Способ управления кристаллизацией металла в переплавной установке

 

О Il И С А Н И Е п1) 554295

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено 21.07.75 (21) 2158405/02 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 15.04.77, Бюллетень № 14

Дата опубликования описания 23.05.77 (51) М. Кл. - С 21С 5/56

Государственный комитет

Совета Министров СССР оо делам изобретений и открытий (53) УДК 669.187.25 (088.8) (72) Авторы изобретения В. Н. Готин, Л. Н. Николаев, Н. К. Житков, П.

В. А. Бояршинов, В. С. Тальянцев, М. В. Мальчонков, В. В. Топилин и Д, Н. Баранов (71) Заявители Центральный ордена Трудового Красного Знаме исследовательский институт черной металлу им. И. П. Бардина и Ордена Ленина и ордена Октябрьскои Революции электрометаллургический завод «Электросталь» им. И. Ф. Тевосяна (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛ ИЗАЦИ ЕЙ МЕТАЛЛА

В ПЕРЕПЛАВНОЙ УСТАНОВКЕ

Изобретение относится к электрометаллургии, преимущественно к получению слитков металлов и сплавов в переплавных установках, например в вакуумных дуговых печах.

Качество металла, получаемого в переплавных установках, определяется условиями кристаллизации — температурным градиентом на фронте кристаллизации, протяженностью и формой двухфазной зоны, временем нахождения металла в жидко-твердом состоянии, т. е. параметрами, зависящими от соотношения тепловых потоков, подводимых к слитку и отводимых от него.

Количество тепла, которое можно отвести от слитка в переплавном процессе, ограничивается термическим сопротивлением затвердевших слоев металла и зазора, образовавшегося между стенкой кристаллизатора и слитком при температурной усадке последнего.

Термическое сопротивление зазора в стационарных условиях плавки сохраняется примерно постоянным, поэтому условия кристаллизации металла в переплавных установках регулируют путем изменения мощности, подводимой к слитку.

Известны способы регулирования условий кристаллизации металла в переплавных установках, в которых для получения качественного металла полезную мощность установки стабилизируют на заданном уровне илн изменяют по специальной программе. Однако увеличение скорости наплавления слитка сверх

5 некоторой предельной, постоянной для данного сплава и данных размеров кристаллизатора, приводит к развитию в слитках лнквационных явлений локального или зонального типов. Для их подавления и одновременно

1П для повышения производительности переплавных установок увеличивают интенсивность охлаждения металла путем подачи в зазор между слитком и кристзллпзатором газа с высокой теплопроводностыо.

15 Известны способы, в которых интенсификация охлаждения слитков достигается путем подачи в зазор инертного газа — гелия при постоянном давлении, выбираемом в пределах 10 — 80 мм рт. ст. Так как в указанных способах интенсивность охлаждения слитка сохраняется постоянной, то управление кристаллизацией металла осуществляется в ннх за счет изменения тепловой мощности установки, причем из-за повышенной интенсивности охлаждения металла текущие технологические нарушения процесса переплава могут привести к формированию в слитках структурных дефектов в тем большей степени, чем

554295 интенсивнее охлаждается металл. Например, самопроизвольные колебания тепловой мощности дуговой вакуумной печи, вызываемые аномальными дуговыми разрядами — боковыми дугами, «ионизацией» и др., которые при обычном режиме переплава могут не оказывать заметного влияния на кристаллизацию металла, при подаче гелия в зазор между слитком и кристаллизатором обусловливают формирование дефектов типа «послойная кристаллизация» и «светлый контур», что ограничивает практическое применение этого метода вакуумно-дугового переплава.

В известных способах интенсификации охлаждения слитка путем подачи гелия в зазор не учитывается нестационарный характер кристаллизации металла. Например, на начальном этапе плавки, когда охлаждаемая поверхность слитка относительно объема жидкого металла сравнительно велика, подача гелия в зазор приводит к формированию грубой столбчатой кристаллической макроструктуры, характеризующейся значительным скоплением неметаллических включений по границам кристаллитов, в то время как в верхней части слитка формируется более однородная структура. Возникающая в этом случае разнозернистость вызывает образование дефекта типа «слоисто-шиферный излом», снижение механических и служебных свойств металла.

Максимальное давление гелия в зазоре между слитком и кристаллизатором, достигаемое в известных способах, не превышает 50—

80 мм рт. ст., так как при большем давлении гелий проходит через ванну жидкого металла в камеру печи, что ограничивает возможности интенсификации охлаждения слитка. Для повышения давления охлаждающего газа в зазоре между слитком и кристаллизатором над зеркалом ванны жидкого металла создают контролируемую атмосферу того же охлаждающего газа. Однако в этом случае одновременно с увеличением интенсивности охлаждения слитка вследствие возрастания тепловых потерь на стенку кристаллизатора и камеру установки ее полезная тепловая мощность и коэффициент полезного действия резко уменьшаются, а производительность в целом возрастает незначительно.

Целью изобретения является улучшение кристаллической структуры и качества металла при одновременном увеличении производительности переплавных установок и выхода годного. Это достигается тем, что термическое сопротивление зазора между слитком и кристаллизатором регулируют в зависимости от условий затвердевания металла.

Таким образом, интенсивность охлаждения слитка используют как независимый параметр для управления переплавным процессом.

Для этого коэффициент теплоотдачи от слитка к кристаллизатору изменяют пропорционально текущему значению отношения полезной тепловой мощности установки к интен5

25 зо

65 сивности охлаждения слитка путем пропорционального изменения давления охлаждающего газа в зазоре между слитком и кристалл из а тор о м.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, обеспечивающего автоматическое изменение давления охлаждающего газа в зазоре между слитком и кристаллизатором в зависимости от случайных колебаний полезной тепловой мощности дуговой вакуумной печи; на фиг. 2 — графики, иллюстрирующие предлагаемый способ.

Устройство содержит датчик 1 аномальных разрядов, подсоединенный к полюсам печи, усилитель мощности 2 и регулирующий клапан 3. Охлаждающий газ подается из баллонов 4 в зазор 5 между слитком 6 и кристаллизатором 7. При возникновении аномальных разрядов регулирующий клапан уменьшает подачу охлаждающего газа в зазор между слитком и кристаллизатором. Таким образом, любые случайные нарушения процесса вакуумно-дугового переплава автоматически компенсируются изменением интенсивности охлаждения слитка, что позволяет поддерживать оптимальные условия кристаллизации металла в течение всей плавки.

Для компенсации изменения условий кристаллизации металла на нестационарном участке плавки интенсивность охлаждения слитка изменяют по ходу плавки пропорционально глубине ванны жидкого металла, характеризующей отношение тепловой полезности мощности установки к интенсивности охлаждения слитка, на всех этапах плавки за исключением периода выведения усадочной раковины.

Для более точного регулирования скорости кристаллизации металла интенсивность охлаждения слитка изменяют не только путем регулирования давления охлаждающего газа в зазоре, но и путем изменения его теплопроводности. Для этого в зазор между слитком и кристаллизатором вводят смесь газов с различной теплопроводностью, парциальнос давление одного из которых изменяют от 0,01 до

99,95 /

Допустимое давление газа в зазоре и интенсивность охлаждения слитка увеличивают не за счет создания над зеркалом ванны контролируемой атмосферы охла>кда ощего газа, а путем применения для этой цели газов с существенно меньшей теплопрово пастью.

Охлаждающий газ используют только для непосредственного охлаждения боковой поверхности слитка, а газ с меньшей теплопроводностью, например аргон, применяют для создания контролируемой атмосферы над зеркалом ванны жидкого металла. Принципиальное отличие предложенного способа состоит в том, что при сравнительно незначительном изменении тепловых характеристик установки за счет создания контролируемой атмосферы газа с низкой теплопроводностью достигается значительное увеличение давле554295 ния охлаждающего газа в зазоре и, соответственно, повышение интенсивности охлаждения слитка.

При вакуумном дуговом переплаве металлов и сплавов, когда контролируемую атмосферу нельзя использовать по технологическим соображениям, повышение интенсивности охлаждения слитка и увеличение производительности установки достигаются тем, что одновременно с введением охлаждающего газа в зазор между слитком и кристаллизатором изменяют полярность дуги, т, е. электрический потенциал слитка и кристаллизатора поддерживают все время отрицательным относительно расходуемого электрода. В этом случае достигается более плотный контакт между слитком и кристаллизатором, что позволяет увеличить давление охлаждающего газа в зазоре до 100 — 110 мм рт. ст., то есть на 35 — 40О/О больше, чем это достигается в известных способах.

Принципиально новый технологический эффект, заключающийся в значительном увеличении скорости кристаллизации и наплавления слитка, получают при переплаве металлов и сплавов в кристаллизаторах плоской формы с подачей охлаждающего газа только со стороны больших граней кристаллизатора.

В этом случае наряду с повышением производительности переплавных установок повышается дисперсность кристаллической структуры и качество металла.

Так, при вакуумном дуговом переплаве в кристаллизаторах плоской формы без подачи охлаждающего газа интенсивность охлаждения слитка ограничивается термическим сопротивлением зазора, образующегося между поверхностями больших граней слитка и кристаллизатора при термической деформации последних, а при вакуумно-дуговом переплаве в кристаллизаторах обычной круглой формы тепловой поток ограничивается термическим сопротивлением затвердевших слоев металла. Преимущественная подача охлаждающего газа со стороны больших граней кристаллизатора позволяет скомпенсировать неодинаковые условия кристаллизации металла вблизи узких и широких граней слитка и получить однородную кристаллическую структуру по всему сечению слитка.

При увеличении давления охлаждающего газа в зазоре между слитком и кристаллизатором возможно его прохождение в камеру" печи через ванну жидкого металла. В этом случае, регулируя скорость подачи газа в зазор и скорость его откачки, можно обеспечить интенсивное охлаждение слитка в проточной атмосфере охлаждающего газа, что позволяет использовать вместо гелия более дешевый газ с меньшей теплопроводностью, например аргон или азот. При этом сравнительно высокое давление инертного или другого газа в камере печи обеспечивает создание условий, необходимых, в ряде случаев, для получения качественного металла, например для подавлс6 ния испарения легкоиспаряемых примесей, а сравнительно интенсивное охлаждение слитка способствует быстрой его кристаллизации и сохранению указанных примесей в металле.

5 Регулируя откачку газа, можно изменять его давление в зазоре и в камере печи.

Пример 1. Проводят переплав сплавов на никелевой основе (ЭПЗЗ, ЭП202, ЭП742, ЭП199) в кристаллизаторах диаметром 320 и

10 400 мм с подачей охлаждающего газа — гелия в зазор между слитком и кристаллизатором.

Давление гелия изменяют по программе, приведенной на фиг. 2 (кр|вые 1 и II), пропорционально глубине ванны жидкого металла.

15 Скорость наплавления слитков на 30 — 40 /о больше, чем при серийной технологии вакуумно-дугового переплава (3,5 кг/мин против

2,9 кг/мин для кристаллизаторов диаметром

400 мм и 3,1 кг/мин против 2,1 кг/мин для кристаллизаторов диаметром 320 мм) при сохранении плотной, однородной макроструктуры по всему сечению слитков.

При возникновении «ионизации» давление гелия в зазоре уменьшают, поддерживая скорость кристаллизации металла постоянной, При вакуумном дуговом переплаве указанных сплавов с применением известного способа в выплавленных слитках наблюдаются дефекты — «послойная кристаллизация» и «разнозернистость».

Пример 2. Проводят плавки сплава ЭПЗЗ в кристаллизаторе диаметром 320 мм в проточной атмосфере охлаждающего газа при давлении 100 — 120 мм рт. ст. При этом на35 блюдается интенсивное охлаждение и усадка слитка, а охлаждающий газ свободно проходит между слитком и кристаллизатором. Поэтому теплопередачу между ними регулируют, изменяя состав охлаждающего газа. Плавку

40 начинают при охлаждении слиткам аргоном, а затем добавляют гелий, увеличивая его концентрацию в смеси от 0,05 до 99,9 /о по закону, близкому к кривой III, приведенной на фиг. 2. Было выплавлено два слитка при

45 токе дуги 7,0 кА (против 3,6 кА по серийной технологии). Качество металла соответствует требованиям ТУ.

Пример 3. В кристаллизаторе диаметром

320 мм переплавляют сплав ЭП199 с подачей

50 охлаждающего газа — гелия в зазор между слитком и крист аллизатором. Давление гелия изменяют в пределах от 10 — з до

160 мм рт. ст. в соответствии с кривой IV„ приведенной на фиг. 2. Чтобы предотвратить

55 прохождение охлаждающего газа из зазора между слитком и кристаллизатором в камеру печи над зеркалом ванны жидкого металла создают контролируемую атмосферу аргона при давлении 75 — 110 мм рт. ст., которую одновременно используют для подавления испарения легирующих элементов с высокой упругостью пара (магния). Всего было выплавлено четыре слитка. Выплавленный металл имеет большую технологическую пластичь5 ность, чем металл серийной выплавки, а его

554295 механические свойства соответствуют требованиям ТУ.

Кроме того, в заводских условиях были проведены плавки одной из марок нержавеющей стали с подачей в зазор между слитком и кристаллизатором аргона, давление которого регулируют, изменяя интенсивность его откачки из камеры печи. При этом над зеркалом ванны жидкого металла давление аргона поддерживают на уровне 60 — 80 мм рт. ст.

Было выплавлено 20 слитков. Свойства вакуумного металла находятся на уровне требований ТУ. Свариваемость выплавленной стали по данным потребителя значительно выше требований ТУ, что позволяет улучшить качество изделий из этой стали.

Использование описываемого способа управления кристаллизацией металла в переплавных установках обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества: повышение производительности переплавных установок на 25 — 400/О,. ликвидацию структурных макродефектов (послойная кристаллизация, светлый контур и др.) в наплавляемых слитках; повышение дисперсности и однородности кристаллической структуры по высоте и сечению слитков и, как следствие, повышение качества металла и выхода годного; повышение надежности технологии, что особенно важно при производстве жаропрочных сложнолегированных сплавов ответственного назначения.

Формула изобретения

1. Способ управления кристаллизацией металла в переплавной установке, например в вакуумной дуговой печи, с использованием охлаждающих газов, вводимых в зазор между слитком и кристаллизатором, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью улучшения кристаллической структуры и качества металла, повышения производительности установки и выхода годного, скорость кристаллизации металла регулируют в процессе плавки путем изменения давления охлаждающего газа в зазоре между слитком и кристаллизатором в

5 прямой зависимости от отношения полезной тепловой мощности установки к интенсивности охлаждения слитка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что давление охлаждающего газа в зазоре

1р между слитком и кристаллизатором изменяют пропорционально глубине ванны жидкого металла и сохраняют постоянным при выведении усадочной раковины слитка.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся

15 тем, что, с целью более точного регулирования скорости кристаллизации металла, интенсивность охлаждения слитка изменяют путем подачи в зазор между слитком и кристаллизатором смеси газов с различной теплопроводностью, парциальное давление одного из которых изменяют от 0,01 до 99,950/О, а их расход регулируют путем изменения интенсивности откачки газов из камеры печи.

4. Способ по пп. 1 — 3, отличающийся

25 тем, что одновременно с изменением давле-, ния охлаждающего газа в зазоре между слитком и кристаллизатором над ванной жидкого металла создают контролируемую атмосферу газа с меньшей, чем у охлаждающего газа теплопроводностью, например аргона или азота, давление которого поддерживают в пределах 1 — 760 мм рт. ст.

5. Способ по пп. 1 — 4, отличающийся тем, что, с целью переплава металлов и сплавов в кристаллизаторах различной, например плоской, формы, скорость кристаллизации металла регулируют в зависимости от интенсивности охлаждения различных участков слитка путем раздельной подачи в зазор между слитком и кристаллизатором газов с различной теплопроводностью, причем со стороны больших граней кристаллизатора подают газ с высокой теплопроводностью, а со стороны его меньших граней — газ с меньшей

45 теплопроводностью.

554295

4 иг. 1

1б0

140

Е 1Z0

„- 100

Z0 40 б0 80

100 1Р0

Сосгавитель Л. Веревкин .

Техред И. Карандашова

Корректор А. Степанова

Редактор Н. Корченко

Заказ 1107/3 Изд. № 420 Тираж 690 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва. 7К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Ц во с3

Go и 40

Д г0

В емя от иОиеяиа 6ыходи на,дежии, иии

Pun. 3 о

100

В0 бо: ф

40 чз