Перспективы получения больших масс жидких высокореакционных металлов для фасонного литься и слитков

При производстве фасонных отливок из высокореакционных металлов одной из важнейших проблем является получение больших масс высококачественного жидкого металла для заливки форм.

При этом необходимо: 1) получить нужное количество жидкого металла, 2) произвести рафинировку его от вредных примесей или, по крайней мере, не допустить загрязнения расплавляемого металла дополнительными примесями из материала тигля или газами из печной атмосферы, 3) нагреть металл до такой степени, чтобы получить хорошее заполнение тонкостенных деталей, не допуская пригаров формы, свидетельствующих об образовании поверхностного упрочненного слоя значительной толщины. Эти задачи могут быть решены с различным успехом в зависимости от метода получения жидких высокореакционных металлов.

В настоящее время для получения жидкого металла могут быть использованы вакуумно-дуговая гарнисажная плавка, электронная, ионная, плазменная плавки, плавки индукционные в холодном и графитовом тиглях.

Наиболее распространена в настоящее время вакуумно-дуговая гарнисажная плавка, являющаяся пока практически единственным методом, с помощью которого можно получать не только слитки высокореакционных металлов путем наплавления их в медных водоохлаждаемых кристаллизаторах и изложницах, но и большие массы высококачественного жидкого металла, не загрязненного дополнительно никакими примесями и годного для заливки форм и отливки слитков.

Образующаяся твердая корочка застывшего металла около охлаждаемых стенок и дна тигля является при соответствующих условиях плавки вполне устойчивой и надежно предохраняет жидкий металл от контакта с материалом тигля и взаимодействия с ним даже в том случае, если этот тигель изготовлен из графита.

Основная трудность гарнисажной плавки обусловлена необходимостью получать в тигле достаточно перегретый жидкий металл и наряду с этим сохранить застывшую корочку гарнисажа около стенок тигля. Достичь этого можно путем создания большого температурного градиента на границе твердой и жидкой фаз, температурный градиент можно поддерживать различным в зависимости от энергетического режима плавки и конструктивных параметров печи. Особенностью плавки высокореакционных металлов является то, что она проводится преимущественно в вакууме. Это обстоятельство заставляет вводить определенные ограничения на температурный режим жидкого металла. Темпера тура кипения жидкостей, в том числе и жидких металлов, значительно снижается с понижением давления газовой среды, поскольку жидкость начинает кипеть тогда, когда давление газов над ней становится равным или меньшим упругости пара этой жидкости. Этот факт несколько не обычен в том отношении, что мы привыкли оценивать поведение металлов в расплавленном состоянии при атмосферном давлении, и поэтому некоторыми металлургами фактор снижения температуры кипения жидких металлов при плавке их в вакууме в расчет не принимается, а возможность достижения больших степеней перегрева при вакуумной дуговой или электронной плавке за счет подведения больших мощностей тока считается само собой разумеющейся.

В действительности дело обстоит иначе, так как имеет место значительное снижение температур кипения жидких металлов. Так, например, температура кипения железа снижается с 2857° при атмосферном давлении до 1637° при давлении 1*10в-1 мм рт. ст., при котором обычно осуществляется вакуумная плавка.

Титан при давлении 1*10в-2 мм tpт.ст. снижает температуру кипения с 3286 до 1727°, молибден — с 4827 до 2627°.

Учитывая это обстоятельство, можно полагать, что нельзя значительно перегреть металл выше его точки кипения, так как вся избыточная подводимая мощность для достижения более высокого перегрева тратится на испарение, интенсивность которого зависит от количества подводимой энергии, а при плавке с расходуемым электродом — и на увеличение скорости плавления электрода.

Степень перегрева металла в условиях вакуумной плавки будет за висеть от давления в печи и физических свойств металла. Чем ниже давление, тем меньше возможен перегрев, и чем меньше упругость пара металла, тем больше будет возможность перегрева. Зная, какое большое влияние оказывает температура перегрева металлов над точкой плавления на их жидкотекучесть и, следовательно, на заполняемость форм, указанному выше фактору следует придавать исключительно большое значение.

Однако возможность достижения того или иного перегрева металла зависит от методов плавки.

По способу нагрева или подвода тепла печи условно можно подразделить на два типа. У печей первого типа энергия подводится к верхней поверхности жидкой ванны. Такой подвод осуществляется при дуговом, электронном, ионном и плазменном методах нагрева. Ко второму типу относятся печи, в которых тепловая энергия подводится к боковой поверхности тигля или даже выделяется по всей массе жидкого или расплавляемого металла. К этому типу печей можно отнести печи с индукционным нагревом и печи сопротивления.

Преимуществом печей первого типа является то, что в них удается поддерживать устойчивый гарнисаж на стенках тигля, поскольку стенки не участвуют в передаче тепла металлу извне, а, наоборот, охлаждаются с достаточно большой интенсивностью, которую можно регулировать в известных пределах как путем подачи соответствующего количества воды в водоохлаждающую систему, так и путем подбора конструктивных параметров печи.

При плавке в печах второго типа получение устойчивого гарнисажа практически исключается, так как нагрев металла идет от боковых стенок тигля (кроме плавки в так называемом «холодном тигле», о чем речь будет идти особо). При отсутствии гарнисажа высокореакционные металлы, как известно, интенсивно взаимодействуют с материалом тигля и загрязняются его компонентами Поэтому получение жидкого не загрязненного высокореакционного металла в печах такого типа невозможно до тех пор, пока не будет найден устойчивый от взаимодействия с металлом материал тигля.

Недостатком печей первого типа является то, что в них невозможно получать высокую степень перегрева металла многих сплавов, в частности титановых, над точкой плавления, необходимую для хорошей заполняемости форм Причиной этого, как уже было сказано, является сильное понижение точки кипения металлов при плавке их в вакууме, когда упругость пара над металлом становится равной или даже большей, чем давление неконденсирующихся газов над металлом в печи

Печи второго типа в этом отношении имеют преимущество, так как имеется возможность значительно перегреть металл выше точки его кипения. Дело в том, что при подводе тепла к боковой и донной поверхностям тигля или ко всему объему металла проявляется действие металлостатического давления, когда нижние слои жидкого металла в ванне находятся под давлением вышележащих слоев и к ним подводится тепло за счет, например, индукционных токов. При этом к давлению атмосферы печи прибавляется давление столба металла, вследствие чего температура в ниже лежащих слоях может быть значительно выше, чем в верхних

При подводе тепла через верх ванны (первый тип печей) такого положения достичь нельзя, так как тепло передается к ванне только с верхней поверхности, где располагается металл наиболее горячий, а нижележащие слои жидкого металла всегда будут холоднее. При таком под воде тепла к ванне при увеличении мощности подводимой энергии будет начинаться кипение или интенсивное испарение верхних слоев металла и значительного перегрева нижележащих слоев выше точки кипения достичь, очевидно, будет невозможно.

На рис. 1 показана гипотетическая схема возможных распределений температур по глубине ванны при дуговом и индукционном нагревах для случая, когда на поверхности ванны достигнута температура кипения металла. На графике показаны дуговой (I) и индукционный нагревы (II) Кривые 1 и 2 соответствуют распределению температур в ваннах при неподвижном состоянии металла, когда передача тепла осуществляется только за счет теплопроводности.

Когда металл в ванне перемещается под воздействием конвекционных токов и электродинамических сил, температуры по глубине могут распределяться по кривым 3 и 4 при дуговом нагреве и достаточно большой подводимой мощности и по кривым 5 и 6 — при индукционном нагреве. При дуговом нагреве нижележащие слои получают тепла больше за счет приноса его из верхних слоев. При этом увеличиваются средневзвешенная температура жидкого металла в ванне и глубина последней за счет уменьшения (расплавления) донного гарнисажа (кривые 3 и 4) или даже полного его расплавления (кривая 7), а в случае индукционного нагрева нижележащие слои отдают тепло вышележащим слоям, вследствие чего на этой глубине увеличивается степень возможного нагрева металла (кривая 6). При этом перегретый в нижних слоях металл, поднимаясь вверх, может закипеть в связи с уменьшением давления его столба, т. е. образовать пузырь раньше, чем перегретая частица металла достигнет поверхности ванны. Это доказывает, что испарительное кипение металла возможно. Практика нагрева жидких металлов и сплавов в вакууме полностью подтверждает возможность такого кипения. Так, при экспериментальной проверке этого явления с использованием индукционного нагрева мы наблюдали испарительное кипение цинка, свинца, олова, сурьмы, меди, а также металла ряда сплавов.

Распределение температур по глубине ванны (кривые 7 и 8) при поверхностном подводе тепла может, очевидно, иметь место при интенсивном перемешивании жидкой ванны под воздействием электродинамических сил, создаваемых соленоидом. При меньшей подводимой мощности распределение температуры должно идти по кривой 8, а при большей — по кривой 9. Интенсивный обмен тепла приводит (кривая 8) также к расплавлению нижних слоев гарнисажа, т. е. к углублению ванны и увеличению ее объема. Этот факт говорит о том, что для получения более высокой средневзвешенной температуры жидкого металла при поверхностном нагреве следует увеличивать подводимую мощность, но тогда необходимо обязательно сочетать это повышение с интенсивным перемешиванием металла, иначе излишек подводимой мощности будет в большей степени идти на испарение металла. В свою очередь подводимая мощность и интенсивность перемешивания должны быть строго связаны с конструктивными параметрами печи, в противном случае может произойти размывание гарнисажа и науглероживание металла.

Следует также помнить, что существует оптимальная температура заливки металла в формы, которая зависит от многих факторов. Излишний перегрев металла может привести к увеличению интенсивности взаимодействия металла с материалом формы, что также крайне нежелательно.

Изложенные положения нами частично проверены экспериментально. Так, нагрев жидких металлов в вакуумной индукционной печи с емкостью тигля 15 кг показал, что достигаемая температура металла, периодически замеряемая термопарой погружения, значительно выше температуры кипения металла (рис. 2). При таком нагреве происходит, как уже говорилось, очень бурное испарение и кипение металла. За 30— 40 минут испарялось до 60—70% загруженного металла. Измерение температуры производилось на глубине 100—120 мм от верхнего уровня ванны. Для определения изменения температуры в зависимости от глубины ванны нами был проделан такой опыт.

Для того чтобы исключить по возможности перемешивание металла (под воздействием электродинамических сил), последний расплавлялся в печи сопротивления и две термопары устанавливались на различной глубине ванны. Затем производился нагрев с большим избытком мощности. Через некоторое время устанавливалось различие в показаниях термопар (рис. 3). Верхняя термопара показывала более низкую температуру, нижняя — более высокую. При этом шло интенсивное испарение металла. Как только верхняя термопара вследствие испарения оказывалась выше уровня металла в ванне, температура ее снижалась. Нижняя термопара также по мере испарения металла постепенно показывала более низкие температуры. Чтобы исключить влияние глубины ванны и показать невозможность при этом перегрева металла выше температуры кипения, небольшое количество металла (глубина ванны 20—30 мм) нагревалось в печи сопротивления при различной электрической мощности. Из рис. 4 видно, что при всех мощностях перегреть металл выше температуры его кипения не удалось. Изменение температуры свинцовой ванны при нагреве ее на одной и той же мощности, но при различном давлении показано на рис. 5. После того как при давлении 20 мм рт. ст. установилась температура, очень близкая к температуре кипения свинца при таком давлении, в печь был впущен аргон до давления 100 мм рт. ст.

При этом без изменения подводимой мощности температура металла поднялась примерно на 200° и вновь стала очень близкой к температуре кипения свинца при давлении 100 мм рт. ст. Увеличение мощности при этом давлении не привело к повышению температуры металла.

Для исследования использовались легкоплавкие металлы, что значительно облегчало условия проведения опытов. При дуговом нагреве металла проведение такого рода опытов очень затруднено в связи с влиянием электрической дуги и колеблющихся электрических и магнитных полей.

Результаты экспериментального исследования, проведенного на вакуумно-дуговых плавках, показывают, что существует зависимость между подводимой мощностью и температурой титана в жидкой ванне. С увеличением мощности повышение температуры металла замедляется и становится близкой к температуре кипения, а затем температура уже практически не повышается.

Однако, несмотря на преимущества (возможность перегрева металла), индукционная плавка в обычном виде, как уже было сказано, не может быть использована для получения жидких высокореакционных металлов из-за взаимодействия металла с футеровкой тигля.

В последнее время в России и за границей интенсивно проводятся работы по плавке металлов в индукционных печах с так называемым «холодным» тиглем, когда металлический или графитовый тигель имеет несколько вертикальных разрезов и все части его электроизолированы друг от друга. При этом предотвращается нагрев этих частей за счет электрической индукции и основная часть энергии выделяется в расплавленной ванне.

Результаты работ в этом направлении противоречивы. Одни исследователи говорят о большой перспективности этого метода плавки, другие, наоборот, высказываются о полном отсутствии перспективы из-за слишком большой потери тепла и низкого к. п. д., так как место максимального выделения тепла (периферия ванны жидкого металла) совпадает с зоной отвода тепла (водоохлаждаемыми стенками тигля). Опыты, проведенные в ЦНИИ металлургии и сварки, подтверждают последнюю точку зрения. Однако требуется более полная проверка этого метода плавки.

Кроме того, следует обратить внимание и на опасность указанного метода плавки, так как возможны прожоги водоохлаждаемых стенок, разрезного тигля и попадание воды не только на расплавленную верхнюю поверхность тигля, но и на любой уровень под поверхностью, что может привести к взрыву печи.

Опыты с применением графитовых разрезных тиглей и металлических тиглей из тугоплавких металлов также не дают положительных результатов, так как происходит науглероживание металла или растворение материала металлического тигля.

Таким образом, возможность применения индукционного нагрева для плавления высокореакционных металлов, несмотря на преимущества этого метода, практически исключается из-за отсутствия устойчивого материала тигля и в настоящее время используется метод подвода тепла с верха ванны. Недостаток этого метода (невозможность получения высокого перегрева жидкой ванны) должен быть компенсирован максимальным снижением потерь тепла при плавлении и разливке за счет конструкции печи, максимального увеличения скорости плавления и соответствующей технологии плавки и разливки металла по формам.

Рассматривая преимущества или недостатки различных методов плавки с подводом тепла с верха ванны (дугового, электронного, ионного, плазменного), следует обратить внимание на неправильность оценки их возможностей. Например, существует мнение, что при электронном методе плавки достигается большой перегрев металла и можно получить большой объем жидкой ванны, так как мы можем при этом регулировать скорость расплавления расходуемого электрода и подводить энергию к ванне в любое время и таким путем перегревать металл. Такое утверждение неверно, так как нагреть металл выше точки его кипения при данном давлении в печи невозможно, какое бы длительное время мы ни подводили энергию к ванне. Весь избыток этой энергии уйдет на испарение, интенсивность которого может быть очень высокой в зависимости от количества подводимого тепла. Практика подтверждает сказанное, поскольку в условиях электронного нагрева может происходить очень большое испарение металла и легирующих компонентов (до 30—50%) за время плавки и жидкая ванна получается сравнительно мелкой.

Поэтому электронная и дуговая печи с нерасходуемым электродом преимуществом в отношении степени нагрева жидкой ванны не обладают. Расход энергии, подводимой к металлу для нагрева его до одной и той же температуры, будет при этом несомненно выше, чем при дуговом методе с расходуемым электродом, за счет увеличения потерь с неэкранированной поверхности ванны. Глубина и объем жидкой ванны по этой же причине будут меньше, чем при вакуумно-дуговой плавке с расходуемым электродом.

Учитывая сказанное, электронный метод нагрева следует применять при низкой упругости пара металла и когда требуется высокая степень дегазации, так как при этом методе нагрева плавка ведется при более низких давлениях неконденсирующихся газов. Для металлов и сплавов с высокой упругостью пара электронная плавка будет неэффективна.

Плазменный нагрев, который еще недостаточно исследован, может привести к нагреву металла до более высоких температур, поскольку плавка осуществляется не в вакууме, а в атмосфере инертного газа, и при этом температура кипения металла будет значительно выше, чем в вакууме.

То же самое следует сказать и о дуговом методе плавки в атмосфере инертных газов. Однако следует иметь в виду снижение степени дегазации металла при повышенных давлениях и ухудшение режима горения дуги.

Экспериментальные исследования и опыт работы промышленных установок показывают, что в настоящее время по своей технической и экономической эффективности вакуумнодуговая плавка с расходуемым электродом имеет несомненные преимущества по сравнению с другими методами плавки и очень широко применяется не только для изготовления слитков, но и для фасонного литья.

В настоящее время в нашей стране максимальный съем жидкого металла дают печи «Нева-2», на которых при силе тока 8000—10 000 а может быть получено до 150 кг жидкого титана. Этого, конечно недостаточно. Сейчас спроектированы и строятся печи, в которых можно будет получать 250—600 кг жидкого титана. Проектируются печи и на 2000 кг жидкого металла.

Как показали наши исследования, в гарнисажных вакуумно-дуговых печах может быть получено не только качественное фасонное литье, но и слитки путем заливки жидкого металла в изложницы. При этом титановые слитки по однородности химического состава, механическим свойствам металла и макроструктуре значительно превосходят слитки, выплавленные в обычных вакуумно-дуговых печах. Так, разброс в содержании элементов и в значениях механических свойств у слитков, выплавленных в гарнисажных печах, примерно в два раза меньше, чем у слитков вакуумно-дугового переплава. Макроструктура слитков мелкокристаллическая, однородая, без зоны транскристаллов. Обдирки слитков нe требуется, металл свободен от пузырей и пористости. При гарнисажной плавке имеется возможность получать слитки более высокого качества — без внутренних дефектов в виде включений более тугоплавких и труднорастворимых компонентов, попадающих в шихту случайно (окисленная губка и куски металла, шлак от огневой резки, обломки вольфрамсодержащих резцов и т. п.) или вводимых как легирующие добавки. При этом все нерастворившиеся включения оседают на дно тигля (вмерзают в гарнисаж) и при сливе металла в изложницу не попадают. Происходит своего рода декантация металла.

В отличие от вакуумно-дугового метода при гарнисажном методе плавки можно простым способом получать слитки любой конфигурации (плоские, квадратные и др.). Есть возможность получать из одной плавки несколько слитков как с помощью сифонной заливки, так и заливки сверху в изложницы, установленные на поворотном столе.

При гарнисажной плавке имеется дополнительная возможность переплава значительного количества отходов (до 20—30%), кроме отходов, введенных в электрод при плавке с расходуемым электродом. При плавке с нерасходуемым электродом имеется возможность переплавлять до 100% отходов. При этом не требуется такого измельчения этих отходов, какой делается при введении их в прессованный электрод.

В условиях гарнисажной плавки, когда весь объем металла находится в жидком состоянии, имеется возможность легирования и делегирования непосредственным введением некоторых компонентов в ванну.

Модифицирование в условиях гарнисажной плавки дает больший эффект, так как модификаторы не проходят стадию плавления в дуге, когда резко снижается их действенность. Замечено, что при гарнисажной плавке достигается более высокая степень рафинирования металла от водорода.

При гарнисажной плавке с графитовым тиглем имеется возможность резко повысить взрывобезопасность работ по выплавке слитков, так как графитовая прослойка надежно защищает водоохлаждаемую часть тигля от его прогорания и попадания воды в расплавленный металл.

Расход электроэнергии при гарнисажной плавке на 1 т слитков, по данным полупроизводственных опытов (слитки весом 60—150 кг), такой же, как и при вакуумно-дуговой плавке, или даже несколько меньше в связи с большей скоростью плавления (при большей потребляемой мощности) и меньшими потерями как за счет сокращения времени плавления, так и за счет уменьшения доли паразитных дуг при большем зазоре между стенками тигля и электродом.

Отрицательными сторонами метода получения слитков в гарнисажных печах могут явиться развитие ликвационных явлений при кристаллизации крупных слитков и образование усадочной раковины в слитке.

В отношении ликвационных явлений следует сказать, что, вероятно, большого развития они не получат, так как жидкий металл не имеет значительного перегрева и будет кристаллизоваться довольно быстро. Предотвратить образование усадочной раковины можно обычными методами — или путем применения утепленных прибылей, или за счет выведения ее из тела слитка дуговым подогревом.

Учитывая перспективы гарнисажной плавки как в отношении улучшения качества металла, так и в отношении экономики производства, целесообразно создать конструкции печей емкостью 2—4 г жидкого металла, которые затем проверить.

В настоящее время уже имеется достаточно данных для проектирования печей такой емкости. Необходимая электрическая мощность постоянного тока таких печей может быть получена в ближайшее время за счет параллельного соединения уже созданных кремниевых выпрямительных устройств.