Энергетические закономерности и особенности формирования слитка при электронно-лучевом переплаве » Ремонт Строительство Интерьер. Лесное дело и деревообработка.

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Энергетические закономерности и особенности формирования слитка при электронно-лучевом переплаве

30.10.2020

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к рафинирующим переплавным процессам энергия используемого в них источника теплоты должна распределяться на плавление заготовки (электрода) и поддержание металлической ванны в кристаллизаторе в состоянии необходимого перегрева над температурой ликвидуса переплавляемого металла или сплава.

При ВДП вследствие особенностей энергетики дугового разряда постоянного тока и технологии переплава существует вполне определенное соотношение указанных статей расхода теплоты. Диапазон возможного изменения значений этого соотношения очень узок, поэтому для ВДП характерна жесткая связь силы тока дуги и скорости наплавления слитка.

Электрошлаковый процесс, используемый в качестве источника теплоты при ЭШП, позволяет расширить возможности управления скоростью плавления расходуемого электрода, что удается за счет вариации величины напряжения источника питания и силы тока, выбора соответствующего химического состава шлака, глубины шлаковой ванны и других технологических параметров процесса. Однако в конкретных условиях переплава связь между подведенной электрической мощностью и производительностью ЭШП все-таки существует, хотя и менее жесткая, чем при ВДП.

При ЭЛП диапазон регулирования скорости наплавления слитка несравненно шире, чем при ВДП и ЭШП, что обусловлено применением независимого источника теплоты (электронного луча). Это означает, что та доля энергии последнего, которая используется для плавления расходуемой заготовки, может быть изменена в широких пределах даже при неизменном электрическом режиме процесса.

При осуществлении ЭЛП по обычной, характерной для переплавных процессов схеме (переплав расходуемой заготовки в кристаллизатор) режим электронно-лучевого нагрева организуют так, чтобы прежде всего обеспечить наиболее однородный и эффективный обогрев поверхности металлической ванны. Для этого электронные лучи (луч) направляют только в кристаллизатор, а их энергию методом расфокусировки или сканирования лучей рассредоточивают по всей указанной поверхности. Расходуемая заготовка будет оплавляться только тогда, когда она попадает в зону действия электронных лучей. Поэтому, подавая заготовку в указанную зону с большей или меньшей скоростью, при ЭЛП удается регулировать скорость плавления заготовки и, соответственно, скорость наплавления слитка.

Если прекратить подачу заготовки, то вся энергия электронного луча, трансформированная в теплоту, будет расходоваться на обогрев поверхности металлической ванны. Такой режим характерен в основном для завершающего этапа ЭЛП, а именно в период выведения усадочной раковины. При чрезмерной скорости подачи заготовки возможно полное экранирование ею поверхности расплава в кристаллизаторе, а вся энергия электронно-лучевого нагрева будет затрачена на плавление металла. Условия, близкие к этим, могут быть созданы в начальный период наплавления слитка, донная часть которого должна быть сформирована по возможности в короткое время.

Однако для квазистационарного режима наплавления слитка оба эти случая неприемлемы. Для улучшения металлургических и технико-экономических показателей переплава требуется определенная, по возможности большая скорость наплавления слитка. В то же время для качественного формирования боковой поверхности слитка, вытягиваемого из кристаллизатора, а также с целью рафинирования переплавляемого металла при ЭЛП должен быть обеспечен вполне определенный, желательно равномерный перегрев расплава в кристаллизаторе. Следовательно, если нижний предел производительности ЭЛП может сдвигаться в зависимости от условий переплава в сторону уменьшения скорости подачи заготовки до очень малых значений, то чрезмерной скорость наплавления слитка быть не может. Это означает, что при ЭЛП максимальная относительная доля энергии электронного луча, затрачиваемой на плавление расходуемой заготовки, не может превышать определенной величины, характерной для конкретных условий переплава (мощность установки, диаметр кристаллизатора, температура плавления металла). Эта величина представляет собой разность между полной энергией электронного луча (за вычетом потерь при трансформации энергии ускоренных электронов в теплоту и энергией, потребной для поддержания металлической ванны в состоянии необходимого перегрева в кристаллизаторе данною диаметра.

Энергетические затраты на поддержание расплава очень высоки, что обусловлено потерями энергии излучением его поверхности, испарением металла и теплоотводом в охлаждаемую стенку кристаллизатора.

Первые две статьи потерь теплоты зависят от площади поверхности металлической ванны и ее температуры. Если площадь зеркала расплава есть функция диаметра кристаллизатора, то на его температуру влияют удельная мощность и режим нагрева электронным лучом (стационарный, квазистационарный, динамический нагрев), способ подачи расходуемой заготовки и, разумеется, тип переплавляемого металла или сплава.

В результате теплофизических исследований установлены следующие закономерности электронно-лучевого нагрева.
Энергетические закономерности и особенности формирования слитка при электронно-лучевом переплаве

С повышением удельной поверхностной мощности температура зеркала металлической ванны tп возрастает (табл. 64). Однако перегрев металла над температурой его ликвидуса не может увеличиваться беспредельно, поскольку при этом интенсифицируются излучение и испарение металла, а также процессы взаимодействия ускоренных электронов с парами металла и плазмой в камере печи. Поэтому для каждого из металлов присущи максимально достижимые tп, выше которых перегреть его нельзя, несмотря на дальнейшее увеличение удельной мощности нагрева (табл. 65).

Стационарные условия нагрева, характерные для ЭЛП с использованием кольцевых или радиальных электронно-лучевых нагревателей, обеспечивают меньшую величину перегрева, по наибольшую однородность распределения температуры на поверхности расплава. Несколько хуже последний показатель при квазистационарном нагреве с использованием линейных пушек с небольшой амплитудой отклонения каждого из лучей. Применение аксиальной электронно-лучевой пушки характеризуется нестационарными условиями нагрева металла, поскольку фокальное пятно с помощью электромагнитных систем отклонения луча периодически обегает по заданной траектории движения всю поверхность ванны в кристаллизаторе. Такой динамический режим облучения не позволяет добиться равномерного нагрева металла, причем при круговой развертке луча неоднородность распределения температуры по поверхности ванны выше, чем при строчной (змейкой).

Вертикальная подача расходуемой заготовки не создает особых препятствий для облучения металлической ванны. Однако такая технологическая схема ЭЛП возможна при использовании кольцевых, радиальных нагревателей или в случае многопушечного нагрева.

Применение одной аксиальной пушки заставляет подавать одну или несколько заготовок сбоку (горизонтально или наклонно), что приводит к ярко выраженному экранированию поверхности ванны на участках под заготовками и, следовательно, неоднородности ее температуры (рис. 103). Поэтому при ЭЛП по возможности предпочтение отдается способу вертикальной подачи расходуемой заготовки.

Суммарные потери теплоты с открытой поверхности металлической ванны при ЭЛП составляют 20—35 % подводимой электрической энергии. Причем по мере увеличения tL переплавляемого металла для обеспечения заданного его перегрева требуется все большая удельная поверхностная мощность электронно-лучевого нагрева (см. табл. 64). Это объясняется тем, что для группы относительно легкоплавких металлов (железо, никель, титан) и их сплавов тепловые затраты на испарение и излучение примерно равны, а для большинства тугоплавких материалов радиационные потери примерно в 5—6 раз больше, чем на испарение. Кроме того, с повышением атомной массы переплавляемого металла существенно возрастают потери энергии электронного луча с отраженными электронами.

Теплоотвод в охлаждаемую стенку кристаллизатора определяется температурой металлической ванны, площадью в основном наиболее плотного контакта слитка со стенкой и коэффициентами теплообмена. Установлено (табл. 66), что относительная доля энергии, отводимой водяным охлаждением кристаллизатора, изменяется в широких пределах: 40—70 % энергии электронного луча. Характерно, что при ЭЛП сравнительно легкоплавких металлов увеличение поверхностной мощности обогрева приводит к возрастанию тепловых потерь с охлаждающей водой (рис. 104, а). Аналогичное изменение плотности теплового потока при ЭЛП тугоплавких металлов сопровождается уменьшением статьи относительных потерь теплоты в стенку кристаллизатора, что объясняется существенным возрастанием потерь энергии радиацией и с отраженными электронами.


Кроме результатов исследований теплового баланса ЭЛП при оптимальных режимах процесса имеются данные о конкретных затратах энергии на поддержание стальной металлической ванны в кристаллизаторах различного диаметра без дифференцирования по отдельным статьям тепловых потерь (излучение, испарение, теплоотвод в охлаждаемую стенку). Если сопоставить их с рекомендуемыми значениями полной энергии электронного луча для ЭЛП различных металлов в зависимости от диаметра используемого кристаллизатора (рис. 104, б), то можно сделать вывод, что, например, для случаев переплава железа, никеля, титана и сплавов на их основе на поддержание расплава в кристаллизаторе необходимо затратить около 50—60 % энергии электронного луча. Оставшиеся 40—50 % электрической энергии расходуются на нагрев и плавление электродного металла, перегрев расплава в кристаллизаторе и теряются (в основном за счет отражения электронов) при трансформации электрической энергии в тепловую. Это означает, что на плавление расходуемой заготовки (никель, железо, титан) может быть отобрано лишь около 25—30 % энергии электронного луча. По мере перехода при ЭЛП к более тугоплавким металлам значительно возрастают потери энергии с отраженными электронами и излучением поверхности металлической ванны (см. табл. 66), а доля энергии луча, используемая для плавления электрода, соответственно уменьшается. Об этом красноречиво свидетельствуют результаты расчетов теплового КПД электронно-лучевой печи для оптимальных режимов переплава различных металлов (табл. 67). При этом КПД понимают как отношение прироста теплосодержания металла к полной мощности печи. Как видно, только для того чтобы организовать ЭЛП сплавов на основе железа и никеля, необходимо затратить 70—80 %, а тугоплавких металлов — почти 100 % энергии электронного луча. И если невзирая на столь низкий тепловой КПД, последние все-таки подвергают ЭЛП, то единственно потому, что другие способы не могут обеспечить такой же чистоты металла по газам и вредным примесям. В случае переплава в кристаллизаторе некомпактной шихты (см. рис. 102, в) соотношение статей баланса теплоты существенно не изменится, поскольку остаются прежними как затраты энергии на прирост теплосодержания металла, так и на компенсацию потерь теплоты. При использовании промежуточной емкости (см. рис. 102, г) на тепловой баланс влияет покрытие энергетических затрат в водоохлаждаемом тигле на стации, предшествующей формированию слитка. Если площади поверхности металлической ванны в промежуточной емкости и кристаллизаторе одинаковы, то КПД процесса ЭЛП снижается примерно вдвое.

На основании результатов промышленной эксплуатации печей ЭЛП для производства стальных слитков установлено, что оптимальный удельный расход электроэнергии изменяется в зависимости от желаемого конечного эффекта в пределах от 1, 2 до 3,0 (кВт*ч)/кг. Эти данные свидетельствуют о том, что ЭЛП значительно более энергоемкий процесс по сравнению, например, с ВДП. Так, при получении стальных слитков способом ВДП оптимальным признан дианазон линейной плотности тока 150—200 А на 1 см диаметра кристаллизатора (см. рис. 54). Поскольку падение напряжения па дуге постоянного тока при этом составляет 23—25 В, то такой диапазон линейной плотности тока соответствует диапазону линейной плотности мощности 4—5 кВт/см. Последний показатель для оптимальных режимов ЭЛП (см. рис. 104, б) примерно в два раза выше: 8—10 кВт на 1 см диаметра кристаллизатора.

Объясняется это тем, что при ВДП вследствие особенностей дугового разряда на плавление электрода расходуется 55—60 % энергии электрической дуги, а при ЭЛП может быть затрачено не более 25—30 % энергии электронного луча. С целью достижения одинаковой с ВДП производительности ЭЛП требуются более мощные источники питания (рис. 105). Для ЭШП характерны существенные энергетические затраты на компенсацию потерь теплоты от шлаковой ванны в стенку кристаллизатора. Поэтому относительная энергоемкость процессов ЭШП и ЭЛП примерно одинакова (см. рис. 68 и табл. 67).

Применение независимого источника теплоты расширяет возможности ЭЛП в части управления глубиной и формой металлической ванны. Как и при других способах рафинирующих переплавов, последние показатели при ЭЛП определяются энерговложением от источника теплоты и с каплями металла расходуемой заготовки, т. е. производительностью процесса. Ho при ЭЛП имеется возможность независимого изменения указанных статей теплосодержания металлической ванны.

По аналогии с ВДП и ЭШП глубина ванны при ЭЛП по мере наплавления слитка электронным лучом сначала также увеличивается и стабилизируется лишь после установления квазистационарного режима теплообмена. Обычно это происходит при заполнении кристаллизатора на высоту 2—2,5 Dк. В установившихся условиях теплообмена глубина и форма ванны остаются постоянными и определяются параметрами переплава (диаметр кристаллизатора, тип переплавляемого металла, удельная поверхностная мощность обогрева, производительность переплава). Однако решающее влияние на глубину металлической ванны в конкретных условиях ЭЛП оказывает скорость плавления расходуемой заготовки: с ее повышением увеличиваются глубина и объем ванны жидкого металла (рис. 106).

Изменение мощности обогрева и, следовательно, температуры поверхности расплава в кристаллизаторе незначительно влияет на максимальную глубину ванны. Ho, варьируя удельной поверхностной мощностью, удается изменить конфигурацию профиля ванны и, следовательно, объем жидкого металла. Подводя дополнительную теплоту, можно расплавить периферийную зону затвердевшего металла, влияя тем самым на ориентацию дендритрой структуры и качество боковой поверхности слитка.

Однако необходимо отметить, что повышение теплосодержания металлической ванны за счет обогрева ее поверхности электронным лучом оказывается существенным лишь при малых скоростях формирования слитка. С увеличением производительности объем жидкого металла в кристаллизаторе возрастает, влияние обогрева уменьшается, а условия формирования слитка (геометрические размеры металлической ванны, параметры теплообмена) сближаются с таковыми для процесса ВДП (рис. 107). Кроме того, повышение мощности обогрева и скорости переплава ограничено опасностью прорыва расплава через боковую корочку слитка при его вытягивании из кристаллизатора. Полагают, что безопасный ход ЭЛП сталей гарантирован, если глубина ванны меньше чем 0,5—0,7 Dк.

И все-таки возможность активного вмешательства в процесс формирования слитка, т. е. воздействия на кристаллизацию металла, является важной особенностью ЭЛП. Если для процессов ВДП и ЭШП управление ходом затвердевания металлической ванны осуществляется в основном изменением скорости плавления расходуемого электрода, то при ЭЛП имеется возможность повлиять на параметры кристаллизации оптимизацией не только производительности переплава, но и удельной поверхностной мощности обогрева (удельных энергетических затрат W):

Причем при ЭЛП удается изменить соотношение основных статей расхода теплоты (на обогрев ванны и плавление заготовки) при постоянной электрической мощности, т. е. снизить скорость наплавления слитка, обеспечив качественное формирование его боковой поверхности и высокую эффективность рафинирования металла. Напомним, что при ВДП уменьшение производительности процесса возможно только за счет снижения силы тока дуги и чревато возникновением различного рода дефектов слитка.

Изменение удельных энергетических затрат при ЭЛП обязательно сказывается на параметрах кристаллизации металла. При уменьшении скорости переплава устанавливается высокий температурный градиент у фронта затвердевания, профиль ванны уплощается, уменьшается различие линейной скорости кристаллизации металла по сечению слитка (рис. 108, а), а направление роста столбчатых кристаллов приближается к осевому.

Возрастание градиента температуры перед фронтом кристаллизации способствует уменьшению протяженности двухфазной зоны и продолжительности локального затвердевания расплава. Поскольку последний параметр является ответственным за качество микроструктуры металла, оптимальное уменьшение скорости наплавления слитка при неизменном режиме облучения металлической ванны приводит к утонению кристаллической структуры металла и снижению различий показателей ее дисперсности в периферийных и осевых объемах слитка (рис. 108, б).

Однако не следует забывать, что продолжительность локального затвердевания зависит не только от ширины области твердожидкого состояния металла, но и от скорости наплавления слитка. При чрезмерном сдерживании производительности влияние пониженной скорости затвердевания может оказаться не скомпенсированным уменьшением протяженности области двухфазного состояния за счет повышенного градиента температуры. Металл будет более продолжительный период пребывать в двухфазной области, а показатели дисперсности его кристаллической структуры станут хуже.

Понятно, что для улучшения микроструктуры металла требуется оптимизация режимов ЭЛП, т. е. показатели дисперсности микроструктуры будут наилучшими при определенном соотношении энергетических затрат на плавление расходуемой заготовки и обогрев металлической ванны. Однако на практике при выборе оптимального режима ЭЛП часто руководствуются другими критериями.

Во-первых, ЭЛП — это процесс, предназначенный для удаления вредных примесей из переплавляемого металла, а показатели рафинирования зависят от скорости формирования слитка. Во-вторых, производительность переплава тесно взаимосвязана с энергетическими особенностями процесса и иногда не может превышать значений, предопределенных мощностью электронно-лучевого нагревателя и диаметром используемого кристаллизатора (см. рис. 104, б). В-третьих, немаловажное значение имеет и повышение технико-экономической эффективности переплава, т. е. снижение удельных затрат на производство металла.

Обеспечить наилучшие показатели ЭЛП во всех перечисленных аспектах невозможно. Поэтому в каждом конкретном случае при оптимизации режима руководствуются каким-либо одним или двумя критериями, а возможность эффективного управления кристаллической структурой формируемого слитка не используется. Так, при ЭЛП цветных металлов, железа, никеля и сплавов на их основе стремятся обеспечить наивысшую степень их чистоты, что достигается за счет уменьшения производительности процесса. Желание получить как можно более крупный слиток тугоплавких металлов ограничивается очень высокими энергетическими затратами на организацию процесса (см. табл. 67) и удовлетворяется только за счет уменьшения скорости плавления расходуемой заготовки.

Именно поэтому слитки ЭЛП меди, никеля, железа, титана, кобальта, вольфрама, молибдена, ниобия, тантала, других металлов и сплавов на их основе в подавляющем большинстве случаев характеризуются крупнозернистым кристаллическим строением металла и аксиальной направленностью дендритов. Иногда такая особенность макроструктуры электронно-лучевого металла не вызывает особых затруднений при его дальнейшем переделе, но зачастую отсутствие в дендритной структуре осей высших порядков и скопление ликвирующих примесей по границам очень крупных зерен обусловливают резкое снижение технологической пластичности металла. Для предотвращения таких негативных последствий переплава используются различные приемы диспергирования структуры: модифицирование, механическое воздействие на расплав, специальная термообработка переплавленного металла, последующий ВДП электроннолучевого металла.

При ЭЛП сталей возможности оптимизации режима переплава шире, поскольку в этих случаях необходимо обеспечить компромиссное удовлетворение требований повышения металлургической чистоты металла, качества поверхности слитка и его внутреннего строения, экономической эффективности производства.

К сожалению, в литературе отсутствуют результаты систематических исследований влияния режимов ЭЛП на кристаллическую структуру металла, хотя имеются указания на то, что, например, при увеличении производительности переплава цветных металлов направленность роста главных осей дендритов изменяется от осевой к радиально-осевой, а величина зерна становится меньше.

Однако с учетом описанных выше особенностей ЭЛП можно высказать следующие соображения. Потенциальные возможности воздействия на кристаллизацию металла при ЭЛП в полной мере могут использоваться лишь при получении слитков сравнительно небольшого поперечного сечения. С увеличением диаметра кристаллизатора при тех же относительных затратах электроэнергии увеличиваются объем и глубина металлической ванны, а влияние повышенной температуры ее поверхности на параметры затвердевания металла в двухфазной зоне ослабевает. Усилить влияние обогрева поверхности расплава можно в основном за счет уменьшения глубины ванны, т. е. производительности переплава. Однако при большом диаметре кристаллизатора уменьшение и без того низкой линейной скорости кристаллизации обязательно выразится в увеличении продолжительности пребывания металла в твердожидком состоянии и, следовательно, в огрублении кристаллической структуры. Уменьшение скорости вытягивания крупного стального слитка при ЭЛП нецелесообразно и по другим причинам: возрастают потери легирующих элементов испарением, ухудшаются показатели технико-экономической эффективности переплава.

Это отнюдь не означает, что при ЭЛП крупных стальных слитков нет смысла в оптимизации режима переплава. Просто диапазон оптимальной производительности процесса лежит за пределами тех режимов, когда повышение теплосодержания металлической ванны за счет электронно-лучевого обогрева поверхности может оказать позитивное воздействие на затвердевание металла. Как и при ВДП, в условиях наплавления крупных слитков изменение скорости подачи расплава в кристаллизатор — наиболее эффективный параметр, управляющий продолжительностью пребывания металла в двухфазной зоне. Именно поэтому зависимость производительности переплава от диаметра используемого кристаллизатора имеет общий характер для всех описанных способов формирования стальных слитков (рис. 109).

При таких условиях не имеется каких-либо принципиальных отличий и в закономерностях формирования макроструктуры стальных слитков, получаемых способами ВДП, ЭШП, ЭЛП. Производство высококачественных слитков сравнительно небольшого поперечного сечения (диаметром до 300—400 мм) в общем не является проблемой ни для одного из указанных способов переплава. Такие слитки характеризуются плотной, однородной структурой металла (зона столбчатых кристаллов занимает почти все сечение слитка), отсутствием или минимальным развитием специфических макро- и микродефектов.

По мере увеличения поперечного сечения используемого кристаллизатора получить высококачественный металл сложнее. В структуре слитков ЭЛП, как и других способов переплава, появляется центральная зона равноосных кристаллов. При оптимальных режимах процесса служебные свойства полученной стали от этого не ухудшаются и, как правило, лучше, чем у металла обычного производства. Однако изменение производительности сверх рекомендованного для данного типа стали или сплава диапазона приводит к появлению дефектов и в слитке ЭЛП. Так, при ЭЛП с массовой скоростью плавления заготовки от 350 до 950 кг/ч удавалось получать слитки диаметром 800 мм сталей 9Х2МФ и 34XH3M с плотной структурой, без осевой рыхлости и с удовлетворительной поверхностью. Ho при повышенной производительности нереплава в слитках появлялась резко выраженная зональная сегрегация в виде сульфидных шнуров диаметром 12—15 мм.

Формирование слитка при ЭЛП осуществляется в условиях спокойного состояния металлической ванны. Малая сила тока электронного луча (до 20 А) исключает интенсивное движение расплава, возникающее, например, при ВДП вследствие нескомпенсированности магнитных полей. Поэтому для металла ЭЛП не характерен такой дефект, как пятнистая сегрегация. Однако чрезмерное сдерживание производительности процесса ЭЛП при производстве сталей с узким температурным интервалом затвердевания (например, нержавеющих) в условиях мелкой металлической ванны и интенсивном обогреве ее поверхности приводит к возникновению в слитках послойной кристаллизации по аналогии с металлом ВДП.

В предыдущем параграфе данной главы отмечалось, что при канонической схеме ЭЛП применяют только короткие кристаллизаторы. По мере наплавления слиток опускают, а положение зеркала металлической ванны относительно кристаллизатора сохраняется неизменным. В таких условиях исключено образование короны на поверхности слитка. Однако грубый конденсат интенсивно испаряющихся компонентов расплава, образующийся на стенках кристаллизатора выше уровня расплава, иногда разрушается и падает в ванну. Это обусловливает появление и в металле ЭЛП участков повышенной травимости, обогащенных элементами с высокой упругостью пара.

Возможность поддержания металлической ванны, особенно в периферийной ее части, в состоянии перегрева над температурой ликвидуса переплавляемого металла или сплава способствует формированию удовлетворительной поверхности слитка. Однако при ЭЛП не используется шлаковый расплав, как при ЭШП. Жидкий металл контактирует с внутренней стенкой кристаллизатора, заполняя мельчайшие ее неровности либо свариваясь с ней в отдельных участках, что создает значительные усилия сопротивления вытягиванию слитка. Извлечение последнего облегчается различными приемами: возвратно-поступательное, прерывистое перемещение, вращение слитка и др. Тем не менее в ряде случаев на поверхности слитка ЭЛП образуются трещины, неслитины, различного рода неровности. Поэтому, как и при ВДП, для гарантирования хорошего качества металла при последующей горячей деформации слиток ЭЛП необходимо подвергать механической обработке.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: