Электронно-лучевой переплав - ресурсосберегающий процесс вакуумной металлургии

17.07.2018
В настоящее время электронно-лучевой переплав (ЭЛП) является одним из наиболее эффективных способов повышения служебных характеристик металлов и сплавов. Он применяется в исследовательской практике и промышленности для получения особо чистых металлов и сплавов с высокими физико-химическими и механическими свойствами.

Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал по опытно-промышленному применению электронно-лучевого переплава не только подтверждает его преимущество по сравнению с другими методами вакуумной металлургии, но и выявляет ряд преимуществ. ЭЛП является наиболее приемлемым и экономически оправданным процессом получения особо чистых ниобия, тантала, циркония, ванадия, меди, никеля, железа и других металлов и сплавов на их основе. Исключение составляют металлы с высокой упругостью паров в точке плавления, например хром и сплавы на его основе.

Весьма эффективно применение электронно-лучевого переплава для повышения качества специальных сталей и сложнолегированных сплавов на основе никеля и железа. При переплаве указанных материалов одновременно с резким уменьшением содержания водорода, азота и кислорода происходит практически полное удаление многих легкоплавких примесей (свинца, цинка, висмута, олова и др.), снижается содержание неметаллических включений. Наблюдается также диспергирование и более равномерное распределение по сечению слитка оставшихся в металле неметаллических включений.

Значительный прогресс в области электронно-лучевой технологии достигнут в результате перехода от прямого переплава расходуемой заготовки в кристаллизатор к переплаву с использованием промежуточной емкости (ЭЛПЕ) и способу формирования слитка в горизонтальном кристаллизаторе (ЭЛПГ). В таблице представлены сравнительные данные о загрязненности неметаллическими включениями конструкционной стали открытой дуговой плавки (ОДП), электронно-лучевого переплава в кристаллизатор и с промежуточной емкостью.

В результате ЭЛП благодаря высокой степени рафинирования и формированию более однородных по химическому составу и структуре слитков существенно повышаются физико-механические свойства металлов и сплавов. Увеличивается их технологическая пластичность, особенно при обработке давлением. Например, тугоплавкие металлы и сплавы вследствие их высокой пластичности и технологичности могут использоваться в качестве конструкционных материалов. Эффективным является применение этого процесса и для конструкционных сталей. Например, высокопрочные стали после ЭЛП имеют более высокую циклическую прочность (предел усталости). В ряде случаев порог хладноломкости снижается на 40...60 °С. Работа распространения трещины повышается в 3-3,5 раза по сравнению с металлом вакуумно-дуговой плавки. Рационально применение ЭЛП для получения хромистых нержавеющих сталей ферритного класса, не имеющих в своем составе никеля и обладающих очень высоким сопротивлением различным видам коррозии. В результате ЭЛП получают стали этого класса с весьма низким содержанием углерода и азота — менее 0,005 и 0,01 % соответственно. Сталь ферритного класса с указанным содержанием углерода и азота может не только конкурировать с аустенитными нержавеющими сталями, но и значительно превосходить их по ряду эксплуатационных и технологических параметров, а также по себестоимости. Прецизионные сплавы после ЭЛП при крупномасштабном производстве имеют такие физико-химические свойства, которые ранее достигались лишь в лабораторных условиях на небольших образцах. Например, индукция насыщения сплава 50Н после ЭЛП повышается в 2 раза, что позволяет примерно вдвое уменьшить массу магнитных сердечников и соответственно сократить расход меди и изоляционных материалов.

Этот небольшой обзор показывает, что в сфере возможных областей применения ЭЛП достигается значительная экономия материальных, трудовых и энергетических ресурсов.

Рассмотрим далее основные пути ресурсосбережения за счет применения ЭЛП в металлургическом производстве.

При электронно-лучевом рафинирующем переплаве тугоплавких и высокореакционных металлов и сплавов, где требуется снижать содержание примесей в десятки и сотни раз, особое значение приобретает правильный выбор (оптимизация) технологических параметров процесса.

В ИЭС им. Е.О. Патона АН Украины разработан экспериментально-расчетный метод прогнозирования и оптимизации параметров процесса ЭЛП по результатам нескольких опытных плавок, осуществляемых в лабораторных или производственных условиях. Этот метод позволяет обеспечить с высокой точностью заданный химический состав слитков ЭЛП при максимально высоких технико-экономических показателях (скорость переплава, выход годного металла, удельный расход электроэнергии).

Практическое применение экспериментально-расчетного метода оптимизации параметров процесса рафинирования при переплаве тугоплавких металлов позволило повысить производительность оборудования в 2,3 раза и выход годного металла на 10 %, а также снизить удельный расход электроэнергии в 2-3 раза.

При переплаве черных и цветных металлов и сплавов в вакуумнодуговых печах (ВДП) предъявляются высокие требования к качеству расходуемых электродов. Они должны иметь высокую плотность, позволяющую пропускать электрический ток в десятки и сотни килоампер. Электроды при большой длине должны иметь небольшую кривизну и конусность, а диаметр их должен быть всегда меньше диаметра выплавляемого слитка, чтобы избежать обрыва и попадания в ванну жидкого металла «короны», образующейся на стенках кристаллизатора. В случае сочетания ВДП с вакуумной индукционной плавкой (ВИП) расходуемый электрод изготовляется методом прокатки или ковки, либо путем отливки слитка в специальную удлиненную с небольшой конусностью изложницу. На одном из торцов электрода необходимо изготовлять специальный захват, способный пропускать большие токи.

В противоположность ВДП к расходуемой заготовке для ЭЛП предъявляются минимальные требования. В качестве заготовки могут использоваться слитки, отлитые в обычную изложницу или наборные из отдельных пластин, штанг, прутков, а также брикеты, губка, небольшие таблетки, гранулы и другие кусковые материалы. При этом диаметр (поперечное сечение) расходуемой заготовки может быть значительно больше диаметра выплавляемого слитка.

Эти преимущества ЭЛП позволяют снизить коэффициент расхода металла в 1,2-1,3 раза по сравнению с ВДП и благодаря этому в ряде случаев окупить все расходы по переделу. Одновременно достигается значительное снижение трудовых (сокращение количества операций по переделу) и энергетических затрат.

Важное место в ресурсосбережении занимает технология электронно-лучевого оплавления поверхностного слоя расходуемых заготовок, готовых слитков, фасонных отливок, поковок и проката взамен механической обработки. Институтом электросварки им. Е.О. Патона АН Украины созданы и внедрены установки для оплавления поверхностного слоя слитков и заготовок. Внешний вид такого слитка показан на рис. 1. Технологический процесс ЭЛП высокореакционных сплавов позволяет достичь экономии металла на 4...6 % и снизить трудовые затраты на 25...35 %. Одновременно улучшается качество готовых слитков за счет рафинирования поверхностного слоя и создания мелкокристаллической высокопластичной оболочки.

При электронно-лучевом переплаве с промежуточной емкостью имеется возможность перерабатывать практически любые отходы металлургического производства. При этом не требуется изготовления расходуемой заготовки. Таким методом из оборотного металла отливаются как товарные слитки, так и расходуемые заготовки для последующего переплава. В ИЭС им. Е.О. Патона разработан специальный метод ЭЛП оборотного металла, загружаемого навалом на подину, гарантирующий однородный химический состав по длине слитка даже в случае неоднородного химического состава исходной шихты. Важным преимуществом электронно-лучевой технологии переработки оборотного металла является то, что практически полностью сохраняются все легирующие элементы, в том числе легкоокисляющиеся, и одновременно достигается значительная степень рафинирования металла от газов, неметаллических включений и легколетучих примесей.

Значительный эффект ресурсосбережения достигается при осуществлении в электронно-лучевых установках заготовительного литья. Применение промежуточной емкости позволяет получать одновременно несколько стержневых слитков небольшого сечения (рис. 2), трубные заготовки, а способом горизонтальной отливки — плоские слитки.

He умаляя достоинства технологии отливки параллельно нескольких слитков небольшого сечения и трубных заготовок, остановимся подробно на принципиально новой технологии горизонтальной отливки слитков.

Традиционные способы ЭЛП и ЭЛПЕ ограничены по производительности. Обычно для получения однородных по химическому составу и структуре слитков в зависимости от их диаметра и степени легирования сплава линейная скорость вытягивания слитка составляет 1,5...10 мм/мин. Современные сложнолегированные сплавы так насыщены легирующими элементами, что даже при минимальной скорости вытягивания на высоте более 1...2 диаметров слитка от поддона в выплавляемом металле появляются дефекты ликвационного характера и значительная неоднородность структуры. Поэтому наряду с совершенствованием традиционных методов Институтом электросварки разработан способ горизонтальной отливки слитков, расширяющий возможности (производительность) ЭЛП за счет повышения скорости объемной кристаллизации благодаря увеличению площади зеркала расплава металла. Горизонтальная отливка плоских слитков методом ЭЛП обеспечивает их однородность по химическому составу и структуре. Макроструктура слитков плотная, без усадочных дефектов с направленным ростом кристаллов и весьма незначительным углом их разориентации относительно продольной оси (рис. 3).

Отливка горизонтальных слитков ранее применялась в металлургии. Однако непреодолимые по тем временам трудности, связанные с образованием дефектов усадочного характера в верхней части слитка, заставили отказаться от этой технологии. Применение такого универсального источника нагрева как электронный луч позволило полностью устранить образование дефектов усадочного и ликвационного происхождения в горизонтальных слитках и возродить эту технологию на качественно новом уровне. Следует отметить, что прокат из горизонтальных плоских слитков отличается высокой изотропностью во всех направлениях (вдоль, поперек и по толщине).

Особенно перспективна технология горизонтальной отливки плоских слитков в агрегате с использованием исходного жидкого металла, получаемого в открытых сталеплавильных печах. На этом пути требуется решить ряд сложных технических задач по предварительному внепечному рафинированию жидкого металла, подаче его в вакуумную камеру, повышению мощности, надежности и ресурса работы электронных пушек и т. п.

Технология электронно-лучевой горизонтальной отливки позволяет получать биметаллические и многослойные слитки с прецизионно-регулируемой зоной перехода между слоями. При необходимости получения резкого перехода от слоя к слою наплавка второй составляющей производится на твердую подложку (первую составляющую), подогретую до заданной температуры. В этом случае происходит как бы диффузионная сварка слоев, один из которых является жидким, без наложения давления. В случае плавного перехода между слоями его толщина регулируется путем изменения глубины ванны перед наплавлением второй составляющей.

Электронно-лучевая горизонтальная отливка позволяет получать слитки, пригодные для непосредственной прокатки на лист, минуя обжимные станы. При этом плоский слиток-сляб не требует предварительной механической обработки перед прокаткой, так как верх его имеет зеркальную поверхность, а нижняя поверхность при необходимости может быть оплавлена электронным пучком сразу же после отливки. Применение электронно-лучевой горизонтальной отливки слитков даже при использовании твердых расходуемых заготовок дает значительную экономию ресурсов. По сравнению с получением листов и лент из слитков ВДП при ЭЛП количество операций по переделу уменьшается почти в 2 раза, а коэффициент расхода металла на получение готового проката — в 1,5-1,8 раза.

Значительная экономия ресурсов ожидается от освоения процесса быстрой кристаллизации и получения слитков из сложнолегированных сплавов с мелкозернистой структурой (рис. 4). Исследования показали, что в этих слитках протяженность осей и расстояние между осями дендритов уменьшилось в 3-4 раза по сравнению со слитками ВДП. Соответственно сегрегация основных легирующих элементов снизилась в 1,3-1,8 раза. Полученные мелкозернистые гомогенные слитки обладают высокой пластичностью и стойкостью против образования термических трещин.

В целом технология ЭЛП в настоящее время находится на стадии подъема. Новые аппаратурные и технологические разработки, максимально использующие преимущества электронного луча как источника нагрева, легко регулируемого в широких пределах и независимого от процесса плавления, в ближайшем будущем позволят решить ряд важных задач по экономии ресурсов и обеспечению отраслей современного машиностроения металлическими материалами особо высокого качества.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: