Металлургические особенности, качество и сортамент металла при плазменно-дуговой плавке » Ремонт Строительство Интерьер. Лесное дело и деревообработка.

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Металлургические особенности, качество и сортамент металла при плазменно-дуговой плавке

30.10.2020

Сходство ПДП и ЭЛП не ограничивается аналогией конструктивно-технологических схем, близостью энергетических показателей, одинаковыми возможностями управления формированием слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе. У этих процессов, использующих независимые источники теплоты, обнаруживается много общего при рассмотрении их и в металлургическом аспекте.

Повышение качества металла (металлургическая чистота, совершенство его макро- и микроструктуры) в результате ПДП обусловлено совокупностью факторов: небольшая массовая скорость поступления металла в кристаллизатор, которая обеспечивает благоприятные кинетические и термодинамические условия его рафинирования вследствие чрезвычайно развитой поверхности взаимодействующих фаз (металл, газ, шлак) и их высокой температуры; поддержание металлической ванны в кристаллизаторе в состоянии необходимого перегрева и обеспечение тем самым направленного (снизу вверх) формирования слитка в условиях значительных температурных градиентов в расплаве перед фронтом кристаллизации, узкой двухфазной зоны, сравнительно небольшой продолжительности локального затвердевания металла; отсутствие источников вторичного окисления металла (воздух) и загрязненности его экзогенными HB (футеровка).

Разумеется, перечисленные основные факторы, определяющие возможности повышения чистоты переплавляемого металла, присущи не только ПДП, но и всем описанным переплавным процессам СЭМ. Однако использование независимых источников теплоты при ПДП и ЭЛП позволяет в большей мере, чем при ВДП и ЭШП, влиять на направление и степень завершенности процессов рафинирования металла и корректировать его затвердевание.

Имея указанные общие черты, процессы СЭМ в металлургическом отношении отличаются проведением переплава в различных средах, выполняющих, как правило, две главные функции: защиты переплавляемого металла от вторичного окисления, а также рафинирования расплава от газов, HB, вредных примесей. Как известно, при ВДП и ЭЛП этим целям служит разреженная в большей или меньшей мере атмосфера (вакуум), а при ЭШП — расплав синтетического шлака.

Как указывалось в параграфе 2 настоящей главы, при ПДП в качестве плазмообразующих могут использоваться различные газы и, следовательно, в камере печи может быть создана атмосфера любого типа по отношению к переплавляемому материалу (нейтральная, восстановительная, окислительная). Причем диапазон возможного изменения давления атмосферы в плавильном пространстве, при котором осуществляется устойчивый процесс ПДП, весьма широк: от нескольких паскалей до нескольких сотен тысяч паскалей.

Наибольшее распространение получила технология ПДП в среде инертных газов (аргон) при давлении, близком к атмосферному. Чаще в плавильном пространстве поддерживают давление немногим более атмосферного, чтобы предотвратить подсос воздуха в печь.

Условия, существующие при переплаве металла в атмосфере инертного газа, часто именуют «химическим вакуумом». Если инертный газ достаточно очищен от газообразных примесей, т. е. парциальное давление азота, кислорода, водорода, водяного пара, оксида углерода в атмосфере печи сохраняется на низком уровне, то для протекания реакций дегазации и раскисления расплава имеются условия, близкие к условиям переплава в вакууме.

Так, аргон марки А, поставляемый в баллонах, согласно требованиям ГОСТ 10157—79 может содержать примесей кислорода и углекислого газа несколько тысячных долей процента, азота — примерно в десять раз больше, абсолютная влажность его не должна превышать 0,03 г/м3. Это означает, что ПДП в атмосфере аргона такой степени чистоты термодинамически эквивалентен переплаву металла в вакуумных печах при остаточном давлении газов 1—100 Па (около 1*10в-2 — 1 мм рт. ст.). Однако часто степень загрязненности аргона значительно больше, и это особенно касается содержания в нем водяных паров, которое может в 50—100 раз превышать регламентируемое.

Понятно, что чем меньше в плазмообразующем газе содержание нежелательных примесей, тем принципиально выше может быть достигнута чистота переплавленного металла. Эта закономерность была неоднократно подтверждена ранними работами сотрудников ИЭС, ИМЕТ, металлургических заводов (табл. 77). Главный вывод таких исследований состоит в необходимости тщательной очистки плазмообразующих газов от влаги и нежелательных примесей. Однако практика показала, что решение этой задачи усложняется многократным использованием плазмообразующих газов в системах рециркуляции мощных многоплазмотронных печей с большим секундным расходом газа.
Металлургические особенности, качество и сортамент металла при плазменно-дуговой плавке

При подготовке к плавке (откачка воздуха из камеры печи фор-вакуумным насосом и двукратная «промывка» ее аргоном) в плавильном пространстве остается около 0,1 % кислорода и 0,5 % азота. В случае переплава стальной заготовки после включения плазмотронов кислород энергично взаимодействует с углеродом расплава, образуя оксид и диоксид углерода. Вскоре после начала переплава свободный кислород, а также диоксид углерода в камере печи не обнаруживаются. Однако оксид углерода, азот и водород присутствуют в составе атмосферы печи в течение всего периода переплава.

Содержание этих газов в атмосфере печи (в среднем около 0,1 % каждого), регламентируемое совместным протеканием различных процессов, не есть постоянная величина. Так, концентрация азота в ходе плавки непрерывно уменьшается, а для содержания водорода и оксида углерода характерна экстремальная (с максимумом) зависимость от времени переплава.

При низкой активности углерода в расплаве (низкоуглеродистые стали и различные сплавы) оксид и диоксид углерода в атмосфере печи отсутствуют, а изменение концентрации кислорода в таких случаях аналогично описанному поведению азота.

При переплаве сталей снижения степени загрязненности аргона с помощью не очень сложных и громоздких систем газоочистки в общем достаточно для достижения эффекта их рафинирования от кислорода, азота и водорода. Однако в некоторых случаях, например при получении слитков титана и сплавов на его основе, возникает необходимость еще большего снижения парциального давления этих газов в атмосфере печи. Решение этой задачи повышением эффективности систем газоочистки требует увеличения их пропускной способности, а значит капитальных затрат, производственных площадей и др. Весьма заманчиво в таких случаях поддерживать в камере плазменнодуговой печи не избыточное над атмосферным давление, а разрежение в пределах 30—40 кПа (около 300—400 мм рт. ст.).

Однако такой метод снижения парциального давления газовых примесей возможен и приводит к достижению позитивных результатов при использовании плазменно-дуговых печей небольшой емкости, когда переплав осуществляется со сбросом отработанного газа в атмосферу. Крупные промышленные агрегаты ПДП с целью повышения экономических показателей процесса оснащают системами рециркуляции плазмообразующего газа, для функционирования которых требуется поддержание избыточного давления в камере печи.

Несмотря на нормальное или даже избыточное давление инертного газа в камере печи, по эффективности дегазации металла и очищения его от HB ПДП практически не уступает другим методам рафинирования, в том числе и процессам переплава в вакууме (табл. 78). Вместе с тем более высокое в сравнении с вакуумными агрегатами давление над расплавом снижает интенсивность испарения его компонентов. Это означает, что опасность нежелательного изменения химического состава сплава или значительных потерь металла при ПДП существенно меньше, чем в переплавных процессах с использованием вакуума (ВДП, ЭЛП). Например, в случае ПДП стали ШХ15 ее химический состав почти не изменяется по нормируемым элементам, в то время как угар марганца при ВДП составляет 20—30 %, а при ЭЛП — 70—80 % исходного содержания. Поэтому наряду с ЭШП процесс ПДП пригоден для получения высококачественных слитков сталей и сплавов, легированных элементами с высокой упругостью пара при температурах процесса (марганец, хром).

Вместе с тем полагают, что интенсивный обдув поверхности металлической ванны плазмообразующим газом, высокие температуры, развиваемые в активных пятнах дугового разряда, регулируемая продолжительность обработки расплава плазмой должны способствовать удалению вредных примесей цветных металлов. Результаты ПДП никеля и сплавов на его основе подтверждают эту возможность. Ho выражается она в основном в уменьшении степени загрязненности сплавов свинцом и висмутом и лишь при условии высокой исходной концентрации последних. Причем степень удаления этих примесей при ПДП существенно меньше, чем при вакуумной обработке (рис. 122).

Общие рекомендации для выбора технологических режимов ПДП в аспекте управления процессом испарения заключаются в следующем. При необходимости сохранения в составе сталей или сплавов неизменного содержания легирующих элементов (хром, марганец) переплав требуется осуществлять при умеренной мощности плазмотронов, нормальном или повышенном давлении газа в печи. При рафинировании сплавов от вредных цветных примесей целесообразно повышение мощности плазмотронов, снижение производительности переплава и давления в камере печи.

Технологическая гибкость процесса ПДП обусловлена не только возможностью регулирования в широком диапазоне состава и давления атмосферы в печи. Независимый источник теплоты позволяет применять при ПДП синтетические шлаки, высокая рафинирующая способность которых и позитивное влияние на качество поверхности формируемого слитка хорошо известны в металлургии.

Однако в отличие, например, от ЭШП, при котором в кристаллизаторе наводится шлаковая ванна глубиной от нескольких сантиметров до нескольких дециметров, при ПДП используют дозированную или непрерывную в ходе переплава подачу гранулированного шлака в центральную зону открытой поверхности металлической ванны. Удельный расход шлака обычно невелик, так что в общем на всю плавку составляет 0,5—2 % массы получаемого слитка. За счет теплоты сжатых электрических дуг и жидкого металла шлак плавится, растекается тонким слоем по поверхности металлической ванны, но под воздействием потоков газа из плазмотронов оттесняется на ее периферию и большая часть площади зеркала металла остается открытой.

Такая технологическая схема ПДП получила наименование ПШП. Его создание вызвано стремлением решить несколько задач: повысить эффективность рафинирования переплавляемого металла от HB, обеспечить возможность его десульфурации, улучшить качество поверхности слитка, вытягиваемого из кристаллизатора.

Практика показала, что эти задачи могут быть в большей или меньшей мере успешно решены за счет применения синтетических шлаков, разработанных в свое время для ЭШП (см. табл. 26), поскольку требования предъявляемые к шлакам для обоих процессов, в основном совпадают: низкая вязкость при температуре солидуса переплавляемого металла, низкий окислительный потенциал, малая адгезия к металлу, но хорошая смачиваемость HB, высокая серопоглотительная способность. Так, значительную эффективность раскисления сплавов и поглощения экзогенных HB обеспечивает шлак АНФ-1П, глубокую десульфурацию сталей — шлак АНФ-7. Вместе с тем детальный учет особенностей ПШП и анализ результатов лабораторных и промышленных исследований позволили определить оптимальные составы шлаков из системы CaF2 — CaO — Al2O3, наиболее полно удовлетворяющих требованиям процесса.

Следует отметить, что ПШП позволяет улучшить условия рафинирования и значительно повысить чистоту сталей в сравнении с ПДП без шлака в основном за счет уменьшения их загрязненности сульфидами (рис. 123). Как видно из приведенных данных, какого-либо существенного дополнительного эффекта в части снижения содержания оксидов и нитридов в металле при этом не наблюдается.

Наличие шлакового расплава только на поверхности металлической ванны и низкий окислительный потенциал атмосферы в плавильном пространстве печи обусловливают некоторые особенности десульфурации в условиях ПШП. Удаление серы из переплавляемого металла происходит только на стадии ванны, содержание этой примеси заметно снижается лишь при использовании шлаков с высокой сульфидной емкостью. Как известно, при ЭШП в этом аспекте наиболее существен вклад первого этапа пребывания металла в жидком состоянии, а значительный эффект удаления серы получается и при использовании шлаков, не поглощающих ее в заметном количестве.

Применение высокофтористых высокоосновных шлаков приводит при ПШП к весьма интенсивной и полной десульфурации сталей, чему в немалой мере способствует высокая температура и развитая поверхность взаимодействующих фаз. Эффективный коэффициент распределения серы между шлаком и металлом может достигать рекордно высоких значений (500—600), а содержание серы в переплавленной стали при благоприятных условиях снижается до тысячных долей процента.

Напомним, однако, что повышение чистоты металла по сере в настоящее время не является задачей, требующей для своего решения использования переплавных процессов СЭМ. Даже способ ЭШП, наиболее пригодный для десульфурации металла, с промышленным освоением методов внепечной обработки стали потерял приоритет в этом отношении.

Основное достоинство применения шлаков при ПДП заключается в устранении затруднений переплава сплавов, легированных высокоактивными элементами (титан, алюминий) и весьма склонных к пленообразованию. Так, в случае ПДП жаропрочных сплавов на никелевой основе на оплавляющемся торце расходуемой заготовки и поверхности металлической ванны образуется тугоплавкая оксидная плена, не только затрудняющая рафинирование металла, но и являющаяся источником загрязнения слитка и ухудшения качества его поверхности. Формирование плены обусловлено в основном наличием HB и плен в исходном металле, образовавпшхся и зафиксированных в нем при выплавке и разливке, а также окислением расплава в ходе пдп в случае недостаточной очистки плазмообразующего газа.

Синтетические шлаки, подаваемые в небольшом количестве на поверхность металлической ванны, офлюсовывают тугоплавкие включения, а образовавшийся жидкоподвижный шлак расходуется на формирование гарнисажа между слитком и стенкой кристаллизатора.

Шлак, подаваемый в кристаллизатор, ликвидирует плену не только на поверхности металлической ванны. Высокая температура последней, особенно в зонах активных пятен сжатых дуг, способствует испарению шлака, наиболее интенсивно происходящему в период до расплавления гранул, и диссоциации его компонентов в парогазовой фазе. Продукты испарения частично конденсируются на боковой поверхности заготовки и по мере ее оплавления принимают участие в металлургических реакциях, а также офлюсовывают тугоплавкие оксидные плены на торце заготовки.

Уместно напомнить, что применение шлаков и получение связанных с этим позитивных эффектов при вакуумных процессах затруднено либо невозможностью сохранения шлака в расплавленном состоянии на периферии металлической ванны (ВДП), либо чрезмерным испарением компонентов шлака и, следовательно, ухудшением работы системы вакуумирования печи (ЭЛП).

Переплав в атмосфере инертного газа — наиболее употребительный вариант технологии ПДП, обеспечивающий высокую чистоту металлов, сталей и сплавов по неметаллическим включениям и газам (водород, азот). Наряду с этим присутствие последних в атмосфере плазменно-дуговой печи вредно не всегда, и в некоторых случаях добавки в плазмообразующий газ водорода, азота или использование чистого азота позволяют поучить при ПДП значительный металлургический эффект.

Известно, что при производстве прецизионных сплавов очень важно добиться снижения их загрязненности HB, присутствие которых негативно сказывается на качестве такого металла. Одним из эффективных приемов достижения высокой чистоты прецизионных сплавов служит применение для их раскисления не традиционных элементов (кремний, марганец, алюминий), а водорода. В последнем случае в результате реакции раскисления образуются не эндогенные HB, часть которых фиксируется в металле по тем или иным причинам, а газообразный продукт — водяной пар:

Термодинамические расчеты, выполненные при условии равенства активности кислорода его концентрации, указывают на то, что водород является довольно сильным раскислителем железа, никеля и их сплавов, например, 50Н:

Из (6.3) следует, что эффективность водородного раскисления уменьшается с повышением температуры. Это означает, что его целесообразно осуществлять при минимальном перегреве расплава над температурой ликвидуса.

Расчеты показывают также, что в оптимальных, достигаемых на практике условиях водородного раскисления железа, никеля и их сплавов равновесная концентрация кислорода в них должна быть пренебрежимо мала, около 10в-5—10в-6 %. Однако при выплавке сплавов в индукционных печах последняя всегда на 2—3 порядка выше расчетной (0,0020—0,0050 %).

Попытки объяснить различие экспериментальных и расчетных данных влиянием других элементов на активность кислорода в расплаве не приводят к успеху. Учет наличия в составе сплавов алюминия, углерода, кремния или марганца в пределах сотых и десятых долей процента уменьшает константы реакций раскисления примерно в 2 раза и, соответственно, всего в 2 раза увеличивает расчетную концентрацию кислорода. Кроме того, расхождение данных объясняют взаимодействием расплавов с футеровкой индукционных печей и незавершенностью реакции водородного раскисления в связи с неблагоприятными кинетическими условиями ее протекания в этих агрегатах.

Отсутствие футеровки, развитая межфазная поверхность газ — металл, регулируемые продолжительность пребывания металла в жидком состоянии и температура расплава, а также возможность применения любых газов делают ПДП весьма удобным способом реализации процесса водородного раскисления. Вместе с тем практика показала, что достижение позитивных результатов возможно лишь в случае соблюдения оптимальной технологии выплавки сплавов для расходуемых заготовок и переплава последних в печах ПДП.

Установлено, что степень рафинирования прецизионных сплавов от кислорода (оксидов) при ПДП взаимосвязана, во-первых, со способом предварительного раскисления металла при его выплавке в индукционных печах. Эффективное рафинирование сплавов от оксидных включений имеет место при ПДП только после раскисления исходного металла слабыми раскислителями (марганец). В этом случае в металле заготовки оксидная фаза представлена в основном термодинамическими непрочными включениями, которые восстанавливаются водородом при переплаве. Более прочные (алюмосиликатные) включения, также имеющиеся в сплаве, могут удаляться флотацией, что в сочетании с водородным раскислением обеспечивает получение металла высокой чистоты. В случае раскисления исходного металла сильными раскислителями (алюминий, кальций) в нем фиксируется оксидная фаза, состоящая из конгломерата включений различных форм и составов. Удаление их хотя и имеет место при ПДП, но недостаточно для получения высококачественного металла. Для переплава заготовок из глубоко раскисленных прецизионных сплавов рекомендует метод ЭЛП.

Остаточная концентрация кислорода в переплавленном металле зависит, во-вторых, при прочих равных условиях от суммарной мощности плазмотронов (рис. 124, а). Это находится в качественном соответствии с экзотермическим эффектом реакции (6.1) водородного раскисления и, следовательно, получение прецизионных сплавов, особо чистых по кислороду и оксидам, требует организации ПДП с минимальным перегревом металла.

Окисленность металла, наконец, находится в сложной зависимости от производительности ПДП (рис. 124, б). При объяснении этого факта нет единодушия исследователей. Авторы полагают, что приведенный график отображает существование трех режимов удаления кислорода из переплавляемого металла. В I области реакция водородного раскисления протекает в кинетическом режиме, во II — в переходном, а в III — в диффузионном, но всегда при оплавлении заготовки происходит диссоциация оксидов и с водородом взаимодействует растворенный в металле кислород. По мнению автора, изменение производительности ПДП не должно отражаться на механизме реакции водородного раскисления и может влиять лишь на продолжительность взаимодействия фаз и полноту протекания реакции. Кроме того, обнаружив значительное расхождение в величинах коэффициента массопереноса на этапе рафинирования металла в пленке на торце заготовки и стадии ванны, автор приходит к выводу, что преимущественное рафинирование металла от кислорода на первом этапе обусловлено не только реакцией раскисления водородом, но и механическим отделением оксидной фазы.

По мнению авторов данной монографии, существование приведенной экстремальной зависимости может быть обусловлено также сложным влиянием производительности переплава на температурный режим металла. Поскольку чрезмерное сдерживание скорости вытягивания слитка (I область) при неизменной мощности плазмотронов должно приводить к увеличению перегрева металлической ванны, то в соответствии с рис. 124, а в этих условиях обязательно возрастает и окисленность полученного сплава.

Обращает на себя внимание также тот факт, что и при ПДП концентрация кислорода в переплавленном металле по аналогии с ВИП всегда выше расчетной, термодинамически равновесной для конкретных условий плавки. Несмотря на то что при ПДП межфазная удельная поверхность газ — металл существенно (на 2—3 порядка) выше, чем при ВИП, и исключено негативное влияние растворения футеровки, содержание кислорода в переплавленном металле при оптимальных режимах ПДП не опускается ниже 1*10в-3 %. Одно из возможных объяснений такого несоответствия, предлагаемое авторами, состоит в своеобразии взаимодействия газов с жидким металлом в условиях плазменно-дугового нагрева.

На основании результатов разносторонних исследований процесса плазменно-водородного раскисления разработана технология производства прецизионных сплавов методом ПДП. Она предусматривает выплавку сплава для заготовки из чистых шихтовых материалов, исключение по возможности применения сильных раскислителей (алюминия, кремния, марганца), ПДП заготовки в аргоноводородной атмосфере, оптимальные режимы пластической и термомагнитной обработки при переделе металла.

Вместе с тем такая технологическая схема оптимальна не во всех случаях производства прецизионных сплавов. Иногда присутствие элементов-раскислителей в составе прецизионных сплавов необходимо, поскольку влияет не только на степень их загрязненности HB, но и определяет текстуру рекристаллизации, требуемый уровень эксплуатационных свойств металла, технологичность последнего при переделе. В таких случаях плазменно-водородное раскисление не приносит особой пользы и высококачественные слитки таких сплавов целесообразно получать по схеме ВИП + ЭЛП.

По аналогии с плазменно-водородным раскислением определенными металлургическими достоинствами обладает ПДП и при использовании азота в качестве плазмообразующего газа. Дело в том, что азот является вредной примесью для сталей не всегда, и в ряде случаев его присутствие в составе оказывается полезным. Так, известно благотворное влияние добавок азота в малоуглеродистые низколегированные стали. Образование при этом дисперсных нитридов алюминия, ванадия, титана способствует упрочнению сталей за счет повышения предела текучести и ударной вязкости металла. Легирование азотом инструментальных (быстрорежущих) сталей повышает их красностойкость и увеличивает срок службы изготовленного из них инструмента.

Ho в наибольшей мере использование азота как легирующего элемента важно для хромоникелевых и хромоникельмарганцевых сталей. Потребность в нержавеющих немагнитных высокопрочных сталях весьма высока, но ее удовлетворение сдерживается высокой стоимостью и постоянным возрастанием дефицита никеля. Азот подобно углероду расширяет область стабильного существования аустенита в сплавах железа и, образуя твердый раствор внедрения, повышает прочность стали. На этом основано использование азота как заменителя дефицитного никеля и как самостоятельного легирующего элемента нержавеющих сталей.

Подробно с влиянием азота на механические свойства сталей, способами их азотирования и библиографией по указанному вопросу можно ознакомиться в работе. Отметим, что в настоящее время известно около 100 марок азотсодержащих сталей, большая часть которых относится к указанной выше группе нержавеющих. Основной метод промышленного производства таких сталей — выплавка в дуговых печах с легированием дорогостоящими азотированными ферросплавами (феррохром, ферромарганец). Полученный в изложнице слиток такой стали, естественно, имеет характерные дефекты и основным способом повышения качества азотированных сталей до недавнего времени был ЭШП, поскольку методы переплава в вакууме (ВДП, ЭЛП) непригодны для этого.

При ПДП наряду с формированием бездефектного слитка азотированных сталей появилась возможность легирования расплава азотом из газовой фазы и отказа тем самым от использования дорогостоящих ферросплавов, а также возможность производства высокоазотистых сталей, т. е. таких сплавов, содержание азота в которых превышает уровень стандартной растворимости этого газа в жидком металле при давлении азота 0,1 МПа (1 атм) и температуре 1600 °С.

Изучению термодинамики и кинетики взаимодействия жидкого металла с азотом было уделено в свое время очень много внимания. Достаточно сказать, что большая часть публикаций на тему ПДП, обобщенных в двух монографиях, посвящена именно вопросу растворимости азота в различных сплавах. Благодаря проделанной работе теперь имеется возможность с высокой степенью точности рассчитать содержание азота в сплаве заданного состава в конкретных условиях его выплавки, в том числе и методом ПДП, или, что более важно, определить условия, при которых в металле будет зафиксировано требуемое количество этого легирующего элемента.

При изучении перечисленных вопросов были обнаружены особенности и установлены закономерности поглощения газов металлом в условиях плазменно-дугового нагрева. В данной книге нет смысла подробно описывать результаты исследований, и для ознакомления с ними рекомендуем работы. Кратко эти особенности можно охарактеризовать следующим образом.

Известно, что растворимость газа в металле зависит от его парциального давления в атмосфере и для случая двухатомных газов подчиняется закону Сивертса. Вместе с тем замечено, что при нагреве

металла электрической дугой (сварка, выплавка стали в открытых дуговых печах) металл часто содержит большие количества азота, чем это следует из закона Сивертса. На основании анализа результатов многолетних исследований взаимодействия газа с металлами для условий электродуговой плавки и сварки было предложено различать два механизма поглощения газа — электрический и химический.

При химическом поглощении равновесное содержание газа в металле определяется стандартной растворимостью, температурой металла и парциальным давлением газа в атмосфере. Под электрическим поглощением понимают растворение газа в металле (катоде) под воздействием ускоряющего электрического поля. Концентрация газа при этом аномально высока, зависит от электрических режимов дуги (катодное падение напряжения, сварочный ток) и не зависит от растворимости газа.

Таким образом, при использовании постоянного тока металл катода поглощает газ электрически, а анода — химически. Скорость насыщения и количество поглощенного газа в последнем случае зависят от энергетического состояния газовых частиц, сорбируемых металлом. При питании дуги переменным током имеет место смешанный механизм поглощения газа.

При расплавлении сжатой электрической дугой небольших навесок металла, когда сечение потока плазмы превышает площадь поверхности расплава, экспериментальная зависимость равновесных концентраций азота в газовой фазе имеет два участка (до и после излома прямой) (рис. 125, а). В области малых парциальных давлений азота выполняется закон квадратного корня, но коэффициент пропорциональности (угол наклона прямой) значительно превышает константу Сивертса. Константа равновесия реакции растворения азота из плазмы очень высока. Например, для железа она составляет в зависимости от условий плавки 0,79—1,62 % - атм0,5, что на порядок выше значений, фиксируемых при индукционной плавке. То же характерно и для насыщения азотом сплавов (рис. 125, б).

На втором участке графика концентрация азота в расплаве не зависит от парциального давления газа. При достижении так называемой пороговой концентрации газа в металле начинается азотное кипение последнего. Причем, чем выше общее давление над расплавом, тем ниже коэффициент пропорциональности на первом участке графика и тем выше пороговая концентрация газа в металле.

При объяснении наблюдаемых закономерностей поглощения азота металлом анода среди исследователей нет общего мнения. Имеется две точки зрения по вопросу аномально высокого содержания газа в. металле при нагреве его плазмой. Одни исследователи полагают, что при плазменном нагреве металла с ним химически взаимодействуют активированные молекулы азота с неполностью релак-сированной колебательной энергией. Авторы считают, что в этих условиях металл взаимодействует с газом, сохранившим избыточное количество диссоциированных, возбужденных и ионизированных частиц азота, т. е. с азотом в атомарном состоянии. Сравнительно недавно появилось также мнение, что повышенная растворимость газов из плазмы дуги вызывается изменением термодинамического состояния поверхностного слоя металла, а именно изменением концентрации электронов за счет контактных явлений, обусловленных разностью химических потенциалов электронов в плазме и расплаве.

Напомним, что аномально высокая концентрация азота в металле наблюдается только в зоне непосредственного контакта расплава с плазмой, т. е. в небольших по площади участках его поверхности. Поэтому большое значение явление повышенной растворимости азота имеет для микрометаллургии, например, для процессов электродуго-вой сварки плавлением.

В реальном ПДП при большой массе металла плазменная дуга никогда не покрывает все зеркало металлической ванны. На поверхности расплава всегда есть участки, контактирующие со сравнительно холодным газом. Общее содержание азота в расплаве соответствует динамическому равновесию процессов поглощения и десорбции газа в этих участках и при большой площади открытой поверхности определяется в основном давлением газа в атмосфере печи, т. е. полностью соответствует закону Сивертса (см. рис. 125, б).

Таким образом, варьируя парциальное давление азота в камере печи, при ПДП можно обеспечить требуемое содержание азота в слитке стали. В случае повышенного (сверх атмосферного) давления газа можно получить сталь с концентрацией азота, значительно превышающей обычные содержания (табл. 79).

Выше дана краткая характеристика основных особенностей технологических вариантов ПДП: в атмосфере инертного газа, с добавками синтетических шлаков, с водородным раскисленном, в атмосфере азота (при обычном и избыточном давлении).

При описании металлургических особенностей ПДП затронут и вопрос сортамента металла, оптимального для конкретного технологического варианта переплава. Так, ПДП в атмосфере чистого аргона подвергают конструкционные, нержавеющие стали, реже — жаропрочные сплавы. Часто эту технологию дополняют применением синтетических шлаков, особая эффективность которого отмечается при переплаве сплавов, склонных к образованию плен. Основной объект плазменно-водородного раскисления — прецизионные сплавы. Реже добавки водорода в плазмообразующий газ используют при переплаве жаропрочных сплавов для восстановления оксидной плены на торце заготовки и поверхности металлической ванны. Плазменно-дуговой переплав в атмосфере азота применяется для повышения качества хромоникелевых и хромоникельмарганцевых сталей (коррозионно-стойкие высокопрочные материалы). Получены положительные результаты при использовании ПДП для улучшения свойств инструментальных (быстрорежущих) сталей. При этом кроме рафинирования от HB и получения слитка металла с минимальным развитием физической и химической неоднородности обеспечивается легирование стали азотом из газовой фазы до обычных содержаний или выше предела стандартной растворимости. Однако если первый вариант используется при производстве азотсодержащих сталей, то металл со сверхравновесным содержанием азота пока не находит широкого применения. Производство этих прогрессивных материалов сдерживается несколькими причинами. Такой металл при температурах горячей деформации имеет повышенный (на 40 %) предел текучести и требует, естественно, более мощного передельного оборудования. Сварка сталей с повышенным содержанием азота затруднена. Требуется также особая термообработка изделий, изготовленных из такого металла. В областях, где особо остро чувствуется потребность в азотированных сталях (крупное энергетическое машиностроение), ПДП не используется из-за недостаточной мощности имеющихся печей ПДП и ресурса плазмотронов в связи с очень жесткими условиями работы оборудования при повышенном давлении азота в камере печи.

Говоря о сортаменте металла ПДП, авторы настоящей монографии сознательно не приводят конкретных примеров повышения качества (металлургической чистоты и служебных свойств) сталей и сплавов. При этом авторы руководствовались следующими соображениями.

Большинство имеющихся в печати сведений о качестве металла ПДП относится к раннему этапу лабораторного опробования или применения ПДП в заводской практике. Как всякий новый металлургический процесс, ПДП вначале применяли для рафинирования разнообразных сталей и сплавов. По отношению к металлу традиционных методов производства это практически всегда приводило к достижению положительных результатов.

Плазменно-дуговой переплав создан позже остальных аналогичных методов. Вполне естественно, что для определения оптимального сортамента металла ПДП старались выявить преимущества и по отношению к продукции других методов СЭМ. При этом в большинстве случаев не учитывали, что слиток ПДП получен в кристаллизаторе меньшего диаметра, а достигнутое улучшение служебных свойств металла обусловлено не какими-то абсолютными преимуществами, присущими исключительно ПДП, а более благоприятными условиями затвердевания металла и формирования его кристаллической структуры. Позже, но мере освоения методов переплава и расширения знаний о процессах рафинирования и кристаллизации металла в условиях переплавных процессов СЭМ, это обстоятельство приняли во внимание и в заводской практике определили оптимальный сортамент металла, при переделе которого методом ПДП могут достигаться высокие техникоэкономические показатели производства.

Необходимо отметить, что все сказанное относится в основном к каноническому методу ПДП, т. е. переплаву расходуемой заготовки. Вместе с тем не следует забывать, что одним из преимуществ ПДП является использование независимого источника теплоты. И если ПДП компактной заготовки лишь иногда дает возможность получить определенные преимущества по отношению к другим методам СЭМ, то в случае передела некомпактной шихты достоинства ПДП несомненны.

Метод ПДП позволяет достаточно успешно решать проблему регенерации титановых отходов, которые часто с трудом вовлекаются в передел и накапливаются на металлургических и машиностроительных заводах. Титановая губка мелких фракций, литейные отходы титана, а также отходы в виде стружки и обрези в печах ПДП легко переплавляются в слитки первичного и вторичного титана и его сплавов. Это дает возможность замкнуть металлооборот на металлургических и машиностроительных заводах, исключить сложную и дорогостоящую операцию прессования расходуемого электрода, а при выплавке слитков-слябов и операцию предварительного обжатия слитков и таким образом резко снизить себестоимость продукции из титана.

По нашему мнению, от использования преимуществ независимости источника теплоты при ПДП можно ожидать значительно больших успехов и не только в деле переработки некомпактной шихты. Так, методом ПДП в настоящее время получают слитки круглого, квадратного, прямоугольного поперечного сечений. Однако до сих пор не реализованы технологические схемы ПДП с целью получения слитков разнообразного поперечного сечения, например полых. В этом аспекте, на наш взгляд, ПДП также имеет существенные резервы повышения технико-экономической эффективности металлургического производства.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: