Способы повышения качества металла

Развитие машиностроения и приборостроения предъявляют возрастающие требования к качеству металла: его прочности, пластичности, газосодержанию. Улучшить эти показатели можно уменьшением в металле вредных примесей, газов, неметаллических включений. Для повышения качества металла используют обработку синтетическим шлаком, вакуумную дегазацию металла, плавку в вакуумных печах, электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), вакуумно-индукционный переплав (ВИП), переплав металла в электронно-лучевых и плазменных печах.

Обработка металла синтетическим шлаком заключается в следующем. Синтетический шлак, состоящий из 55% CaO, 40% Al₂O₃, небольшого количества SiO₂, MgO и минимума FeO, выплавляют в электропечи и заливают в ковш. В этот же ковш заливают и сталь. При перемешивании стали и шлака поверхность их взаимодействия резко возрастает и реакции между ними протекают гораздо быстрее, чем в плавильной печи. Благодаря этому, а также низкому содержанию оксида железа в шлаке сталь, обработанная таким способом, содержит меньше серы, кислорода и неметаллических включений, улучшается ее пластичность и прочность. Такие стали применяют для изготовления ответственных деталей машин.

Вакуумную дегазацию стали проводят для уменьшения содержания в металле газов и неметаллических включений. Вакуумирование стали производят в ковше, при переливке из ковша в ковш, при заливке в изложницу и т.п. Для вакуумирования в ковше, его помещают в камеру, закрывающейся герметичной крышкой. Вакуумными насосами в камере создается разрежение до остаточного давления 0.267-0.667 кПа. При понижения давления из жидкой стали выделяется водород и азот. Всплывающие пузырьки газов захватывают неметаллические включения, в результате чего содержание их в стали снижается. Все это улучшает прочность и пластичность стали.

Электрошлаковый переплав (ЭШП) применяется для переплава прутков металла, выплавленного в дуговой печи. Источником теплоты при ЭШП является шлаковая ванна, нагреваемая при прохождении через нее электрического тока. Электрический ток подводится к переплавляемому электроду 1, погруженному в шлаковую ванну 2 и к поддону 9, установленному в водоохлаждаемом металлическом кристаллизаторе 7, в котором находится затравка 8 (рис.10). Выделяющаяся в шлаковой ванне2 теплота нагревает ее до температуры 1700 ⁰С и более и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла 3 проходят через шлак, образуя под шлаковым слоем металлическую ванну 4.

Рис.10. Схема электрошлакового переплава расходуемого электрода:

а - кристаллизатор, б - включение установки

Перенос капель металла через основной шлак способствует их активному взаимодействию, удалению из металла серы, неметаллических включений и растворенных газов. Металлическая ванна непрерывно пополняется путем расплавления электрода, под воздействием кристаллизатора постепенно формируется слиток 6. Последовательная и направленная кристаллизация способствует удалению из металла неметаллических включений и газа, получению плотного однородного слитка.

В результате ЭШП содержание кислорода в металле снижается в 1.5-2 раза, понижается концентрация серы, в 2-3 раза уменьшается содержание неметаллических включений, они становятся мельче и равномерно распределяются в объеме слитка. Слиток отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверхности благодаря наличию шлаковой корки 5, высокими механическими и эксплуатационными свойствами стали. Слитки выплавляют круглого, квадратного и прямоугольного сечений массой до 110 т. Наиболее широко ЭШП используют при выплавке высококачественных сталей для шарикоподшипников, жаропрочных сталей для дисков турбин и авиационных конструкций.

Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) применяют в целях удаления из металла газов и неметаллических включений. Процесс осуществляется в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом (рис.11). В зависимости от требований, предъявляемых к получаемому металлу, расходуемый электрод изготавливают механической обработкой слитка, выплавленного в электропечах или установках ЭШП. Расходуемый электрод закрепляют на водоохлаждаемом штоке 2 и помещают в корпус 1 печи и далее в медную изложницу 6. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточного давления 0.00133 кПа.

Рис.11. Схема вакуумно-дугового переплава

При подаче напряжения между расходуемым электродом-катодом 3 и затравкой-анодом 8 возникает дуга. Выделяющаяся теплота расплавляет конец электрода; капли 4 жидкого металла, проходя зону дугового разряда, дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток 7. Дуга горит между расходуемым электродом и жидким металлом 5 в верхней части слитка на протяжении всей плавки. Сильное охлаждение слитка и разогрев дугой ванны металла создают условия для направленного затвердевания слитка, вследствие чего неметаллические включения сосредотачиваются в верхней части слитка, а усадочная раковина в слитке незначительна. Слитки ВДП содержат мало газов, неметаллических включений, отличаются высокой равномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами. Из слитков изготавливают ответственные детали турбин, двигателей и авиационных конструкций.. Масса слитков достигает 50 т.

Плавку в электронно-дуговых печах применяют для получения чистых и сверхчистых тугоплавких металлов (молибдена, ниобия, циркония и др.), для выплавки специальных сплавов и сталей. Источником теплоты в этих печах является энергия, выделяющаяся при торможении свободных электронов, пучок которых направлен на металл. Получение электронов, их разгон, концентрация в луч, направление луча в зону плавления осуществляются электронной пушкой. Металл плавится и затвердевает в водоохлаждаемых кристаллизаторах при остаточном давлении 1.33×10^-3 кПа. Вакуум внутри печи, большой перегрев и высокие скорости охлаждения слитка способствуют удалению газов и примесей, получению металла особо высокого качества. Однако при переплаве шихты, содержащей легкоиспаряющиеся элементы, изменяется химический состав металла.

Плавку стали в плазменно-дуговых печах применяют для получения высококачественных сталей и сплавов. Источник теплоты в этих печах - низкотемпературная плазма (30000 ⁰С), получаемая в плазменных горелках. В этих печах можно создавать нейтральную среду заданного состава (аргон, гелий). Плазменно-дуговые печи позволяют быстро расплавить шихту, а в нейтральной газовой среде происходит дегазация выплавляемого металла, легкоиспаряющиеся элементы, входящие в его состав, не испаряются.