Нові електронно-променеві технології та обладнання для одержання високоякісних злитків легованих сталей та сплавів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

УДК 669.187.526

НОВІ ЕЛЕКТРОННО-ПРОМЕНЕВІ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ОДЕРЖАННЯ ВИСОКОЯКІСНИХ ЗЛИТКІВ ЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ ТА СПЛАВІВ

Спеціальність - 05.16.07

"Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Тригуб Микола Петрович

Київ - 2002

АНОТАЦІЯ

Тригуб М.П. Нові електронно-променеві технології й устаткування для одержання високоякісних злитків легованих сталей і сплавів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.16.07 “Металургія високочистих металів і спеціальних сплавів”. Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2002.

У дисертації наведено порівняння основних засобів ЕПП по ступені рафінування, продуктивності, чаду металу і витрат електроенергії. Досліджувано теплофізичні і фізико-хімічні процеси електронно-променевої плавки з проміжною ємністю (ЕППЄ). Дано математичний опис процесу рафінування, що враховує кінетичні особливості гетерогенних металургійних реакцій дегазації і випару.

Узагальнено експериментальний матеріал з теорії і практики ЕПП і кристалізації розплаву стосовно до конкретних сталей і сплавів. Виявлено взаємозв'язок фізико-хімічних процесів, що протікають при ЕППЄ, із якістю сталей і сплавів і рівнем їхніх службових характеристик.

Подано технологію й устаткування електронно-променевої плавки сталей і сплавів із застосуванням проміжної ємності. Наведено конструкції лабораторних і промислових установок із проміжною ємністю і дана оцінка економічної ефективності ЕППЄ.

Ключові слова: електронно-променевий переплав, проміжна ємність, математична модель, рафінування, розплав, кристалізація, злиток.

ABSTRACT

Trigub M.P. New Electron Beam Technologies and Equipment for the High-Quality Alloyed Steels and Alloys Ingots Production.

Thesis for the Doctor's degree on speciality 05.16.07 “Metallurgy of high-purity metals and special alloys” - The E.O. Paton Welding Institute of the NAS of Ukraine, Kyiv, 2002.

The thesis contain comparison of principal methods of EBR by refining degree, productivity, metal loses and electricity consumption. Heat transfer and physical chemistry aspects of electron beam melting with cold hearth (EBCH) were researched. Refining process mathematical simulation was involved taking in account kinetic peculiarities of heterogeneous metallurgical reactions of gases elimination and evaporation.

Experimental data of melting and melt crystallisation theory and practice was combined in application to the particular steels and alloys. The correlation between physical chemistry processes taking place in EBCH and steels and alloys quality and working properties level was found.

The technology and equipment for steels and alloys electron beam melting with cold hearth were performed. Construction of laboratory and industrial furnaces with cold hearth was given and economical efficiency of EBCH was estimated.

Key words: electron beam remelting, cold hearth, mathematical model, refining, melt, crystallisation, ingot.

АННОТАЦИЯ

Тригуб Н.П. Новые электронно-лучевые технологии и оборудование для получения высококачественных слитков легированных сталей и сплавов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.07 “Металлургия высокочистых металлов и специальных сплавов”. Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2002.

Работа посвящена решению задачи повышения в условиях промышленного производства эффективности электронно-лучевых технологий.

Выполнен анализ промышленного производства сталей и сплавов методом электронно-лучевой плавки. Предложены новые технологии ЭЛПЕ. Показано, что при ЭЛПЕ создаются более широкие возможности рафинирования жидкого металла, чем это имеет место при других методах вакуумной металлургии.

Установлено, что протекание процессов дегазации и рафинирования происходит преимущественно в промежуточной емкости. Увеличение реакционной площади промежуточной емкости повышает эффективность рафинирования.

Экспериментально исследованы процессы испарения легирующих элементов и примесей при ЭЛПЕ на базе которых можно получить заданную степень рафинирования при максимальных показателях производительности ЭЛУ, выходе годного металла и удельном расходе электроэнергии.

Исследованы теплофизические условия формирования слитков в условиях порционной кристаллизации и установлена зависимость между структурой слитка и технологическими параметрами процесса (величина порции, периодичность подачи порции расплава, мощности нагрева и скорости плавки).

Установлено, что при программно-управляемом электронно-лучевом нагреве жидкого металла в кристаллизаторе обеспечивается практически плоский фронт кристаллизации в течение всего периода формирования слитка, полностью устраняются дефекты ликвационного и усадочного характера.

Разработана технология получения плоских слитков-слябов методом электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью и порционной подачей жидкого металла в кристаллизатор, которая позволяет достичь скорости кристаллизации расплава металла до 1000 кг/ч. Данная технология позволяет эффективно управлять кристаллизацией за счет распределения энергии по нагреваемой поверхности и порционной подачи жидкого металла и получать плоские слитки-слябы любого сечения и массы с высокой плотностью и однородностью по химическому составу и механическим свойствам.

Изучено влияние ЭЛПЕ на чистоту и свойства сталей и сплавов. Показано, что по сравнению с другими методами электрометаллургии ЭЛПЕ обеспечивает наиболее высокую чистоту сталей и сплавов по содержанию газов, примесям цветных металлов и неметаллическим включениям. Это повышает технологическую пластичность металла и резко снижает чувствительность к концентраторам напряжения.

Исследованы тепловые нагрузки на элементы электронно-лучевых установок с промежуточной емкостью, созданных на базе аксиальных и плосколучевых пушек. Установлено, что распределение энергии между различными элементами конструкции ЭЛУ практически не зависит от типа применяемых пушек.

Применение метода электронно-лучевого оплавления для слитков из сплавов на основе никеля позволит практически исключить механическую обработку слитков перед последующим переделом, повысить выход годного металла, снизить трудоемкость в общем процессе изготовления изделий и улучшить экологию.

На основании полученных результатов разработана промышленная технология получения мелкокристаллических, бездефектных слитков из никелевых сплавов марок ЭП741, ЭП975, ЭИ968, In 718. Выплавка и испытание в производственных условиях слитков 630 мм из никелевых суперсплавов показало, что технологический процесс ЭЛПЕ с порционной подачей расплава в кристаллизатор обеспечивает производство промышленных слитков свободных от дефектов типа шнуровой и пятнистой ликвации, что является невозможным получить по обычной электронно-лучевой плавке.

На базе аксиальных и электронно-лучевых пушек с линейным катодом создана серия промышленных установок с промежуточной емкостью типа УЭ 121, УЭ 5810, УЭ 5812 и УЭ 182М, УЭ 185М, УЭ 205 соответственно.

В ИЭС им. Е.О.Патона созданы мощности по выпуску 5000 тонн в год высококачественных слитков диаметром от 100 до 840 мм и плоских размером 150500, 160940, 4201320 мм и длиной до 4000 мм.

Ключевые слова: электронно-лучевой переплав, промежуточная емкость, математическая модель, рафинирование, расплав, кристаллизация, слиток.

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАНУ Григоренко Георгій Михайлович Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділом.

доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАНУ Фірстов Сергій Олексійович Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, заступник директора.

доктор технічних наук, професор, Цивірко Едуард Іванович Запорізький Національний технічний університет, професор кафедри.

Провідна установа: Фізико-технологічний інститут металів та сплавів Національної академії наук України, м. Київ.

Захист відбудеться "10" липня 2002р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою 03680, Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ, 03680, Київ-150, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий "31" травня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук Киреєв Л.С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Підвищення якості конструкційних матеріалів є невід'ємною умовою прогресу усіх галузей техніки.

Розвиток атомної енергетики, авіації, ракето- і суднобудування, електроніки і машинобудування неможливий без якісного поліпшення конструкційних матеріалів. Потреба цих галузей промисловості в металах і сплавах, здатних працювати при високих і низьких температурах, у високому вакуумі й агресивних середовищах, тривалий час витримувати динамічні і статичні навантаження, може бути задоволена лише на основі удосконалювання технологічних процесів виробництва сталей і сплавів.

Серед сучасних засобів спеціальної електрометалургії найбільше ефективним методом є електронно-променева плавка (ЕПП). Вона знайшла застосування в промисловості для одержання металів із мінімальним вмістом газів, летучих домішок і неметалевих включень.

Традиційна схема переплавлення заготовки, що витрачається, в кристалізатор недостатньо повно використовує такі переваги електронного променя, як незалежність джерела нагрівання від процесу плавки заготовки, що витрачається, висока щільність енергії в пучку, можливість створення будь-яких конфігурацій зон нагрівання, прецизійність розподілу енергії по поверхні, що нагрівається. При переплавленні заготовки, що витрачається, в кристалізатор не забезпечується повною мірою видалення неметалевих включень і практично виключається активний вплив на рідкий метал, а продуктивність обмежується умовами кристалізації рідкого металу, що забезпечують одержання бездефектної структури злитка. Крім того, при ЕПП у кристалізатор утруднене використання сировини у вигляді гранул, порошку, стружки, а так само губчастих матеріалів і брухту.

У зв'язку з цим дуже актуальною і перспективною проблемою є розробка технології, що дозволяє усунути зазначені недоліки ЕПП у кристалізатор.

Застосування проміжної ємності створює не тільки сприятливі умови для рафінування розплаву металу від неметалевих включень, газів, усереднення хімічного складу, а так само дозволяє обробляти метал різноманітними реагентами. Наявність проміжної ємності виключає взаємозв'язок між плавленням і кристалізацією розплаву металу, що дозволяє розділити ці два процеси у просторі, а отже і роздільно ними управляти.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботи проводилися в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України відповідно до планів науково-дослідних робіт у рамках таких тем: 58/34-П “Електронно-променеве переплавлення поверхневого прошарку злитків жароміцних нікелевих сплавів” (1991 р.), 58/195 “Розробити і впровадити екологічно чисту та безвідхідну технологію виробництва литих заготівель і злитків із нікелевих і титанових сплавів” (1992 - 1995 р.), 58/4 “Вивчення закономірностей видалення легуючих компонентів і домішок при ЕПП із проміжною ємністю й одержання регламентованої структури в злитках із жароміцних сталей і сплавів на основі титану” та 58/5 “Вивчення процесів рафінування і кристалізації при ЕПП із проміжною ємністю кольорових, тугоплавких, високореакційних металів і сплавів на їхній основі і розробка устаткування і технологічних процесів одержання з них заготівель і злитків із гарантованим хімічним складом” (1996 1999 р., № держреєстрації 0198U000090).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є створення нових технологій електронно-променевої плавки з проміжною ємністю, що забезпечують одержання високоякісних злитків легованих сталей і сплавів, а також нового покоління великотоннажного електронно-променевого устаткування великої потужності для реалізації цих технологій у промисловому масштабі.

Відповідно до зазначеної мети були поставлені такі основні задачі:

1. Розробити технологічні схеми електронно-променевої плавки з проміжною ємністю, що дозволяють розділити процеси плавлення, рафінування і кристалізації металу у просторі.

2. Досліджувати процеси рафінування високолегованих сталей і сплавів при електронно-променевій плавці з проміжною ємністю і порціонною подачею розплаву в кристалізатор.

3. Вивчити теплофізичні умови формування злитків високолегованих сталей і сплавів в умовах порціонної кристалізації розплаву металу і встановити залежність між структурою злитка і технологічними параметрами процесу. електронний променевий плавка метал

4. Дослідити й узагальнити результати оцінювання якості металу злитків як круглого, так і прямокутного перетинів легованих сталей і сплавів різноманітних марок.

5. Створити вітчизняні електронні пушки, що працюють при підвищеному виділенні газів в плавильній камері, і визначити теплові навантаження на елементи конструкції електронно-променевих установок великої потужності.

6. Розробити електронно-променеві установки великої потужності, що дозволяють виплавляти й оплавляти великотоннажні злитки як круглого, так і прямокутного перетинів із шихти довільної конфігурації і габаритів.

7. Розробити технологію електронно-променевої плавки великих злитків із дрібнозернистою структурою.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

При ЕППЄ легованих сталей і жароміцних сплавів на основі нікелю були досліджені процеси випару легуючих елементів і домішок. Показано, що заданий ступінь рафінування металу забезпечується при максимальних показниках продуктивності електронно-променевих установок, виході придатного металу 95...96% і питомій витраті електроенергії 2.0...…2.2 кВтгод/кг.

Досліджено теплофізичні умови формування злитків при порціонній кристалізації і встановлена залежності впливу обсягу порції, періодичності подачі порції розплаву, потужності нагрівання і швидкості плавки на кристалічну будову злитка.

Показано, що оптимальну структуру круглих злитків і плоских злитків-слябів при швидкості плавки до 1000 кг/ч забезпечують такі технологічні параметри переплаву: висота порції розплаву, що подається до кристалізатора, 5…6 мм, періодичність заливання 25...30 с, потужність електронно-променевого нагрівання по периферії кристалізатора (1...5)·10⁵ Вт/м², потужність нагрівання центральної зони металу в кристалізаторі (3...4…4)·10⁵ Вт/м²

Встановлено, що підтримка сталості обраних параметрів нагрівання рідкого металу в кристалізаторі шляхом програмного керування процесом забезпечує плоский фронт кристалізації протягом усього періоду формування злитка і цілком усуваються дефекти лікваційного й усадочного характеру.

Дослідження показали, що леговані сталі і жароміцні сплави, виплавлені ЕППЄ, характеризуються мінімальним змістом газів, домішок кольорових металів і неметалевих включень. ЕППЄ підвищує густоту металу, його технологічну пластичність і різко знижує чутливість до концентраторів напруг.

На підставі теоретичних і експериментальних досліджень на базі аксіальних і електронно-променевих гармат із лінійним катодом створені промислові установки з проміжною ємністю типу УЭ 121, УЭ 5810, УЭ 5812 і УЭ 182М, УЭ 185М, УЭ 205 відповідно із широкими технологічними можливостями.

Практичне значення роботи. На основі аналітичних і експериментальних досліджень вивчені процеси рафінування і кристалізації при ЕППЄ, на базі яких розроблена методика одержання злитків із гарантованим хімічним складом.

Встановлено зв'язок між параметрами процесу і ступенем рафінування (показник якості металу) і розроблені шляхи оптимізації технологічного процесу ЕППЄ (підвищення продуктивності, виходу придатного металу, зниження витрат електроенергії).

Розроблено промислову технологію і спеціалізоване устаткування для ЕППЄ сталей і сплавів на основі заліза і нікелю.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень покладені в основу розробленої технології ЕПП із проміжною ємністю і порціонним зливом рідкого металу в кристалізатор, що забезпечує одержання дрібнозернистої структури в злитках жароміцних дискових сплавів, що сприяє підвищенню технологічної пластичності важкодеформованих матеріалів.

У результаті проведених досліджень і узагальнення досвіду експлуатації лабораторних установок створені промислові електронно-променеві установки з аксіальними і плоскопроменевими гарматами і широкими технологічними можливостями.

На базі розробленої технології і створеного устаткування досягнуто збільшення виходу придатного металу при плавці жароміцних сплавів на 25-30%, тобто практично реалізована технологія виробництва напівфабрикатів із сплавів на основі нікелю, що зберігає ресурси.

Особистий внесок здобувача. Запропонував нові рішення конструкторського і технологічного характеру по створенню нових електронно-променевих технологій і устаткування для одержання високоякісних злитків легованих сталей і сплавів із дрібнозернистою структурою. Експериментально підтвердив результати математичного моделювання процесів рафінування і теплофізичних умов формування злитків із дрібнозернистою структурою як круглого, так і прямокутного перетинів при ЕППЄ. Безпосередньо брав участь у проведенні експериментальних досліджень по встановленню залежностей між структурою злитків і технологічними параметрами ЕППЄ і розробці промислової технології електронно-променевого оплавлення (ЕЛО) поверхні злитків із високореакційних металів і сплавів, а також роботах по дослідно-промисловому іспиті жароміцних сплавів і промислового впровадження ЕППЄ і ЕЛО високореакційних металів і сплавів.

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи доповідалися і обговорювалися на Міжнародній конференції з електронно-променевих технологій. 26.05. - 2.06.1985г., м. Варна, Болгарія; Восьмої Міжнародної конференції з вакуумної металургії, 30.09 - 4.10.1985г., м. Лінц, Австрія; Сьомій Всесоюзній науково-технічній нараді “Проблеми і перспективи розвитку спецелектрометалургії”, 21-24 червня 1987 р., м. Москва, Росія; Дев'ятої Міжнародної конференції з вакуумної металургії. 11-15 квітня 1988 р., м. Сан-Дієго, США; Першої Міжнародної конференції “Воднева обробка матеріалів”, 20-22 вересня 1995 р., м. Донецьк, Україна; Другої Сесії наукової ради з нових матеріалів при Комітеті по природничим наукам міжнародної асоціації Академій Наук, 28 -31 жовтня 1997 р., м. Київ, Україна; Міжнародної науково-технічної конференції “Виробництво сталі в XXI столітті. Прогноз, процеси, технологія, екологія” (м. Київ, 2000 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладені в монографії і надруковані в 23 статтях у наукових журналах і захищені 11 авторськими посвідченнями СРСР на винаходи і патентами України. Всі роботи виконані в співавторстві і приведені в авторефераті.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 147 найменувань. Обсяг роботи складає 321 сторінку, 41 таблиць, 119 малюнків.

Зміст роботи

Вступ. Обґрунтовано актуальність роботи, викладені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі приведені загальні закономірності електронно-променевого нагрівання, подано аналіз технологічних схем електронно-променевої плавки безпосередньо в кристалізатор і сортамент освоєних сталей і сплавів.

Електронно-променева плавка є ефективним методом пічної вакуумної металургії. При ЕПП відсутній контакт рідкого металу з вогнетривкими матеріалами, а процеси нагрівання і плавлення управляються незалежно один від одного, що дозволяє в широких межах змінювати температуру рідкого металу і час його вакуумування.

Ці переваги в сполученні з безупинним виливком злитка забезпечують одержання при ЕПП металу максимально високої чистоти з бездефектною структурою виливків і злитків.

Електронний промінь, як джерело нагрівання, дозволяє створювати різноманітні технологічні схеми плавки, рафінування і кристалізації рідкого металу.

В другому розділі подано математичний опис процесів рафінування при ЕППЄ (мал. 1). Вивчення закономірностей випару легуючих компонентів і домішок є основою для розробки технології електронно-променевої плавки з проміжною ємністю сталей і сплавів і правильного вибору оптимальних режимів плавки, що забезпечують одержання заданого хімічного складу злитків.

Для процесу ЕПП із проміжною ємністю характерною рисою є три зони рафінування металу від домішки: на торці заготовки, у проміжній ємності й у кристалізаторі.

Для кожної із цих зон можна записати рівняння матеріального балансу домішок:

,

, (1)

,

де V1, V2, V - обсяги рідкого металу в плівці на торці заготовки, у проміжній ємності й у кристалізаторі відповідно, м³; C₀, C₁, C₂, C₃ - концентрації домішки в заготовці, що витрачається, у плівці на торці заготовки, у проміжній ємності й у кристалізаторі відповідно, моль/м³; q₁, q₂, q₃ - втрати металу на випар на кожній із стадій рафінування; S₀, S₁, S₂, S₃ - площа поперечного перетину заготовки, що витрачається, поверхні торця заготовки, проміжної ємності і кристалізатора відповідно, м²; v - швидкість плавки, м/с; П₁, П₂, П₃ - питомі потоки домішки через міжфазну поверхню для кожної із стадій рафінування, моль/с.

Розв'язавши систему рівнянь (1) щодо С₃, одержимо

, (2)

де Z = 1 q - вихід придатного металу; a_i = S_i/S₀; . = /v; де - частка потужності, вкладена в проміжну ємність; W₁ - потужність електронно-променевого нагрівання проміжної ємності й торця заготовки, що витрачається, кВт; W₂ - потужність електронно-променевого нагрівання, вкладена в кристалізатор, кВт.

Побудована математична модель (2) процесу рафінування металу від домішок, що віддаляться в газову фазу в атомарному вигляді, тобто по реакції [Ei] {Ei}, при ЕППЄ встановлює залежність концентрації домішки у виплавленому злитку від технологічних параметрів плавки.

Для газових домішок, що видаляються в газову фазу у вигляді двохатомних молекул, тобто по реакції 2[Ei] , математична модель процесу рафінування має більш складний вигляд.

Для її побудови до рівнянь матеріального балансу домішки в трьох зонах рафінування (система рівнянь (1) варто додати ще одне, що зв'язує загальний потік газу з металом, що переплавляється, з характеристиками установки:

, (3)

де Vк - обсяг вакуумної камери; _Pi - парціальний тиск i-ї домішки в камері установки; S_эф - ефективна швидкість відкачки вакуумних систем електронно-променевої установки.

Вирішуючи систему рівнянь (1) з урахуванням рівняння (3) при стаціонарному режимі плавки, визначимо потік домішки через міжфазну поверхню:

, (4)

де E = K_pS₀RTv/S_эф. Рівняння (4) у неявному вигляді виражає залежність змісту домішки в злитку С₃ від технологічних параметрів плавки.

Аналіз отриманих математичних моделей (2) і (4) показав, що ефективність рафінування металу залежить від технологічних параметрів v, Z, W₁, W₂, C₀, S₀, S₁, S₂, S₃ і величин , _м, K_c, K_p, що виражають фізико-хімічні властивості металу, що переплавляється, і домішки, що видаляється.

Чисельне значення технологічних параметрів можна одержати з плавильних карт і даних плавки хімічного аналізу, а значення фізико-хімічних констант необхідно визначити за допомогою обробки результатів експериментальних плавок.

Математичні моделі (2) і (4) дозволили визначити швидкість плавки жароміцної сталі ЭИ698, що забезпечує необхідну чистоту металу при різноманітному вмісті азоту в заготовці, що витрачається (мал.2).

Аналіз результатів експериментальних плавок показав, що трьох- стадійне рафінування, реалізоване при ЕППЄ, дозволяє збільшити ступінь рафінування металу в 2...10 разів у залежності від швидкості плавки в порівнянні з ЕПП. Більш розвита поверхня взаємодії розплаву з газовим середовищем у проміжній ємності призводить до того, що вже метал, що зливається з проміжної ємності, менше забруднений домішками ніж метал ЕПП.

Висока ефективність застосування проміжної ємності при ЕПП спостерігається і при рафінуванні сталі від інших кольорових домішок і газів. Так, наприклад, експериментальні дослідження показали, що досягнення однакового рівня вмісту сірки, кисню й азоту при ЕППЄ забезпечується значно швидше (приблизно в 2 разу), чим при ЕПП. Це обумовлено збільшенням поверхні випару і числа ступенів рафінування при ЕППЄ.

На підставі проведених досліджень можна зробити висновок, що ЕППЄ при однаковій швидкості переплавлення забезпечує значно більш глибоке рафінування досліджуваних марок сталей від газів і домішок, ніж ЕПП.

Електронно-променева плавка забезпечує не тільки високе очищення металу від шкідливих домішок, але і значне поліпшення структури злитка.

У третьому розділі показані особливості кристалізації металу, вивчені теплофізичні умови формування злитка з дрібнокристалічною структурою при ЕППЄ.

Кристалізація рідкого металу при ЕППЄ в цілому підпорядковується закономірностям, установленим для ВДП і ЭШП. Проте серед переплавлюваних процесів ЕППЄ займає особливе місце. По-перше, при ЕППЄ можна в широких межах регулювати швидкість кристалізації за рахунок зміни швидкості плавки; по-друге, істотно змінювати геометрію фронту кристалізації. У певних умовах (при невеликій швидкості плавки і відповідному розподілі енергії променя по поверхні рідкої ванної) можна одержувати практично плоский фронт кристалізації, що не може мати місця при ВДП і ЭШП.

Відзначені особливості кристалізації свідчать про специфічні температурні умови в рідкій ванні при ЕППЄ, обумовленій такими чинниками. Між температурою металу рідкої ванни і швидкістю плавлення немає прямої зв'язку. При ЕПП температурний градіент на фронті кристалізації може досягти (7...10) 10³ К/м.

Дослідження макроструктури виплавлених злитків показали відсутність яких-небудь видимих дефектів лікваційного й усадкового характеру.

Теплофізичні умови формування злитка в умовах електронно-променевого нагрівання металевого розплаву в кристалізаторі (мал. 3) були розглянуті на прикладі плавки жароміцних сплавів на основі нікелю.

Оптимальним засобом виробництва злитків жароміцних сплавів повинний рахуватися той, що одночасно забезпечує дрібнодисперсну гомогенну фізично і хімічно однорідну структуру при відсутності температурних напруг.

Наявність металевої ванни призводить, особливо в складнолегованих сплавах, до гравітаційної ліквації і структурної неоднорідності, а також спричиняє за собою появу усадкового дефекту в головній частині злитка.

Усунути зазначені недоліки дозволяє технологічна схема ЕППЄ з порціонним зливом рідкого металу з проміжної ємності в кристалізатор на прошарок металу, що закристалізувався попередньо. Малий обсяг порції рідкого металу, що подається з проміжної ємності в кристалізатор виключає процеси конвекції в розплаві при його кристалізації і виключає розвиток у злитку зональної ліквації, а також утворення дефектів усадкового походження.

Для розрахунку теплових умов формування злитка (температурного поля, швидкостей охолодження і кристалізації, градієнтів температурного поля) була використана математична модель, основу якої складає диференціальне рівняння теплопровідності в циліндричній системі координат, записане для випадку осьової симетрії температурного поля:

(5)

де Т - температура, C_V - об'ємна теплоємність, (T) - коефіцієнт теплопровідності, t - поточний час.

Залежність теплофізичних характеристик матеріалу злитка від температури з достатньою для практичних цілей точністю апроксимується кусочно-лінійними функціями.

Коефіцієнт (Т) враховує молекулярну і конвективну теплопровідність у рідкій фазі:



Об'ємна теплоємність c з урахуванням теплоти фазового переходу визначається залежністю:

C_V = C(T)(T) + L(T)(T),

де (T) - густота; C(T) - питома теплоємність; L - теплота фазового переходу. Функція (T) має вигляд

де T_S, T_L - температури солідуса і ліквідуса відповідно; T_к = T_L - T_S - температурний інтервал плавлення (затвердіння) сплаву.

Граничні умови, що описують теплообмін злитка з навколишнім середовищем, враховують процеси випромінювання з відкритої поверхні злитка, теплопередачу від злитка мідним водоохолоджуваним стінкам кристалізатора і піддона, а також надходження енергії від електронних променів, що обігрівають верхній торець злитка.

За допомогою математичної моделі були визначені такі значення технологічних параметрів плавки (температура металу порції, що заливається, висота порції, періодичність заливання і режим обігріву верхнього торця злитка), при яких металева ванна існує тільки у вузькій периферійній зоні (мал. 4).

Аналіз залежності протяжності двофазної зони показує, що розмір цієї зони (відстань від поверхні) слабко залежить від величини перегріву. Оскільки перегрів знімається на початку процесу охолодження у всьому обсязі металу порції, фронт кристалізації в звичайному розумінні відсутній, а відбувається об'ємна кристалізація порції (мал. 5).

Одним з основних дефектів кристалізаційного характеру в злитках є усадкова раковина (усадкова рихліть). У злитках жароміцних сплавів усадкова раковина являє собою порожнину або сукупність комірок і пір, зосереджених у головній частині злитка й ізольованих від навколишнього середовища за допомогою "моста" - кірочки щільного, позбавленого яких-небудь розривів, металу.

Даний дефект викликаний нерівномірним охолодженням верхньої основи злитка після відключення джерела обігріву. При цьому поверхня злитка охолоджується швидше, ніж більш глибокі прошарки металу за рахунок променистого теплообміну з зовнішнім середовищем і тепловий центр температурного поля злитка переміщається з верхнього торця злитка в глибину. На рівні залягання теплового центру при остаточній кристалізації злитка через кристалізаційний стиск виникає усадкова порожнина (раковина) або розсіяна пористість.

Розрахунок залягання усадкової раковини в циліндричних злитках проводилися в рамках математичної моделі кристалізації циліндричних злитків при ЕППЄ (5).

Розрахунки показали (табл. 1), що збільшення загальної потужності обігріву верхнього торця злитка, так само як і перерозподіл потужності убік центральної зони, спричиняє за собою збільшення часу від відключення джерела нагрівання до повної кристалізації злитка і глибини залягання усадкової раковини.

Порівняння результатів експериментів з отриманими в результаті математичного моделювання показало, що модель у цілому реально відбиває фізичне явища формування усадкової раковини в злитках наприкінці плавки. Розрахована глибина залягання усадкової раковини збігається з визначеною експериментально у межах 5...10%. За результатами проведених досліджень були розроблені технологічні режими виведення усадкової раковини (мал. 6), що забезпечують одержання бездефектних злитків жароміцних сплавів.

Таблиця 1.

Параметри кристалізації злитків жароміцного сплаву ЭП975 при ЕППЄ

Діаметр злитка,	Потужність електронно-променевого нагріву, кВт	Глибина залягання усадкової раковини,	Час до повної кристалізації,
м	W1	W2	мм	с
0.2	9.5	18.5	20...25	90
0.3	15.5	24.5	25...30	121
0.4	28.8	39.2	35…40	240
0.63	65	65	102…110	900
0.85	140	70	107...…115	1050
1.1	250	90	122...…135	1260

За розробленою технологією отримані злитки складнолегованих нікелевих сплавів ЭП698, ЭП741, ЭП975 діаметрами 0.31; 0.40; 0.63 м. Злитки мали задовільну поверхню без будь-яких поверхневих дефектів, таких, як тріщини, надриви і т. ін. Дослідження макроструктури показало, що кристалічна будова таких злитків жароміцних нікелевих сплавів характеризується дрібнозернистою структурою без елементів направленої кристалізації. Макрозерна рівноосні з розмірами в поперечнику 0,5...2 мм і довжиною 1...2 мм.

Одним із найважливіших показників якості дрібнозернистих злитків є дендритна структура злитків, що характеризується ступенем її дисперсності. Показниками ступеня дисперсності служать протяжність осей I порядку і відстані між осями II порядку.

Дослідження дендритної структури отриманих злитків дозволило встановити, що метал ЕППЄ кристалізується з утворенням осей дендритів I порядку невеликої протяжності, що практично не змінюються по перетині злитка, за винятком вузької периферійної зони злитка.

Дослідження показали, що ЕППЄ має деякі переваги по кристалізації металу в порівнянні з ЕПП. Проте, потрібно подальший пошук засобів затвердіння великих обсягів розплаву металу в одиницю часу.

Для підвищення продуктивності ЕППЄ була розроблена технологія одержання плоских злитків-слябів в електронно-променевій печі з підвищеною інтенсивністю охолодження злитка , що кристалізується.

Четвертий розділ присвячений розробці математичної моделі теплових процесів формування плоских злитків, технології їхнього одержання і дослідженню якості одержуваного металу злитка.

Основною поверхнею, що відводить тепло, при кристалізації плоских злитків є донна поверхня й основна маса злитка кристалізується в умовах направленого відводу теплоти перегріву розплаву і теплоти кристалізації. Тому в міру зростання кірки затверділого металу збільшується термічний опір між ванною рідкого металу і холодильником (піддоном, що охолоджується водою). Внаслідок цього тепловий режим формування плоского злитка є істотно нестаціонарним, що характеризується безупинним збільшенням глибини металевої ванни і відсутністю (на відміну від вертикального засобу) квазістаціонарного теплового режиму.

В наслідок нестаціонарності теплової обстановки при формуванні плоского злитка на відміну від вертикального формування раціональний режим плавки варто шукати в класі нестаціонарних, тобто диференційованих по висоті злитка або за часом режимів. Визначити оптимальні режими плавки експериментальними засобами надзвичайно важко, тому що це потребує проведення великого числа експериментів. Тому в даній роботі ця проблема вирішується шляхом теоретичного аналізу умов затвердіння плоских злитків на основі чисельного моделювання теплових процесів на ЕОМ.

Формування плоского злитка при ЕППЄ відбувається таким чином, що більша частина поверхні фронту затвердіння залишається рівнобіжною донної поверхні злитка, а вектор питомого теплового потоку направлений переважно зверху униз. Таким чином, при формулюванні математичної моделі можна виходити з одномірного рівняння енергії

(6)

де 0<z<(t) , t>0, T(z, t) - температура; C_V (T, z) - об'ємна теплоємність з урахуванням теплоти фазового переходу; (T, z) - теплопровідність; z - координата, що відраховується від нижньої основи злитка; (t) - поточна товщина злитка.

У якості граничних для рівняння (6) використовуємо такі умови: на донній поверхні злитка теплообмін здійснюється за законом Ньютона

(7)

з коефіцієнтом теплопередачі , що залежить від поточної температури донної поверхні злитка; на вільній поверхні рідкої металевої ванни (z = (t)) питомий потік тепла в рідкий метал, пов'язаний із радіаційними втратами на звід камери, поверхневою щільністю джерела електронно-променевого нагріву і теплотою, що надходить разом із краплями розплаву металу

+

(8)

T_в - температура води, що прохолоджує кристалізатор; - ступінь чорнуватості; - постійна Стефана - Больцмана; Т_с - температура навколишнього середовища; Т_е - температура металу , що надходить у кристалізатор; v(t) - швидкість плавки.

У початковий момент часу при t = 0

T (z, 0) = T (z); (0) = ₀; 0 z ₀ . (9)

У залежності від початкових умов процесу (у якості першого прошарку злитка використовується злиток-приманка або виплавка злитка) ₀ = h_s1 або ₀ = h_n. Для чисельного рішення задачі (6) застосовані неявна різницева схема й алгоритм прогонки. При цьому крок сітки h по просторовій координаті z вибирався таким чином, щоб h_n /h = n, де п - ціле. Слід зазначити, що істотною особливістю досліджуваного нами технологічного процесу є порціонний виливок злитка при відсутності металевої ванни. Тому основними параметрами, за допомогою яких можна управляти процесом формування плоского злитка, є: поверхнева щільність теплового потоку q (x, y, t), товщина порції, що заливається, і періодичність заливання t (t), де t - поточний час.

Для одержання в електронно-променевих печах плоских злитків з однорідною бездефектною литою структурою і мінімально можливим розміром зерна була розроблена технологія ЕППЄ з порціонним заливанням рідкого металу в прямокутну ізложницю, що реалізується в такий спосіб: рідкий метал заготовки, що витрачається, накопичується в проміжній ємності і періодично зливається в горизонтально розташований кристалізатор невеличкими порціями, що цілком покривають вільну поверхню формованого злитка. При цьому тепловою енергією електронних променів металева ванна шириною 15... 20 мм і глибиною 10... 15 мм підтримується тільки біля стінок кристалізатора, а температура іншої зони вільної поверхні складає (0,8...0,9) T_S (T_S - температура солидус металу основи).

Для одержання однорідної структури наплавленого прошарку без дефектів усадкового походження необхідно створити однакові умови затвердіння металу порцій, що утворять цей прошарок, тобто управляти режимом наплавлення.

Методами чисельного моделювання встановлено (мал. 7), що початкова швидкість охолодження першої порції висотою h_п = 5 мм складає приблизно 10³ К/з і практично не залежить від товщини основи. Проте час охолодження порції до T_S істотно залежить від її висоти. Близьким до оптимального є режим формування злитка порціями висотою 5... 6 мм із періодичністю заливання t = 25... 30 с і при цьому поверхнева щільність теплового потоку не повинна перевищувати розміру 510⁵ Вт/м².

Таким чином, при порціонному засобі одержання злитків можна досягти більш високих швидкостей наплавлення - до 15 мм за хвилину, ніж при безупинному ( 2 мм за хвилину).

Отримані в електронно-променевій печі плоскі злитки-сляби піддавали всебічному дослідженню. Досліджували макро- і мікроструктуру, хімічний склад, змісту газів і неметалевих включень, а так само механічні властивості.

Всі дослідні плоскі злитки-сляби, отримані зі сталей типу АК-25 і АК-33 електронно-променевої плавки із порціонною подачею рідкого металу з проміжної ємності в горизонтальний кристалізатор, мали задовільну бічну поверхню і щільну макроструктуру без яких-небудь видимих металургійних дефектів (усадкової раковині, пористості і тріщин).

Металографічний аналіз зразків показав, що ЕППЄ істотно покращує чистоту сталей АК-25 і АК-33 щодо вмісту неметалевих включень. Вміст неметалевих включень після ЕППЄ знижується в 1.5...2 рази, також зменшується і їхня розмірність.

Методом ЕППЄ можна одержувати заготовки різноманітної форми і конфігурації (диски, каблучки, фланці, плити), що відрізняються високою чистотою, хімічною і структурною однорідністю.

З огляду на високі властивості металу ЕППЄ в литому стані, ці заготовки, очевидно, можна використовувати у виробах у литому стані або, у крайньому випадку, із невеликою деформацією для здрібнювання литої структури. В цьому напрямку в даний час ведеться робота з одержання методом ЕППЄ литих шайб для дисків газових турбін.

За рахунок високої продуктивності ЕППЄ в плоский кристалізатор відкриває необмежені можливості по формуванню високоякісних злитків із вихідного рідкого металу.

При використанні вихідного рідкого металу можна одержувати злитки великої маси за допомогою декількох порцій рідкого металу. При цьому перерва між подачами окремих порцій рідкого металу може змінюватися в практично необмежених границях, аж до повного затвердіння й охолодження злитка попередньої порції з наступним розплавлюванням верхньої частини злитка і подачею такої порції рідкого металу.

Нарешті, процес ЕППЄ в плоский кристалізатор відкриває великі можливості з одержання нових конструкційних матеріалів (біметалічних, багатошарових і армованих злитків) під подальшу гарячу прокатку або для застосування у виробах у литому виді.

У п'ятому розділі узагальнені результати досліджень з підвищення якості сталей і сплавів методом електронно-променевої плавки з проміжною ємністю.

Головний критерій оцінки технологічного процесу одержання металів і сплавів - їхня якість. З огляду на вимоги, що запропоновані до різноманітних сталей і сплавів доцільно розглядати властивості окремих класів сталей і сплавів, отриманих ЕППЄ, у порівнянні з іншими методами спеціальної електрометалургії.

Властивості конструкційних сталей багато в чому залежать від зниження змісту в них газів, шкідливих домішок і неметалевих включень, а також щільної бездефектної структури злитка.

Якість конструкційних високоміцних сталей у значній мірі визначається їхньою чистотою від газів, шкідливих домішок і неметалевих включень. Один із методів підвищення чистоти сталей - ЕППЄ. В якості приклада досліджували сталь 00Н18М3ТЮР.

У результаті ЕППЄ ударна грузькість зростає в 1,5 рази, причому рівень ударної грузькості поперечних зразків із металу ЕППЄ дещо вище ніж із металу вакуумно-індукційної плавки. Механічні властивості сталі в результаті ЕППЄ практично не змінюються. У результаті ЕППЄ ударна грузькість зразків із тріщиною зростає на 40 . Таким чином, істотне зниження в результаті ЕППЄ схильності сталі 00Н18М3ТЮР до тендітної руйнації свідчить про перспективність застосування цього засобу плавки для підвищення якості сталей , що мартенситностаріють.

Важлива особливість жароміцних сплавів на основі нікелю їхня важка деформованість і задовільна пластичність у вузькому інтервалі температур. Одним з основних чинників, що істотно впливають на оброблюваність металу, є структура злитка. Підвищення пластичності при деформації, зниження ліквації елементів у злитку можуть бути досягнуті одержанням однорідної дрібнозернистої структури.

За технологією ЕППЄ з порціонною подачею розплаву в кристалізатор були виплавлені дослідні партії злитків жароміцних сплавів ЭИ698, ЭП741, ЭП975 із дрібнозернистою структурою. Отримані злитки характеризуються високою структурною однорідністю і низьким змістом газових домішок.

Висока дисперсність дендритної структури жароміцних нікелевих сплавів обумовлює і мінімальний рівень мікрохімічної неоднорідності.

Для злитка діаметром 400 мм із сплаву ЭП975 характерний більш низький ступінь мікронеоднорідності в порівнянні зі злитком, виплавленим із тієї ж швидкістю в печі ВДП, про що свідчать достатньо низькі коефіцієнти ліквації, що особливо важливо для розподілу ніобію і вольфраму, що зміцнюють -фазу.

Оцінка технологічної пластичності литого металу ЕППЄ проводилася на прикладі сплаву ЭИ698. На всіх стадіях деформація проходила без утворення тріщин і розірвань на поверхні кільцевих заготівель, що свідчить про задовільну пластичність металу ЕППЄ.

Контроль механічних властивостей зразків, вирізаних із кільцевих заготівель, показав, що метал задовольняє вимогам ТУ на сплав ЭИ698. При цьому розмір припустимого ступеня деформації знаходиться на рівні 40 і зберігається при більш низьких температурах деформації, що на 50...60 С нижче, ніж для злитків, отриманих за традиційною схемою ВІП + ВДП.

Дослідження зразків ЕППЄ проводили на нікелевих сплавах ЭП-741, ЭП-975 вакуумно-дугової плавки (ВДП), ЭИ-698 відкритої дугової плавки (ВД).

Зміст газів у металі злитків після ЕППЄ досліджувався для сплавів на основі нікелю ЭП-741 і ЭП-975. Найбільш повно відбувається рафінування від водню. Залишковий його зміст складає не більш 0,00006... 0,00009% поза залежністю від його вихідного вмісту. Незначно знижується концентрація кисню й азоту. Чіткої залежності вмісту газів у металі злитків ЕППЄ від швидкості плавки не спостерігається. Варто зауважити, що отримані дані по змісту кисневих включень добре узгодяться з результатами визначення вмісту кисню в сплавах.

Металографічні дослідження зразків ЕППЄ нікелевих сплавів показали, що основним видом включень були первинні карбіди типу МеС. Здебільшого такі карбіди виділяються з рідкої фази при кристалізації і розташовуються в міждендритних просторах. Карбіди частіше усього містять невелику кількість азоту і, по суті, є карбонітридами Ме(С,N).

При металографічних дослідженнях якогось орієнтування карбідів щодо матриці не виявлено.

Дослідження хімічного складу карбонітридних фаз, проведене за допомогою мікрорентгеноспектрального аналізу безпосередньо на шліфах без ізолювання фаз, показало, що карбідні фази мають перемінний склад із переважним вмістом Nb, Ti, W, Mo (елементи розташовані в порядку зменшення їхнього змісту у фазі).

Більш значні включення являють собою (Nb, Ti, W)С на межах евтектик - Nb (у який частина атомів Nb замінена Ti). У сплавах присутні карбобориди складного складу, що містять W, Mo, Cr.

Різниця по морфології і хімічному складу фаз пов'язана з утворенням їх при різноманітній температурі.

Оскільки розподіл фаз у литих нікелевих сплавах пов'язано з осями дендритів, то здрібнювання дендритної структури при ЕППЄ істотно вплинуло на їхній розмір і розташування.

При кристалізації рідкого металу в процесі ЕППЄ формується більш дисперсна структура, що сприяє здрібнюванню усіх фаз, що виділяються в міжосевих просторах, у тому числі і неметалевих включеннях.

ЕППЄ не вплинув на фазовий склад, але зменшив кількість виділень карбідів, а також істотно вплинув на їхню морфологію. На зразках нікелевих сплавів після ЕППЄ переважний розмір включень складав до 5 мкм. Грубих включень карбідів, що є концентраторами напруг і можуть призвести до руйнації, не виявлено.

Інші фази при дослідженні методом мікрорентгеноспектрального аналізу виявлені не були.

Таким чином, у процесі ЕППЄ метал повніше обчищається від шкідливих газових домішок і неметалевих включень, що зменшуються в розмірах і більш рівномірно розподіляються по перетині злитка.

Підвищення чистоти металу після ЕППЄ забезпечує необхідне сполучення міцності і пластичності (табл.2).

У процесі одержання злитків із ряду причин, обумовлених металургійними і технологічними особливостями, поверхневий прошарок злитків виявляється ураженим різноманітного роду дефектами: тріщинами, полонами, заворотами, порами, лікватами й іншими, що погіршують службові властивості металу. У зв'язку з цим на різноманітних стадіях виробництва металу роблять обробку злитків і заготівель, що полягає у видаленні дефектного поверхневого прошарку. Кількість відходів звичайно складає 6-10 маси злитка, що зачищається.

У шостому розділі подана технологія оплавлення поверхні злитка електронним променем.

Для скорочення втрат металу замість механічної обробки в ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України розроблена технологія оплавлення поверхні злитків електронним променем.

Таблиця 2.

Механічні властивості нікелевих жароміцних сплавів у литому стані після ЕППЄ.

Марка сплаву	Місце добору проб	ув, МПа	у0,2, МПа	д, %	Ш, %	ан, кДж/мІ
ЭИ - 698	Вздовж Поперек	915 820	541 530	19,0 16,0	22,0 17,0	810 567
ЭП - 741	Вздовж Поперек	950 910	702 765	17,0 16,0	19,0 16,4	597 440
ЭП - 975	Вздовж Поперек	1020 967	808 829	16,0 16,2	19,0 16,6	547 430

Примітка. У таблиці подані середні значення іспиту трьох зразків.

Сутність запропонованої технології полягає в нагріванні і розплавлюванні поверхневого прошарку злитка електронними променями уздовж його утворюючої, причому протяжність зони оплавлення уздовж утворюючого злитка складала 0,1...0,5; а ширина 0,005... 0,02 м. Поверхню оплавляли одночасно по всій довжині злитка одним або декількома електронними променями, розташованими в одну лінію. При цьому злиток обертається навколо подовжньої осі .

У залежності від стану поверхні злиток оплавляють за 4...5 проходів. Під час перебування частини поверхні злитка в розплавленому стані з розплаву видаляться гази і летучі домішки.

Для визначення основних параметрів технологічного процесу на базі рівняння теплопровідності в циліндричній системі координат була побудована математична модель, що описує поширення тепла в злитку, що оплавляється.

(10)

0 < r < R, 0 ц 2, t > 0,

де r, - координати відповідно по радіусу і куту; R - радіус злитка.

Характерними рисами даної моделі є наявність рухливого джерела тепла на поверхні циліндра, що призводить до неосесиметричного температурного поля.

...