Спецэлектрометаллургия сталей и сплавов

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. А. Павлов, Е. Ю. Лозовая, А. А. Бабенко

СПЕЦЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки
22.03.02, 22.04.02 — Металлургия

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2018

УДК 669.187(075.8)
ББК 34.327.4я73
          П12

Рецензенты:
д‑р техн. наук, проф. Е. В. Протопопов, канд. техн. наук, доц. С. В. Фейлер (кафедра металлургии черных металлов ФГБОУ ВО «Сибирский государственный индустриальный университет»);
канд. техн. наук, ст. науч. сотр. О. В. Заякин (ФГБУН институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук)

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. А. В. Жданов

 
Павлов, В. А.
П12    Спецэлектрометаллургия сталей и сплавов : учебное пособие / В. А. Павлов, Е. Ю. Лозовая, А. А. Бабенко. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 
2018. — 168 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2395‑1

В пособии изложены теоретические и технологические основы специальных 
процессов электроплавки металлов и сплавов в вакуумно‑дуговых, электрошлаковых, электронно‑лучевых, плазменно‑дуговых, гарнисажных и индукционных 
печах.

Библиогр.: 25 назв. Табл. 19. Рис. 68.

УДК 669.187(075.8)
ББК 34.327.4я73

ISBN 978‑5‑7996‑2395‑1 
 © Уральский федеральный 
 
      университет, 2018

Оглавление

Введение ................................................................................................. 6

1. Теоретические основы спецметаллургии ............................................ 7

1.1. Испарение летучих примесей и основных 
        компонентов сплава при плавке в вакууме ............................... 7
1.2. Термодинамика испарения металлов ........................................ 7
1.3. Давление паров металлов над сплавами .................................. 11
1.4. Скорость испарения металлов в вакууме ................................. 13
1.5. Удаление растворенных газов (водорода и азота) в вакууме ... 16
1.6. Удаление неметаллических включений 
        при рафинирующих переплавах в вакууме .............................. 18
1.7. Всплывание включений и переход границы  
        металл — газовая фаза .............................................................. 19
1.8. Термическая диссоциация неметаллических включений ...... 21
1.9. Взаимодействие оксидов с углеродом,  
        растворенным в жидкой стали ................................................. 22
Вопросы для самоконтроля ............................................................ 23

2. Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) ................................................. 25

2.1. Принцип действия и устройство установок  
        вакуумно‑дугового переплава .................................................. 27
2.2. Особенности электрического дугового разряда в вакууме ...... 30
2.3. Характеристики установок ВДП .............................................. 32
2.4. Системы электропитания и вакуумирования  
        установок ВДП ......................................................................... 33
2.5. Технология процесса ВДП ....................................................... 34
2.6. Процесс кристаллизации металла  
        и формирование слитка ........................................................... 39
2.7. Качество и сортамент металла ВДП......................................... 42
Вопросы для самоконтроля ............................................................ 43

Оглавление

3. Гарнисажный переплав .................................................................... 45

3.1. Конструкция гарнисажной печи .............................................. 45
3.2. Технология выплавки титановых сплавов  
        в гарнисажной печи .................................................................. 48
3.3. Подготовка шихтовых материалов ........................................... 51
3.4. Приготовление прессованного блока электрода ..................... 55
3.5. Переплав титановых сплавов в гарнисажных печах ................ 55
Вопросы для самоконтроля ............................................................ 58

4. Электрошлаковый переплав (ЭШП) ............................................... 60

4.1. Флюсы для электрошлакового переплава ............................... 65
4.2. Основные физико‑химические процессы при ЭШП ............. 71

4.2.1. Окисление шлака и передача кислорода через 
           шлак к жидкому металлу ................................................ 72
4.2.2. Поведение некоторых легирующих элементов 
           стали в процессе ЭШП ................................................... 73
4.2.3. Удаление серы из металла при ЭШП ............................. 74
4.2.4. Влияние ЭШП на содержание газов .............................. 78
4.2.5. Поведение неметаллических включений при ЭШП ..... 80

4.3. Технология электрошлакового переплава ............................... 82
4.4. Технология производства стали методом ЭШП ..................... 93
4.5. Технология производства ферротитана методом ЭШП ......... 98

4.5.1. Шихтовые материалы ..................................................... 98
4.5.2. Производство ферротитана ...........................................100
4.5.3. Достоинства и недостатки электрошлакового 
           способа производства ферротитана ..............................103
Вопросы для самоконтроля ...........................................................104

5. Электронно-лучевой переплав (ЭЛП) ............................................105

5.1. Нагрев и плавление металла электронным лучом ..................107
5.2. Устройство электронных плавильных установок...................109

5.2.1. Установки ЭЛП с кольцевым катодом..........................109
5.2.2. Установки ЭЛП с радиальными пушками ....................111
5.2.3. Установка ЭЛП с аксиальными пушками ....................112

5.2.4. Установки ЭЛП с плосколучевыми пушками .....................114
5.3. Конструкции установок ЭЛП .................................................115
5.4. Технологические особенности ЭЛП .......................................117
5.5. Металлургические особенности ЭЛП ....................................121
5.6. Сортамент металлов, сталей и сплавов,  
        подвергаемых ЭЛП ..................................................................122
Вопросы для самоконтроля ...........................................................123

Оглавление

6. Плазменно-дуговой переплав (ПДП) ..............................................124
Вопросы для самоконтроля ...........................................................131

7. Индукционный переплав ..................................................................132

7.1. Конструкции индукционных печей ........................................133
7.2. Устройство и принцип действия канальной 
        индукционной печи ................................................................134
7.3. Устройство тигельной печи .....................................................137
7.4. Технология выплавки стали и сплавов  
        в индукционной печи ..............................................................144

7.4.1. Выбор футеровки ...........................................................144
7.4.2. Загрузка шихты ..............................................................145
7.4.3. Расплавление шихты .....................................................147
7.4.4. Ошлакование расплава ..................................................148
7.4.5. Процесс окисления ........................................................150
7.4.6. Процессы раскисления и рафинирования ...................152
7.4.7. Разливка стали ...............................................................155
7.4.8. Технико‑экономические показатели работы  
            тигельной печи ..............................................................156
Вопросы для самоконтроля ...........................................................157

8. Сравнение переплавных процессов ..................................................159

Заключение ..........................................................................................163

Список библиографических ссылок .....................................................164

Введение

С

овременная техника и особенно такие ее области, как ракетои самолетостроение, предъявляют исключительно высокие требования к свойствам и качеству выплавляемых металлов и сплавов.
Всем этим требованиям удовлетворяют металлы и сплавы, выплавляемые в современных специальных плавильных агрегатах, к которым 
относятся все печи переплавных процессов: индукционные печи, вакуумно‑дуговые (ВДП), электрошлаковые (ЭШП), электронно‑лучевые (ЭЛП), плазменно‑дуговые (ПДП) и гарнисажные (ГРЭ).
Разнообразие факторов (высокотемпературный перегрев, капельный перенос, направленная кристаллизация) и рафинирующих сред 
(шлаки, флюсы), вакуум, инертная среда обеспечивают глубокое, полное рафинирование металла от большинства примесей (газы, цветные 
металлы, вредные примеси типа серы, неметаллические включения) 
и высокое качество получаемого металла.
Вместе с тем переплавы обеспечивают условия, близкие к зональной перекристаллизации и получению новой структуры, подавляют 
ликвационные процессы и способствуют получению однородного состава металла, близкого к исходному в начале и конце переплава, независимо от коэффициента распределения легирующих элементов.

1. Теоретические основы спецметаллургии

1.1. Испарение летучих примесей и основных компонентов 
сплава при плавке в вакууме

Б

ольшое количество примесей элементов, растворенных в жидкой стали, обладают меньшим химическим сродством к кислороду, чем железо. Поэтому их окисление и удаление в условиях 
окислительного сталеплавильного процесса невозможно. Оставшиеся 
в стали вредные примеси после завершения процесса рафинирования 
в агрегате ухудшают ее свойства. Вместе с тем многие из этих примесей при температурах сталеплавильных процессов обладают высоким 
давлением насыщенного пара и поэтому весьма склонны к испарению. 
Чем ниже давление газовой фазы над жидким сплавом, тем более благоприятны условия для удаления летучих примесей из расплава за счет 
их испарения. Поэтому, именно вакуум является той рафинирующей 
средой, в которой удается снизить содержание примесей цветных металлов в сталях и сплавах. Далее рассмотрим основные закономерности процессов испарения металлов при высоких температурах.

1.2. Термодинамика испарения металлов

Чистый металл (твердый или жидкий), находящийся в равновесии 
со своим паром, представляет собой однокомпонентную систему, фазовая диаграмма которой в координатах давление (Р) — температура (Т) 
представлена на рис. 1.1 [1]. Равновесие газовой и конденсированных 
фаз соответствует кривой АОВ, состоящей из двух ветвей:
· АО — кривая сублимации;
· ОВ — кривая испарения.

1. Теоретические основы спецметаллургии

В зависимости от температуры в системе устанавливается 
одно из двух возможных равновесий «твердое — пар» или «жидкость — пар».
Эти равновесия динамические, 
т. е. в единицу времени число молекул, покидающих поверхностный слой жидкой или твердой фаз, 
равно числу молекул, переходящих в конденсированное состояние. В соответствии с правилом 
фаз, при заданной температуре давление пара в системе, где 
присутствуют конденсированная 
и паровая фазы, будет постоянным. Это постоянное давление пара называется давлением (или упругостью) насыщенного пара.
Для случая плавки металла в вакууме особое значение имеет кривая 
ОВ (кривая испарения) и область диаграммы над и под этой линией.
Если обозначить давление насыщенного пара данного металла через Рн, то в зависимости от фактического давления паров данного металла над жидкостью, в системе возможны следующие процессы:
· точка 1 Р = Рн — равновесие;
· точка 2 Р < Рн — испарение;
· точка 3 Р > Рн — конденсация металла из газовой фазы.
Зависимость давления насыщенного пара над жидким металлом от температуры можно получить из уравнения Клаузиуса‑Клапейрона [2]:

 
dP
dV
VT
=
l
D
, 
(1.1)

где l — теплота испарения, Дж/кг; DV — разность молярных объемов 
пара и конденсированной фазы.
Поскольку температура Т значительно ниже критической, объемом жидкой фазы можно пренебречь по сравнению с объемом пара, 
т. е. принять, что

 
DV
V
»
пар. 
(1.2)

Рис. 1.1. Фазовая диаграмма 
однокомпонентной системы

1.2. Термодинамика испарения металлов

Кроме того, при не слишком высоком давлении пара можно считать, что пар подчиняется основному закону идеального газа,

 
PV
RT
пар =
, 
(1.3)

где R — газовая постоянная, Дж/кг · К.
Тогда уравнение Клаузиуса‑Клапейрона можно преобразовать следующим образом [1, 2]:

 

1

2

2

2

2

P

dP
dt
RT
d
P
dT
RT

d
P
R
dT
T

P
R

dT
T
i

=

=

=
ґ

=
ґ
+

м

н

п
п
п
п

т

l

l

l

l

;

ln
;

ln
;

ln
,
о

п
п
п
п

 
(1.4)

где i — химическая постоянная.
Для интегрирования этого уравнения необходимо учесть, что величина λ зависит от температуры:

 
d
dT
C
C
C
p
p
p

l =
=
D
(
)
(
)
пар
жид, 
(1.5)

где Ср — удельная теплоемкость пара и жидкости, Дж/кг·К.
С учетом известной зависимости теплоемкости от температуры получаем:

 

С
a
aT
a T

C
a
aT
a T

a T
a T
a T

р

p

= ў +
+

=
+
+

=
+
+
+

1
1
2

2

0
1
2
2

2
0
1
2
2
3

2
3

;

;
D
D
D
D

D
D
D
l
l
,

м

н

пп

о

п
п

 
(1.6)

где а0, а1, а2 — коэффициенты, зависящие от природы вещества.
Тогда давление насыщенного пара над жидким металлом будет изменяться с температурой в соответствии с выражением, называемым — 
полной формулой зависимости упругости пара от температуры.

 
ln
ln
.
P
RT
a
R
T
a
R T
a
R T
i
= +
+
+
+
l0
0
1
2
2

2
6
D
D
D
 
 (1.7)

1. Теоретические основы спецметаллургии

Для практических расчетов пользуются приближенными формулами. Так, принимая значения λ постоянным и не зависящим от температуры, получим:

 
lnP
RT
С
= +
ў
l
 
(1.8)

или в общем виде:

 
ln
,
P
A
T
C
=
ў +
ў  
(1.9)

где 

 
ў = A
R
l . 
 (1.10)

Обычно подбирают коэффициенты А′ и С′ таким образом, чтобы 
расчетные значения давления насыщенного пара в определенном интервале температур мало отклонялись от экспериментальных данных.
Для практических расчетов давления насыщенного пара металлов 
можно пользоваться формулой [1]:

 
lg
,
P
A
T
C
=
+
 
(1.11)

значения коэффициентов А и С приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1
Температурная зависимость давления паров некоторых металлов

Металл
Температура, К
Коэффициенты
Плавления
Кипения
А
С
Al
932
2773
–13343
10,733
Cr
2130
2773
–16757
11,081
Cu
1356
2843
–15919
10,558
Fe
1812
3343
–18504
11,150
Pb
600
1893
–9197
9,564
Mn
1516
2368
–12060
9,981
Sn
505
2540
–16641
11,548
Zn
693
1181
–5998
10,087

На рис. 1.2 показано изменение давления насыщенного пара  
для некоторых металлов с температурой.