Производство плоских слитков методом гарниссажной электродуговой плавки

Гарниссажная плавка (плавка в настыле) является разновидностью вакуумной электродуговой плавки. В отличие от электродуговой плавки в водоохлаждаемый кристаллизатор, где процессы плавки металла и его затвердевания совмещены, при плавке в настыле производится накопление необходимых порций жидкого металла в тигле, а затем разливка этого металла в изложницу, в которой он затвердевает.

На рис. 48 показана схема гарниссажной электродуговой вакуумной печи. Жидкий металл накапливается в водоохлаждаемом тигле 6 за счет оплавления расходуемого электрода 5 при горении дуги, а кристаллизация металла осуществляется в форме 8. Образующийся на стенках тигля тонкий слой закристаллизовавшегося метала (гарниссаж) предохраняет металл от взаимодействия с материалом тигля.

Скорость плавки (количество жидкого металла, получаемого в единицу времени) зависит от силы тока, напряжения, полярности, диаметра электрода и других факторов. Для быстрого накопления металла в тигле и удержания его в расплавленном состоянии при требуемом перегреве плавку обычно ведут на постоянном токе прямой полярности при плотностях тока, в 2—3 раза превышающих плотность тока на электроде при дуговой плавке в кристаллизатор. Однако плотность тока и связанный с этим перегрев металла не должны приводить к расплавлению гарниссажа (настыли), образующегося у стенки охлаждаемого тигля и предохраняющего контакт жидкого металла со стенками тигля.

На практике эти вопросы решаются не только подбором оптимальных токовых режимов, но и применением соответствующих конструкций самих гарниссажных тиглей [102—104] (рис. 49).

В некоторых случаях применяются графитовые тигли, вставленные в металлическую водоохлаждаемую обойму (см. рис. 49). При попадании первых порций металла в охлаждающийся графитовый тигель на его стенках образуется тонкий слой закристаллизовавшегося металла (настыль), который предохраняет от взаимодействия жидкого металла с графитом. Однако, несмотря на относительную простоту конструкции и безопасность применения такого тигля, в случае разрушения при плавке настыли и самого тигля такой тигель не обеспечивает необходимого при плавке вакуумного режима и не исключает возможности загрязнения металла углеродом, что приводит к ухудшению качества металла.

К числу недостатков пористых графитовых тиглей следует также отнести выделение сорбированных газов в процессе плавки, что приводит к снижению вакуума в рабочем объеме печи, а значит, и к частичному растворению газов в жидком металле.

Наиболее перспективны металлические водоохлаждаемые тигли, в которых путем оптимального сочетания скорости охлаждения и скорости наплавки поддерживается постоянная толщина настыли 10—30 мм. Лучшие условия накопления металла обеспечиваются также в металлических тиглях с радиационным охлаждением. Однако вследствие большей теплопроводности металлического тигля по сравнению с графитовым гарниссажный слой на графитовом тигле будет меньшим, чем на водоохлаждаемом медном, и, следовательно, при равных порциях наплавляемого металла объем сливаемого металла с металлического тигля будет меньше (~на 30%), чем с графитового.

В настоящее время предложены методы расчета, позволяющие управлять размерами настыли с изменением режимов плавки, но на практике, как правило, эти режимы подбирают опытным путем для конкретной конструкции тигля. Если режимы плавки выбраны неправильно, возможны следующие неполадки в процессе плавки:

а) при недостаточной плотности тока на электроде толщина настыли будет увеличиваться с увеличением числа плавок, а рабочий объем жидкой ванны в тигле уменьшаться (тигель зарастает);

б) при большой плотности тока на электроде в результате сильного выделения тепла может произойти или разрушение настыли и загрязнение выплавляемого металла, или авария.

Сохранение постоянной толщины настыли имеет большое значение не только для обеспечения нормального хода процесса гарниссажной плавки, но и для контроля процесса наплавления металла, чтобы требуемый объем сливаемого жидкого металла можно было дозировать по массе расплавляемой части расходуемого электрода (без затрат на настыль).

Таким образом, оптимальными параметрами плавки следует считать те, при которых сохраняется постоянная толщина настыли и из тигля сливается весь наплавляемый металл.

Обычно при плавке в настыли во избежание ее донного разрушения в тигель перед плавкой загружают часть металла, которая также расплавляется и сливается из тигля. Гарниссажную плавку можно проводить с расходуемым электродом, когда металл в тигель наплавляется в основном с расходуемого электрода, и не-расходуемым вольфрамовым электродом, когда расплавляется металл, загруженный в тигель. Последнюю схему особенно удобно применять для переплавки отходов или для получения хорошо рафинированного металла при его длительной выдержке в тигле. Но так как у этого вида плавки есть некоторые существенные недостатки (загрязнение переплавляемого металла материалом нерасходуемого электрода, трудности регулирования толщины гарниссажа и др.), на практике наиболее широкое применение получила плавка с расходуемым электродом.

Несмотря на большие тепловые потери при плавке в металлических тиглях, они удобнее в эксплуатации и дают меньшее газовыделение при накоплении жидкого металла. Однако, как показано в работе [39, с. 353], применение пористых графитовых тиглей приводит к снижению вакуума в рабочем объеме печи вследствие выделения сорбированных газов, а также к частичному растворению газов в жидком металле. В связи с большим газовыделением необходима дегазация графитовых тиглей перед началом плавки.

Было опробовано [39] несколько методов дегазации графитовых тиглей: 1) коротким замыканием электрода и тигля с пропусканием через них электрического тока; 2) оплавлением 7io части электрода и последующим охлаждением тигля при работающих насосах; 3) применением при плавках комбинированного электрода.

Результаты исследований для различных условий дегазации представлены на рис. 50.

Приведенные данные показывают, что при плавке в водоохлаждаемом медном тигле сильного снижения вакуума не происходит (рис. 50, кривая /). Резкое снижение вакуума в печи после 4 мин плавки связано с разливкой металла в форму, сопровождающейся большим газовыделением.

При плавке в графитовом тигле наиболее устойчивый вакуумный режим достигается после дегазации тигля плавкой с применением комбинированного электрода (рис. 50, кривая 2).

Предложено несколько способов улучшить вакуумный режим плавки. Заслуживает внимания способ, используемый для уменьшения опасности поглощения газов при плавке в настыли с применением комбинированного электрода. Режим плавления такого электрода следующий: массивную его часть (дегазационная шайба, диаметр которой больше диаметра основного электрода, но небольшой толщины) сплавляют в режиме малорас-ходуемого электрода, прогревая массу тигля, а затем охлаждают и откачивают выделившиеся газы. После цикла дегазации приступают к сплавлению рабочей части, которая нужна для накопления в тигле металла. Авторы работы [39] подчеркивают, что в процессе дегазации температура нагрева тигля должна быть достаточно высокой, а длительность откачки продолжительной. Более высокая очистка от газовых примесей достигается, когда жидкая ванна при плавке находится ближе к верху тигля, т. е. в условиях большего разрежения.

Наряду с дегазацией металла при гарниссажной электродуговой вакуумной плавке происходит испарение некоторых летучих примесей и легирующих компонентов. В работе [39, с. 353] показано, что на испарение примесей и легирующих элементов существенное влияние оказывает степень заглубления жидкой ванны в тигле. Некоторые данные по этому вопросу на примере плавки молибденового сплава ВМ2 (Мо-[-0,2⁰/о Ti+0,15% Zr+ 0,015% С) приведены ниже: Эти данные показывают, что содержание легирующих элементов — циркония и титана, имеющих высокое давление насыщенных паров, резко снижается, если электрод при плавке не заглублен в тигле (плавка с открытой дугой). Поэтому во избежание потерь легирующих компонентов и основного металла наиболее целесообразно вести плавку с заглублением ванны. Кроме этого, по мнению авторов работы [39], плавка с заглублением жидкой ванны способствует лучшему накоплению металла в тигле, а также сохранению температуры металла для обеспечения необходимой его жидкотекучести.

При этом очистку металла от примеси внедрения рекомендуется проводить в процессе электроннолучевой плавки при получении расходуемого электрода. При накоплении в тигле необходимой массы металла и достижении требуемой температуры литья металл заливают в стационарную или вращающуюся форму (центробежное литье) для получения отливок требуемой формы.

Слив металла из тигля осуществляется путем проплавки специальной пробки (см. рис. 49, а) или через носок поворотного тигля (см. рис. 49, б), причем последний способ получил более широкое применение.

В качестве материала форм используют графит различных марок, медь и жаропрочные медные сплавы, молибден, вольфрам и их сплавы. Для получения фасонных отливок применяют также различные формовочные смеси на основе графита с присадками. Недостаток графитовых форм — активное взаимодействие при заливке тугоплавких металлов с углеродом и образование хрупких и твердых карбидов. При этом карбидная фаза образуется не только на поверхности отливок, струей металла она заносится внутрь литых деталей, снижая их механические свойства и создавая определенные трудности при механической обработке, особенно отливок из вольфрама, молибдена и их сплавов. Образующиеся при механической обработке таких отливок весьма твердые карбиды МоС и WC вызывают сильный износ инструмента при обработке деталей.

Для полного или частичного предотвращения взаимодействия жидкого металла с углеродом, особенно в первые моменты заливки — до образования поверхностной корочки, графитовые формы путем плазменного напыления покрывают различными материалами (окисью алюминия, окисью тория и др.).

Однако наиболее перспективны металлические формы, взаимодействие которых с жидким металлом практически исключено.

Как уже указывалось ранее, вследствие большой структурной чувствительности свойств тугоплавких металлов необходимо получение мелкозернистых слитков. В этом плане плавка в настыли с разливкой металла в изложницу обеспечивает получение литого зерна размером на несколько порядков меньше, чем при дуговой и особенно при электроннолучевой плавках (рис. 51).

В отличие от указанных методов плавки, где процесс наплавления металла совмещен с процессом его затвердевания в водоохлаждаемом кристаллизаторе и протекает при больших температурных градиентах и сильном перегреве, способствующих образованию крупных кристаллов, при плавке в настыли эти процессы разделены. Затвердевание слитка проходит в относительно равномерном тепловом поле (на металле отсутствует анодное пятно дуги) при пониженных температурах и перемешивании расплава, что способствует образованию перед фронтом растущих кристаллов слоя переохлажденного расплава, где возникают дополнительные центры кристаллизации.

Как известно, при малом перегреве и низкой температуре литья во время перемешивания жидкого металла при кристаллизации образуется равномерная мелкозернистая структура. Низкая температура литья, по мнению академика А. А. Бочвара [67J, способствует образованию еще в струе заливаемого металла кристаллических зародышей, которые, попадая в изложницу, выполняют роль готовых центров кристаллизации. Кроме этого, малый перегрев и низкая температура литья способствуют сохранению в расплаве примесных включений, которые при определенных условиях могут служить дополнительными центрами кристаллизации и активизировать «эпитаксиальную» кристаллизацию (кристаллизацию на готовых зародышах). Что касается перемешивания, то по мнению А. А. Бочвара, оно мешает отстаиванию и оседанию кристаллов, увеличивает их пребывание в расплаве и тем самым способствует приданию им равноосной формы.

Полученные гарниссажной плавкой отливки с равномерной мелкозернистой структурой характеризуются равномерными и более высокими механическими свойствами. Молибден, вольфрам и их сплавы, выплавленные методом гарниссажной плавки, имеют повышенную пластичность в литом состоянии по сравнению с аналогичным по составу сплавом, полученным дуговой плавкой с наплавлением [60]. Например, отливки, полученные из молибденового сплава МТ (Мо+ +0,5% Ti) методом обычной дуговой плавки, имеют относительное удлинение 6 = 14-2%; У отливок того же сплава, полученных гарниссажной плавкой, 6= =3-4-5%.

В настоящее время метод гарниссажной электродуговой плавки получил широкое применение как в России, так и за рубежом. Возможность накопления в тиглях большой массы расплавленного металла (до 300 кг и выше) обеспечивает получение различных высококачественных рациональных по форме первичных литых заготовок плоских слитков, трубных литых заготовок, колец и др.), а также фасонных отливок, по своей конфигурации максимально приближающихся к готовым изделиям, дорогостоящим и остродефицитным.

Большой интерес представляет литье во вращающуюся форму с целью получения плотных мелкозернистых полых цилиндрических трубных заготовок, колец и других изделий типа тел вращения. Подробно все эти вопросы описаны в работах [88, 103, 104].

В применении к тугоплавким металлам и их сплавам получение указанных заготовок позволяет резко повысить коэффициент использования металла и снизить стоимость изделий.