Вакуумная металлургия

Постоянное развитие и совершенствование атомной энергетики, авиации, космической техники, радиоэлектроники, вычислительной техники, точного машиностроения требует производства чистых металлов, жаропрочных сплавов, высококачественных сталей. Такие материалы должны содержать минимальное количество кислорода, водорода, азота, серы, фосфора, примесей цветных металлов, неметаллических включений, а обычными способами их получить невозможно. Поэтому их производят в специальных печах, работающих при пониженном давлении (в вакууме). Вакуумная обработка позволяет получать не только более чистый металл, но и изменяет технологию обычного процесса. Существуют две области вакуумной металлургии: печная и внепечная. Вопросы использования вакуума при внепечной обработке рассмотрены были выше. При плавке в вакууме газы, растворенные в металле, примеси цветных металлов, обладающие высокой упругостью пара, выделяются. В результате содержание примесей снижается до нескольких десяти тысячных долей процента.

Вакуумная индукционная плавка. Вакуумная индукционная печь (ВИП) представляет собой высокочастотную печь, помещенную в герметичный корпус, из которого при помощи вакуумных насосов откачиваются газы. Вместимость вакуумных печей составляет от нескольких килограммов до 30 т. Преимущества ВИП по сравнению с другими установками подобного назначения следующие:

1) металл в вакууме можно выдерживать длительное время, поэтому металл подвергается глубокой дегазации, раскислению, очищению от неметаллических включений и примесей цветных металлов;

2) выплавляются любые, сложные по химическому составу сплавы из самых разных шихтовых материалов;

3) печи пригодны для отливки крупных слитков массой в несколько тонн и для литья мелких фасонных изделий.

Недостатком ВИП является возможность загрязнения жидкого металла из-за контакта с огнеупорной футеровкой тигля, снижающая эффективность рафинирования металла.

Плавильный процесс в ВИП может быть периодическим (с открыванием печи после каждой плавки) и полунепрерывным. Схема подобной установки показана на рис. 46. Плавильная камера с размещенной в ней печью, отделена от камеры изложниц и шихты шлюзовыми устройствами с вакуумными затворами.

Камера изложниц или литейных форм закрывается снаружи, и из нее откачивается воздух. Когда давление в ней и печи уравнивается, открывают соединяющий их затвор, и изложницы подают в печь для заполнения металлом. После заливки их выводят из камеры печи в камеру изложниц и напускают воздух, предварительно закрывая соединяющий затвор. Открывают камеру изложниц и убирают заполненные формы, взамен устанавливают пустые, и цикл повторяется сначала. Все это время камера печи остается под низким давлением.

Принцип действия камеры загрузки такой же. В ней на тросе подвешивается бадья с порцией шихты. Затем камеру закрывают, откачивают воздух и открывают шибер, отделяющий эту камеру от печной. Затем опускают бадью в печь и загружают тигель. Пустую бадью поднимают, закрывают затвор и напускают в камеру загрузки воздух. Вместо пустой бадьи ставят бадью с шихтой. Печь работает без открывания плавильной камеры до тех пор, пока позволяет стойкость огнеупорной футеровки (в среднем 20 - 40 плавок). Для смены тигля печь открывают и отсоединяют индуктор с тиглем от токо- и водоподводов. Вместо использованного тигля устанавливают сменный индуктор со свеженабитым или выложенным из кирпича тиглем. После закрывания камеры и откачки воздуха печь снова готова к работе. Полунепрерывный процесс имеет более высокую производительность, чем периодический.

Вакуумные дуговые печи. Для изготовления крупных слитков (массой в несколько десятков тонн) из нержавеющих, высокопрочных и других сталей применяют вакуумные дуговые печи (ВДП). Они бывают с расходуемым и нерасходуемым (вольфрамовым) электродом. Наплавление слитка в медный водоохлаждаемый кристаллизатор производится с помощью электрической дуги.

Для получения металла особо высокой степени чистоты проводят двойной переплав или дуплекс плавку: сначала в ВИП, затем в ВДП. ВДП имеют следующие преимущества:

1) однородность получается кристаллической структуры слитка;

2) исключается неравномерность распределения элементов по сечению слитка (сегрегация);

3) отсутствует усадочная раковина и другие дефекты, характерные для слитков, отлитых в обычные изложницы.

Недостатки этих печей состоят в том, что переплавляется готовая заготовка заданного состава, невозможно легирование по ходу плавки.

ЭЛП состоит из камеры, внутри которой расположен либо медный водоохлождаемый кристаллизатор с устройством для вытягивания слитка, либо медная водоохлаждаемая чаша – тигель для плавки в гарнисаже. Разливка осуществляется наклоном чаши. Заготовку круглого или квадратного сечения подают в печь сверху по оси кристаллизатора, либо сбоку горизонтально. На рис. 47 представлена схема крупнейшей в мире печи ЕМО-1200 с пушкой мощностью до 1700 Вт. В этой печи можно выплавлять слитки массой до 11 т. Камера печи имеет два боковых шлюза, через которые производится подача заготовки массой до 1 т. Электронный пучок имеет программированное синусоидальное отклонение по поверхности ванны. Расход электроэнергии 900 кВт^.ч/т, годовая производительность печи до 4000 т.

Электроннолучевой переплав используют для производства слитков специальных сталей, предназначенных для изготовления особо важных изделий, работающих в тяжелых условиях.

1.4.8. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛИ

В нашей стране сталь классифицируется в соответствии с государственными стандартами (ГОСТ) и техническими условиями (ТУ). Стали классифицируют по химическому составу, назначению, качеству, структуре, способу производства и сортаменту. Два основных классификационных признака – химический состав и основные свойства (показатели назначения продукции) лежат в основе терминов и определений, относящихся к наименованию сталей. В качестве дополнительных признаков используются: область применения, технология, структура и др. В зависимости от числа общих отличительных признаков стали делятся на классы (один общий признак), подклассы (два) и группы (три и более); если необходима более детальная классификация, вводятся подгруппы.

По способу производства различают конвертерную, мартеновскую стали и электросталь.

По назначению различают конструкционные, инструментальные, стали со специальными физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и других изделий. Конструкционные стали могут быть как углеродистыми, так и легированными. По названию некоторых конструкционных сталей можно судить об их назначении (котельная, судостроительная, клапанная, рессорно-пружинная, строительная и т. д.).

Многие технологические процессы современной техники основаны на вибрационных колебаниях, помогающих бурить нефтяные скважины, обрабатывать металлические изделия и заготовки, транспортировать сыпучие материалы. Детали вибрационного оборудования, работающие в особенно тяжелых условиях, разрушаются и требуют частой замены. Специалисты одной из японских компаний нашли оригинальное решение проблемы: создана сталь, способная преобразовать энергию вибрации в теплоту. Деталям, изготовленным из такой стали, никакая тряска не страшна, т.к. они не только поглощают вибрацию, но и гасят возникающие при этом резонансные колебания.

Инструментальные стали служат для изготовления различных инструментов, резцов, фрез, пил, штампов, калибров и другого режущего ударно-штампового и мерительного инструмента. Эти стали легируют хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Среди инструментальных сталей широкое распространение получили быстрорежущие стали.

По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. В зависимости от содержания углерода различают низкоуглеродистые (менее 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25 - 0,6 % С) и высокоуглеродистые (более 0,6 % С).

Легированные стали в зависимости от входящих в них элементов подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромомарганцовистые, хромомолибденванадиевые и т.п. Количество введенных элементов определяет степень легирования: низколегированные (количество легирующих элементов менее 5 %), среднелегированные (5 – 10 %) и высоколегированные (более 10 %) стали.

В 1883 г. Роберт Гадфильд запатентовал марганцовистую сталь, которая обладала необыкновенными свойствами. Пытались закаливать эту сталь в различных средах, но тщетно: она оставалась мягкой. Когда ее подвергали холодной ковке, то участки, на которые приходились удары молота, становились твердыми, и чем больше была степень деформации, тем тверже становилась сталь. При обработке напильником наблюдалось аналогичное явление. Сопротивление металла под напильником росло по мере надавливания: чем сильнее был нажим, тем больше сопротивление. Это был идеальный материал для сейфов, предохранительных решеток, высоконагружаемых деталей машин и подверженных усиленному износу механизмов. И вряд ли кто сегодня вспомнит изобретателя марганцовистой стали, когда, например, едет в трамвае, а тот со скрежетом и визгом проходит по стрелкам или круто поворачивает.

По качеству стали классифицируют на рядовые или обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства, при этом основным показателем для разделения сталей по качеству служит содержание в них вредных примесей.

Стали обыкновенного качества выплавляют только углеродистыми, качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными, особо высококачественные – легированными. Например, по содержанию серы и фосфора они отличаются следующим образом. Стали обыкновенного качества содержат S и Р менее 0,055 - 0,06 %; качественные – менее 0,04 - 0,045 %; высококачественные – менее 0,02 - 0,03 % и даже ниже (до 0,005 %).

В 1999 г. в странах Европейского Сообщества утверждена классификация сталей по содержанию в них основных циркулирующих микропримесных элементов: Cu, Mo, Sn и Cr (табл. 22). В связи с этим ожидается, что конкурентоспособными окажутся те предприятия, на которых будет осуществляться полный контроль поведения микроэлементов в исходных шихтовых материалах и по всему циклу металлургеских переделов.

Таблица 22

Классификация сталей по содержанию в них микроэлементов (Cu+Mo+Sn+Cr)

Классификационная группа характеризует область применения, свойства металла, его надежность в работе, стоимость и другие параметры.