v, определяют для квазистационарного режима переплава, основное условие которого — равенство массовых скоростей плавления электрода и затвердевания металла. В этом случае скорость продвижения фронта по оси слитка v0 равна скорости наплавления. Для любой другой точки значения vx рассчитывают по формуле:

где а — угол между касательной к профилю ванны в выбранной точке и осью абсцисс.

Скорость затвердевания стали в чугунных изложницах уменьшается по мере нарастания коркового слоя слитка (кривая А на рис. 49), что описывается известным законом квадратного корня. Одна из особенностей кристаллизации металла при ВДП — увеличение скорости продвижения фронта затвердевания от поверхности к оси слитка (рис. 49). Наряду с этой общей тенденцией отмечают необычный характер изменения скорости вблизи стенки кристаллизатора: на расстоянии 20—50 мм от нее скорость может резко уменьшаться, иногда до нуля.

Такое отличие обусловлено обогревом зеркала ванны при ВДП. Скорость затвердевания зависит от соотношения количества теплоты, подводимой к фронту кристаллизации и отводимой от него через твердый металл к охлаждающей воде. Интенсивный подвод теплоты к фронту на периферии слитка приводит, как указывалось, к изменению кривизны профиля ванны. При форсированных режимах наплавления перегреты и более глубокие ее слои. В совокупности с ухудшением теплоотвода (из-за образования зазора между слитком и кристаллизатором) это выражается в появлении цилиндрической части ванны. Вертикальный участок профиля свидетельствует об установке здесь кристаллизации, продолжительность которой, зависящая от диаметра слитка и скорости его наплавления, может составлять несколько минут. Усреднение температуры по глубине ванны путем электромагнитного перемешивания металла способствует уменьшению цилиндрической ее части и выравниванию скорости затвердевания по сечению слитка (штриховые линии на рис. 48; 49, а).

Из этого следует вывод, что обогрев поверхности ванны при ВДП затормаживает затвердевание металла на ее периферии. На расстоянии, соответствующем примерно половине радиуса кристаллизатора, скорость кристаллизации металла при ВДП не отличается от таковой в обычном слитке. По мере удаления от поверхности слитка ВДП и уменьшения тормозящего влияния подвода теплоты к фронту скорость кристаллизации металла возрастает и определяется режимом переплава, поскольку на оси слитка она равна скорости его наплавления.

Замедление затвердевания и даже его прекращение — следствие большого значения температурного градиента в жидкой фазе у фронта кристаллизации. Экспериментальных данных о величине G не имеется. Согласно расчетам, процесс затвердевания стали останавливается при G = 85—100 °С/см. На участках фронта, соответствующих возобновлению процесса затвердевания, т. е. на расстоянии более 5—6 см от края слитка, величина G постепенно уменьшается до значений, близких к нулю.

Поскольку известно, что получению качественного слитка благоприятствует высокая скорость кристаллизации, возникает вопрос: в чем преимущество переплавного процесса, если при обычном формировании слитка в изложнице скорость затвердевания может быть даже выше? Дело в том, что высокая скорость затвердевания — необходимое, но не достаточное условие получения качественного слитка. He менее важно наряду с увеличением скорости сократить протяженность Af двухфазной области. От значения Аf зависит питание междендритных пространств, т. е. плотность металла. Совместно с гидродинамическими и диффузионными процессами величина Af влияет на процесс зональной ликвации. Однако более важным полагают тот факт, что при данной скорости продвижения фронта протяженность двухфазной зоны определяет локальное время затвердевания тf.

Ускорить продвижение фронта затвердевания не очень сложно. Например, в квазистационарном режиме непрерывной разливки стали скорость затвердевания металла по оси слитка составляет несколько метров в минуту. Однако при этом металлическая ванна и, следовательно, двухфазная зона имеют значительную протяженность, достигающую 10—12 м. Поэтому слиток, полученный на УНРС, не может иметь высокое качество внутреннего строения.

При кристаллизации конкретной стали или сплава величина Af прямо пропорциональна интервалу затвердевания TL-TS и обратно пропорциональна скорости эффективного отвода теплоты из двухфазной зоны. Если представить эту скорость как разность тепловых потоков на границах изоликвидус и изосолидус, то для квазистационарного режима затвердевания можно вывести соотношения, полезные для качественной оценки влияния некоторых факторов на величину Аf. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что для данной скорости продвижения фронта увеличение температурного градиента в жидкой фазе уменьшает протяженность двухфазной зоны, а значит, и локальное время затвердевания (рис. 50). Поэтому главное достоинство процессов переплава расходуемых электродов состоит в том, что при постепенном наплавлении слитка можно сохранить металлическую ванну в состоянии перегрева и изменением последнего регулировать протяженность двухфазной зоны, а также продолжительность локального затвердевания.

Увеличение диаметра слитка вызывает возрастание значений Af и тf. Это обусловлено, с одной стороны, уменьшением интенсивности отвода теплоты из двухфазной зоны, а с другой — снижением степени перегрева металла над температурой плавления и углублением металлической ванны, следовательно, уменьшением количества теплоты, подводимой к двухфазной зоне.

Величина тока дуги оказывает двойственное влияние на параметры, определяющие протяженность двухфазной зоны в слитке данного диаметра. Повышение тока приводит к увеличению глубины ванны, скорости затвердевания и изменению температурного градиента. Однако изменение величины G для разных участков фронта не одинаково: в осевой зоне она уменьшается, в периферийной — возрастает. Это отражается на изменении протяженности двухфазной зоны и продолжительности локального затвердевания металла (рис. 51). При форсированном наплавлении слитка значение тf увеличивается как для периферийных, так и для центральных его областей. При чрезмерно низкой производительности пребывание металла в двухфазном состоянии может быть также весьма продолжительным, поскольку уменьшение скорости затвердевания не компенсируется сокращением двухфазной зоны. Наилучшие условия кристаллизации металла при ВДП создаются при оптимально пониженном токе дуги.

Для слитка ВДП, как и для металла, затвердевшего в изложнице, характерно огрубление дендритной структуры по мере приближения к его оси (рис. 52, а). При нарастании оболочки обычного слитка скорость продвижения фронта уменьшается, что позволяло представить размеры межосных промежутков зависящими только от скорости затвердевания (рис. 52, б). Аналогичная зависимость применительно к слитку ВДП обнаруживает необычный характер: с увеличением скорости продвижения фронта увеличиваются и расстояния между осями дендритов. Причем на периферии слитка ВДП они меньше, чем в обычном при одинаковой скорости затвердевания, и лишь в осевых объемах сближаются с таковыми для металла обычного производства.

Объяснить такое изменение микроструктуры металла ВДП можно только с привлечением остальных показателей кристаллизации. Высокий температурный градиент у фронта затвердевания тормозит его продвижение, но вместе с тем уменьшает протяженность двухфазной зоны. Продолжительность перехода металла из жидкого в твердое состояние на периферии меньше, чем у оси слитка, где температурный градиент существенно ниже, а повышение скорости затвердевания не компенсирует увеличения Аf. Поэтому наблюдающееся увеличение межосных промежутков от края к оси слитка ВДП (впрочем, как и обычного) вызвано увеличением времени локального затвердевания. Изменения любого технологического параметра ВДП, способствующие этому явлению, например, увеличение диаметра слитка и тока дуги, приводят к огрублению дендритной структуры металла (табл. 10).

С увеличением поперечного сечения слитка температурный градиент у фронта затвердевания существенно уменьшается и его регулирующее влияние ослабевает. Это приводит к тому, что на показатели дисперсности структуры металла в слитках ВДП большого диаметра определяющее влияние оказывает скорость затвердевания, которая связана с электрическим режимом переплава. Поэтому для слитков диаметром более 1 м связь между степенью дисперсности структуры и величиной тока дуги становится экстремальной. Величина оптимального тока не совпадает с минимальным для данного кристаллизатора значениями, а заметно превосходит их. Например, при ВДП в кристаллизаторе диаметром 1120 мм току 20 кА соответствует настолько низкая линейная скорость затвердевания, что дендритное строение металла оказывается более грубым по сравнению с участками слитка, наплавленными быстрее, при 24 кА (табл. 11).

Для макроструктуры металла ВДП характерно следующее. При оптимальном режиме переплава в стальном слитке малого диаметра (до 300—400 мм) зона столбчатых кристаллов распространяется до его оси. При увеличении производительности в слитке появляется центральная зона равноосных кристаллов. Трехзонное строение характерно и для крупных слитков ВДП, что вызвано невозможностью раздельно регулировать производительность процесса и обогрев зеркала ванны.

Металл зоны столбчатых кристаллов имеет повышенные эксплуатационные свойства по сравнению с центральной зоной слитка ВДП. Это означает, что при высоких требованиях, предъявляемых к качеству металла, переплав необходимо осуществлять в кристаллизаторе небольшого диаметра при оптимальной величине тока, чтобы получить слиток со столбчатой структурой. Однако наличие в слитке ВДП зоны равноосных кристаллов еще не свидетельствует о значительном ухудшении его качества, поскольку при благоприятных условиях переплава в этой зоне нет ярко выраженной физической и химической неоднородности, характерной для обычного слитка. Ho при форсированной скорости наплавления, большом диаметре слитка, а также при завершении переплава без выведения усадки условия формирования слитка при ВДП приближаются к таковым при затвердевании стали в изложнице. Если не принимать специальных мер, и при ВДП можно получить слиток, имеющий крупную усадочную раковину, осевую рыхлость и пористость, зональную сегрегацию.

Характерным примером влияния на степень сегрегации прежде всего условий затвердевания металла, а не его загрязненности, служит зональная сегрегация в слитках титановых сплавов. Внешний вид и топография «усов» в слитках сплава ВТЗ идентичны этому дефекту в стальных слитках. Однако здесь шнуры обогащены не углеродом и серой, как в стальных слитках, а ликвирующими в титане хромом, железом и кремнием. Зональной сегрегации в слитках титановых сплавов не свойственно наличие эвтектики и HB, она не вызывает появления несплошностей и разрушения металла в литом состоянии или при деформации, но усугубляет общую неоднородность литого металла. Признаки макросегрегации обнаруживаются в слитках титановых сплавов уже при их диаметре 300 мм, а в слитках большего диаметра она выражена отчетливо.

Кроме перечисленных в слитке ВДП могут образоваться специфические дефекты макроструктуры (пятнистая сегрегация и слоистая структура), связанные с условиями кристаллизации, а также дефекты, возникающие независимо от этих условий («корона», шлаковые включения, свищи).

Пятнистая сегрегация — разновидность локальной химической неоднородности металла, обнаруживаемая в слитках ВДП преимущественно конструкционных сталей. Склонность сталей к образованию этого дефекта возрастает с увеличением содержания в них углерода, что, вероятно, связано с расширением температурного интервала затвердевания. Часто пятнистая сегрегация встречается и в сплавах на хромоникелевой основе, легированных титаном и алюминием.

Пятнистая сегрегация представляет собой участки металла с повышенной травимостью (пятна), которые на продольном темплете ориентированы вдоль контура ванны, а на поперечном — по окружности, создавая картину завихрения. Результаты исследования микроструктуры металла пятен свидетельствуют о весьма редком расположении дендритных осей и о наличии грубых пор усадочного происхождения. Металл в зоне пятна отличается повышенным содержанием легирующих элементов и вредных примесей, образующих крупные неметаллические включения. Характер ликвации здесь качественно соответствует изменению состава стали в шнурах зональной сегрегации.

Как указывают авторы работы, в настоящее время известно гораздо больше об условиях, способствующих возникновению пятнистой сегрегации, чем о механизме ее образования. Однозначная взаимосвязь этого дефекта и интенсивного движения металлической ванны установлена давно. Чем сильнее в зоне плавления магнитное поле, вызывающее перемешивание расплава, тем более благоприятны условия возникновения пятнистой сегрегации. Предполагают, что вращение ванны вызывает дробление твердожидкой зоны на участки с неравномерным распределением ликватов. Оставаясь длительное время в жидком состоянии, замкнутые междендритные объемы увеличиваются за счет окружающего металла. Следует отметить, что этот дефект не встречается в зоне направленного роста кристаллов и его появление всегда связано с образованием равноосной неориентированной структуры металла. Основной метод борьбы с пятнистой сегрегацией — усовершенствование конструкции печей ВДП с целью компенсации магнитных полей в кристаллизаторе. Наиболее эффективно применение коаксиального токоподвода.

Слоистая структура встречается в слитках ВДП в двух разновидностях: «послойная кристаллизация» и «светлый контур». Послойная кристаллизация (или «светлые нити») представляют собой тонкие, с пониженной травимостью (потому и светлые) слои металла, которые в сечении слитка повторяют профиль металлической ванны (рис. 53). Светлый контур — более грубая разновидность слоистой структуры. Нa продольном темплете это широкая светлая полоса, параллельная образующей слитка и расположенная на расстоянии 20—60 мм от поверхности. На поперечных темплетах полоса повторяет контур сечения кристаллизатора.

Эти дефекты обнаруживаются только в зоне ориентированного роста кристаллов, чаще всего в донной и головной части слитков. Исследования микроструктуры металла таких участков показывают различную степень ее дисперсности. В светлых полосах количество дендритных осей 1-го порядка на единицу площади образца в несколько раз превышает такой показатель для остального металла. В зоне светлого контура это различие еще более выражено. Микроструктура металла представлена здесь плотноупакованными кристаллами, лишенными вторичных ветвей, и напоминает ячеистую структуру. Светлые полосы обеднены сильно ликвирующими элементами (углерод, сера).

Склонность стали к дефектам слоистой структуры в противоположность пятнистой сегрегации возрастает с уменьшением содержания углерода. Причем взаимосвязь этих видов дефектов своеобразна. Если при пониженной скорости плавления электрода в слитке образуется, как правило, послойная кристаллизация, то при форсированном режиме переплава — светлый контур. Совместное их существование в различных сочетаниях возможно только при определенных условиях в нижней части слитка. Обычно в случае появления в металле пятнистой сегрегации слоистость структуры исчезает. Это, впрочем, объясняется уже тем фактом, что указанные дефекты присущи различному типу кристаллической структуры стали.

Причина образования слоистой структуры заключается в непостоянстве условий кристаллизации стали, которое приводит к изменению скорости продвижения фронта затвердевания. Послойная кристаллизация (светлые нити) вызвана регулярными, кратковременными (в несколько секунд) остановками затвердевания. Обычно она обнаруживается в слитках, наплавленных медленно, при малой глубине металлической ванны. Скорость продвижения фронта в этом случае сдерживается интенсивным обогревом поверхности ванны и весьма чувствительна к изменению температурного градиента в расплаве, т. е. к изменению соотношения количества подводимой и отводимой от фронта теплоты. Полагают, что остановки затвердевания могут вызываться, в частности, нестабильностью электрического режима дуги, механическими колебаниями ванны из-за газовыделения, падения кусков короны, вибрации оборудования и др.

Особенности процесса слоистой кристаллизации применительно к переплаву расходуемых электродов впервые объяснены Б.И. Медоваром и М.М. Клюевым. Они указали, что периодичность затвердевания принципиально свойственна всем процессам постепенного наплавления слитков, характеризующимся динамическим равновесием теплообмена на фронте кристаллизации. Одной из причин нарушения равновесия тепловых потоков, вызывающего остановки фронта, по их мнению, является освобождение и накопление скрытой теплоты кристаллизации перед фронтом затвердевания. По мнению Ф.И. Шведа, причина периодической кристаллизации заключается в качественном изменении условий роста вершины дендрита после хотя бы кратковременной остановки затвердевания, что обусловлено появлением перед вершиной дендрита зоны концентрационного переохлаждения и изменением ее параметров.

Поскольку регулярная послойная кристаллизация вызывается кратковременными остановками затвердевания и не может сопровождаться значительным перераспределением примесей, считается, что эта особенность структуры не ухудшает свойств металла и ее не причисляют к браковочным признакам.

Появление в слитке светлого контура вызывается длительной остановкой затвердевания, исчисляемой иногда десятками минут. По расположению светлый контур является как бы траекторией перемещения фронта затвердевания в цилиндрической части ванны (см. рис. 53). Как указывалось, на вертикальном участке фронта скорость затвердевания равна нулю, вернее примерно на два порядка величины меньше, чем у оси слитка. Полагают, что при такой малой скорости затвердевания на границе цилиндрической части ванны с твердым металлом может выполняться условие устойчивости ячеистого (2.12) фронта кристаллизации. Это подтверждается обнаружением кристаллов ячеистого типа в зоне светлого контура. Образцы металла из этой зоны имеют пониженные показатели статической и усталостной прочности, а также ударной вязкости при отрицательных температурах. С учетом изменения химического состава стали в светлой полосе и одновременного ухудшения структуры осевой зоны слитка (рыхлость) появление светлого контура в металле ВДП считают нежелательным и стремятся его предотвратить.

Основной метод борьбы с различными формами слоистой структуры состоит в ослаблении тормозящего влияния высокого температурного градиента в жидкой фазе на продвижение фронта затвердевания. Поскольку температурный градиент и глубина металлической ванны взаимосвязаны и регулируются в конечном счете только величиной тока дуги, при ВДП наиболее эффективный способ получения однородной структуры металла — оптимизация и стабилизация электрического режима.

Из опыта ВДП конструкционных сталей оптимальным признан диапазон линейной плотности тока 150—200 А на 1 см диаметра кристаллизатора (рис. 54). Для слитков диаметром более 600 мм оптимальный электрический режим не может быть определен экстраполяцией приведенных зависимостей. В связи с увеличением глубины ванны тормозящее влияние температурного градиента уменьшается и послойная кристаллизация в крупном слитке может не возникнуть даже при пониженной, относительно оптимальной величине тока. Зато при повышении скорости переплава в таком слитке образуется грубая зональная сегрегация и осевая физическая неоднородность.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: