Способ управления кристаллизацией металла в переплавной установке

О П И С А Н И Е т 111554295ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 21.07.75 ( рисоединением заявки 3) Приорит Государственнын комитет Совета Министров СССР(088.8) бликовано 1 летен оо делам нзобретенн и открытийДата опубликования описания 23.05.7 72) Авторыизобретения ВВ. А. Б Николаев, Н.льянцев, М. Вопилин и ДТрудового Кй института Ленина изавод Элек Н. Готин, Л. Н, ршинов, В. С. ТаВ. В. Т ральный ордена исследовательски Бардина и Орден еталлургический К, Житков П, Мальчонков,Н. Барановрасного Знамечерной металлурдена Октябрьскои Рросталь им. И. Ф. 71) Заявите м. И. элект осяна АВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙПЕРЕПЛАВНОЙ УСТАНОВКЕ АЛЛ(54) СПОСО лирования условии в переплавных устаолучения качественИзобретение относится к электрометаллургии, преимущественно к получению слитков металлов и сплавов в переплавных установках, например в вакуумных дуговых печах.Качество металла, получаемого в пере- плавных 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 регукристаллизации металлановках, в которых для п ного металла полезную мошность установки стабилизируют на заданном уровне или 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 ликвационных явлений локального или зонального типов. Для их подавления и одновременно 10 для повышения производительности переплавных установок увеличивают интенсивность охлаждения металла путем подачи в зазор между слитком и кристаллпзатором 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 20 способах интенсивность охлаждения слиткасохраняется постоянной, то управление кристаллизацией металла осуществляется в них 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, чеминтенсивнее 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 макро- структуры, 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 интен 5 10 15 ю зо 35 40 45 50 55 60 65 сивности охлаждения слитка путем пропорционального изменения давления охлаждающего газа в зазоре между слитком и кристаллизатором,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 ваку- умно-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 усадочнойраковины,Для более точного регулирования скорости кристаллизации металла интенсивность ох. лаждения 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 охлажда 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 давления охлаждающего газа в зазоре и, соответ. ственно, 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 - 40% 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 подавлс 6ния испарения легкоиспаряемых примесей, асравнительно интенсивное охлаждение слитка способствует быстрой его кристаллизациии сохранению указанных примесей в металле,5 Регулируя откачку газа, можно изменять егодавление в зазоре и в камере печи,П р и м е р 1. Проводят переплав сплавовна никелевой основе (ЭПЗЗ, ЭП 202, ЭП 742,ЭП 199) в кристаллизаторах диаметром 320 и10 400 мм с подачей охлаждающего газа - гелияв зазор между слитком и кристаллизатором.Давление гелия изменяют по программе, приведенной на фиг. 2 (кривые 1 и 11), пропорционально глубине ванны жидкого металла.15 Скорость наплавления слитков на 30 - 40%больше, чем при серийной технологии вакуумно-дугового переплава (3,5 кг/мин против2,9 кг/мин для кристаллизаторов диаметром400 мм и 3,1 кг/мин против 2,1 кг/мин для20 кристаллизаторов диаметром 320 мм) при сохранении плотной, однородной макроструктуры по всему сечению слитков.При возникновении ионизации давлениегелия в зазоре уменьшают, поддерживая скорость кристаллизации металла постоянной,При вакуумном дуговом переплаве указанныхсплавов с применением известного способа ввыплавленных слитках наблюдаются дефекты - послойная кристаллизация и разноЗ 0 зернистость.П р и м е р 2. Проводят плавки сплава ЭПЗЗв кристаллизаторе диаметром 320 мм в проточной атмосфере охлаждающего газа придавлении 100 - 120 мм рт. ст. При этом на 35 блюдается интенсивное охлаждение и усадкаслитка, а охлаждающий газ свободно проходит между слитком и кристаллизатором. Поэтому теплопередачу между ними регулируют,изменяя состав охлаждающего газа. Плавку40 начинают при охлаждении слиткам аргоном,а затем добавляют гелий, увеличивая егоконцентрацию в смеси от 0,05 до 99,9/о позакону, близкому к кривой 111, приведеннойна фиг. 2, Было выплавлено два слитка при45 токе дуги 7,0 кА (против 3,6 кА по серийнойтехнологии), Качество металла соответствуеттребованиям ТУ,П р и м е р 3. В кристаллизаторе диаметром320 мм переплавляют сплав ЭП 199 с подачей50 охлаждающего газа - гелия в зазор междуслитком и кристаллизатором. Давление гелия изменяют в пределах от 10 - з до160 мм рт. ст. в соответствии с кривой 1 Ч,приведенной на фиг. 2. Чтобы предотвратить55 прохождение охлаждающего газа из зазорамежду слитком и кристаллизатором в камерупечи над зеркалом ванны жидкого металласоздают контролируемую атмосферу аргонапри давлении 75 - 110 мм рт. ст., которую од 50 новременно используют для подавления испарения легирующих элементов с высокой упругостью пара (магния). Всего было выплавлено четыре слитка, Выплавленный металлимеет большую технологическую пластич 05 ность, чем металл серийной выплавки, а егомеханические 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 пере- плавных установках обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества:повышение производительности переплавных установок на 25 - 40 О/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 изобретения1, 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 ющ и й с я тем, что, с целью улучшения кристаллической структуры и качества металла, повышения производительности установки и выхода годного, скорость кристаллизации металла регулируют в процессе плавки путемизменения давления охлаждающего газа взазоре между слитком и кристаллизатором в5 прямой зависимости от отношения полезнойтепловой мощности установки к интенсивности охлаждения слитка.2, Способ по п. 1, отличающийся тем,что давление охлаждающего газа в зазоре10 между слитком и кристаллизатором изменяютпропорционально глубине ванны жидкого металла и сохраняют постоянным при выведении усадочной раковины слитка,3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся15 тем, что, с целью более точного регулирования скорости кристаллизации металла, интенсивность охлаждения слитка изменяют путемподачи в зазор между слитком и кристаллизатором смеси газов с различной теплопроводностью, парциальное давление одного изкоторых изменяют от 0,01 до 99,95/о, а ихрасход регулируют путем изменения интенсивности откачки газов из камеры печи.4. Способ по пп. 1 - 3, о т л и ч а ю щ и й с я25 тем, что одновременно с изменением давле-,ния охлаждающего газа в зазоре междуслитком и кристаллизатором над ванной жидкого металла создают контролируемую атмосферу газа с меньшей, чем у охлаждающегогаза теплопроводностью, например аргонаили азота, давление которого поддерживаютв пределах 1 - 760 мм рт. ст,5. Способ по пп. 1 - 4, отличающийсятем, что, с целью переплава металлов и сплавов в кристаллизаторах различной, напримерплоской, формы, скорость кристаллизацииметалла регулируют в зависимости от интенсивности охлаждения различных участковслитка путем раздельной подачи в зазормежду слитком и кристаллизатором газов сразличной теплопроводностью, причем со стороны больших граней кристаллизатора подают газ с высокой теплопроводностью, а состороны его меньших граней - газ с меньшей45 теплопроводностью./г 0 /00 г 0 40 бР 80 Юо /га 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, Ж, Раушская наб., д. 4/5Типография, пр. Сапунова, 2 В впб60у 40Дг 0 Вею пт имениа 5 ыхс 0 д на реют, иии Фиг,