Выплавка слитков вольфрама и его сплавов

Основные параметры и условия выплавки слитков чистого вольфрама методом вакуумной электродуговой плавки были впервые сформулированы в рассмотренной выше работе [76]. Слитки чистого вольфрама рекомендуется выплавлять в вакууме на переменном токе, так как в этом случае плавка идет на более высоких плотностях тока, что позволяет вести ее при больших скоростях, чем плавку на постоянном токе (см. рис. 54).

Для получения хорошего качества слитков диаметром 75 мм рекомендуются следующие условия и режимы плавки:

сила тока дуги 2900—3500 А, длина дуги 12—18 мм, соотношение диаметров слитка и расходуемого электрода 1:6. Скорость плавки 13—15 г/с.

Впервые режимы выплавки электродуговым методом крупных промышленных слитков вольфрама в производственных условиях были опубликованы в работе [87]. В этой работе рекомендуется электродуговую вакуумную плавку слитков чистого вольфрама проводить на переменном токе и в зависимости от их диаметра по следующим режимам:

Диаметр слитка, мм . .	95—115	140—160	250—300
Напряжение, В . . . .	38—42	30—50	60—70
Сила тока, кА ….	4,5—6	12—13	13—17
Скорость плавки, кг/мин	2—2,5	2—3	3

В противоположность этому в более поздней работе [85], посвященной вакуумной электродуговой плавке промышленных слитков вольфрама и сплава ВВ2 (W+ +0,1 % Мо-|-0,03% Nb-|-0,008% С), рекомендуется проводить плавку, на постоянном токе прямой полярности. Исходя из этого принципа, разработали соответствующие режимы и условия плавки и создали промышленное плавильное оборудование.

Выбор указанного метода плавки обосновывается тем, что при вакуумной дуговой плавке на переменном токе тепло, выделяющееся в дуговом промежутке, распределяется между электродом и ванной приблизительно поровну, в противоположность этому, при использовании постоянного тока прямой полярности это соотношение составляет 0,1:0,9 соответственно.

Поэтому скорость плавки вольфрама и сплава ВВ2 на постоянном токе в 3 раза ниже, чем на переменном, а следовательно, лучше условия рафинирования, особенно при литье в короткий (проходной) кристаллизатор.

Увеличение количества тепла, идущего в ванну, при выплавке крупных слитков приводит к получению лучшего бокового проплава слитков и к общему улучшению качества их поверхности. Кроме этого, при плавке на постоянном токе имеется возможность полного выведения усадочной раковины. Повышение качества поверхности слитков (устранение неслитин и других дефектов) и выведение усадочных раковин при плавке на постоянном токе способствуют значительному увеличению выхода годного (приблизительно на 40%) по сравнению с плавкой на переменном токе.

В рассматриваемой работе [85] указано, что вакуумной электродуговой плавкой получали слитки вольфрама и сплав ВВ2 диаметром 80—90, 130 и 150 мм. В качестве расходуемых электродов для выплавки слитков диаметром 80—90 мм использовали электроды, собранные из крупных штабиков сечением 25X25 мм; для получения слитков диаметром 130 и 150 мм расходуемыми электродами служили слитки диаметром 72 мм и длиной 1600 мм, выплавленные в элетроннолучевых печах с использованием гранул спеченного вольфрама и отходов. При выплавке слитков диаметром 80—90 мм применяли следующие режимы плавки: сила тока дуги 5—6 кА, напряжение дуги 40—44 В и скорость плавки 2—1,4 кг/мин; для получения слитков диаметром 130 и 150 мм — сила тока дуги 9—11 кА, напряжение дуги 40—44 В и скорость плавки 2,5—3,5 кг/мин. Выплавку слитков вели в глухой кристаллизатор при остаточном давлении в вакуумной камере 13,3 мПа.

Результаты анализа полученных слитков показали, то содержание газовых примесей в них находится на уровне металла электроннолучевой плавки, что хорошо согласуется с данными, полученными канд. техн, наук И. А. Кононовым при исследовании содержания примесей в промышленных слитках вольфрама диаметром до 150 мм, выплавленных в электродуговых (ЭДП) и электроннолучевых (ЭЛП) печах [75]. Эти данные показаны ниже, где для сопоставления приведены соответствующие результаты анализа слитков молибдена, являющегося аналогом вольфрама, % (по массе), тысячные доли:

	20	0,7	10	5	6	2	0,8
слиток ВДП . .	9—11	0,6	9	4	4	0,4	1
слиток ЭЛП . . Молибден: исходный шта	4—14	0,1	3,6	0,1-	1	0,2	0,5
бик …..	4—25	—	20—30	1—50	1—10	0,4—8	1—10
слиток ВДП . .	0,4— 2,5	—	2—10	1—23	0,5— 25	0,2— 1,6	0,1— 2,8
слиток ЭЛП . .	0,3— 1.5	—	2—10	1—8	1—20	0,3— 0.4	0,5— 0,3

Практически одинаковый средний уровень содержания газовых примесей в слитках вольфрама ЭДП и ЭЛП, по-видимому, можно объяснить одинаковыми высокотемпературными условиями рафинирования. Близкие данные о содержании примесей в вольфраме ЭДП приводятся также в работе [97], где указывается содержание некоторых примесей, °/о (по массе), 10~⁴: О₂ 10—40, N₂10—30, Ti, Al, Cr, Mn, Fe, Ni, Mg, K, Ca 10 (каждого), Si==S30, Sns£50.

Рафинирование вольфрама при дуговой плавке включает ряд физико-химических процессов. Наряду с испарением металла-основы (вольфрама) испаряются металлические примеси и компоненты, имеющие более высокое (на порядок и более) давление насыщенного пара, чем вольфрам.

По данным работы [98], при температуре плавления вольфрама практически все металлические примеси, включая самые тугоплавкие металлы, должны испаряться со скоростью, в 5—20 раз, а то и более превышающей скорость испарения вольфрама. Значительный вклад в рафинирование вольфрама от углерода и кислорода вносит процесс испарения моноокислов в вакууме, имеющий место, когда давление пара окисла больше давления пара металла. Так, при вакуумной электродуговой плавке идет очистка от кислорода путем испарения WO, давление насыщенного пара которой на два порядка выше, чем вольфрама, при плавлении металла. Значительная часть кислорода удаляется в результате образования СО при взаимодействии указанных примесей. Реакция протекает особенно интенсивно при избытке кислорода. Азот и водород стабильных соединений с вольфрамом не образуют и при плавлении удаляются. Азот, как указывалось выше, удаляется в виде молекул N₂ со скоростью, примерно в 4 раза меньшей скорости удаления кислорода, а водород — в виде молекул Н₂, СН₄ и паров Н₂О. Для более полного их удаления требуются пониженные скорости плавки и интенсивный отвод газов из зоны дуги [7].

Для интенсификации процесса раскисления и полноты удаления кислорода из вольфрама при вакуумной дуговой плавке, как и при электроннолучевой выплавке слитков, принимают различные раскислители — углерод, бор, р. з. м. и иттрий.

Как было указано выше, хорошие и стабильные результаты при раскислении вольфрама дает карбид циркония [55]. В результате диссоциации карбида (ZrC-> ->Zr-J-C) образующиеся в атомарном состоянии цирконий и углерод являются весьма активными раскислителями. Интенсивное раскисление вольфрама идет также при добавке титана, циркония, гафния и тантала, применяемых в качестве легирующих элементов в вольфрамовых сплавах. Добавки р. з. м. (церий, лантан, неодим), кроме этого, способствуют связыванию серы, фосфора, свинца, висмута и других вредных примесей в тугоплавких металлах.

Наилучшие условия для дегазации и испарения металлических примесей при выплавке слитков вакуумной электродуговой плавкой создаются при литье в короткий кристаллизатор (с вытяжкой), так как уровень жидкого металла все время находится в верхней части кристаллизатора в непосредственном контакте с откачиваемым объемом. При плавке в глухой кристаллизатор в связи с заглублением жидкой ванны выход этих продуктов затруднен. Наиболее полному и быстрому удалению паров металлов и газообразных продуктов из зоны дуги при этой плавке способствует также уменьшение соотношения диаметра расходуемого электрода и диаметра слитка. Так, по данным работы [7], оптимальным соотношением следует считать 0,2—0,3.

Наилучшая очистка от газовых и металлических примесей и равномерность распределения легирующих элементов в слитках достигаются при двойном электро-дуговом переплаве (первичный выплавленный слиток служит электродом для вторичного электродугового переплава) или применении дуплекс-процесса (первая плавка электронным лучом для получения расходуемого электрода и вторичная электродуговая плавка для получения товарного слитка).

Слитки вольфрама и его сплавов, полученные электродуговой вакуумной плавкой, имеют ярко выраженную крупнокристаллическую структуру, состоящую из периферийной зоны крупных столбчатых кристаллов и центральной зоны равноосных зерен. Поверхностный слой слитков загрязнен примесями, имеет неслитины и пористость.

Для устранения указанных дефектов производится механическая обработка слитков или электроннолучевое оплавление их поверхности [78].

При литье в водоохлаждаемую медную изложницу вследствие большого температурного градиента по-сечению слитка и неравномерной усадки в слитках вольфрама вакуумной дуговой плавки возникают значительные внутренние напряжения, часто приводящие к образованию макро- и микротрещин. Образованию микротрещины способствует также распад твердого раствора внедрения на основе вольфрама; при этом выделяющиеся частицы карбидов вследствие большого различия в удельных объемах с матрицей вызывают большие локальные напряжения (локальный фазовый наклеп), приводящие к скоплению дислокаций, и могут приводить к местным разрушениям, особенно при температурах ниже температуры хрупкого перехода [99]. Замедленное охлаждение выше температуры хрупкого перехода или специальный нагрев слитка выше этой температуры способствуют снятию напряжений и устранению причин, приводящих к образованию трещин.

Поэтому для улучшения обрабатываемости слитков вольфрама и его сплавов и повышения их пластичности рекомендуется проводить отжиг — гомогенизацию слитков в интервале температур 1200—2000° С. Термически активируемые процессы релаксации напряжений снижают упрочнение вольфрама и опасность возникновения трещин, что улучшает последующую обрабатываемость металла [100].

Вследствие крупнозернистости структуры и связанного с этим резкого повышения удельной концентрации примесей внедрения на границах зерен слитки вольфрама и его сплавов электродуговой вакуумной плавки проявляют большую склонность к хрупкому межзеренному разрушению. Поэтому измельчение зерна в слитках является одной из актуальных проблем металлургии вольфрама.

Одним из эффективных способов измельчения зерна литого металла является добавка в расплав специальных тугоплавких частиц — модификаторов, которые служат зародышами при кристаллизации металла (см. с. 120 и [55]).

В настоящее время модифицирование слитков вольфрама является обязательной операцией и широко применяется в производственных условиях.