[2]Изобретение относится к области специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву аустенитных сталей. В способе вакуумной дуговой плавки слитков на электрическую дугу и на поверхность ванны жидкого металла воздействуют знакопеременным магнитным полем с напряженностью 40÷50 Э, частотой переключения магнитного поля 0,1÷1,0 Гц, создаваемым соленоидом, намотанным на немагнитную рубашку кристаллизатора, и его источником тока, при одновременном охлаждении наплавляемого слитка гелием.
[3]Изобретение позволяет стабилизировать процесс плавления расходуемых электродов, повысить выход годного за счет улучшения проплава боковой поверхности слитков, получить равноосную, мелкозернистую структуру слитка.
[4]2. Предшествующий уровень техники
[5]Известен способ контроля и стабилизации межэлектродного промежутка в процессе плавки в вакуумной дуговой печи (Патент RU 2425156 (С22В 9/20), 2011), включающий измерение напряжения на электрической дуге и регулирование положения расходуемого электрода относительно выплавляемого слитка, при этом в известном способе измерение напряжения на электрической дуге осуществляют в момент нахождения ее в центральной части торцевой поверхности электрода и воздействуют на электрическую дугу и расплав аксиальным магнитным полем и радиальным вращающимся магнитным полем. Недостатком способа является нестабильность процесса получения качества слитков из-за малого количества регулируемых параметров ведения плавки.
[6]Известен способ контроля процесса вакуумной дуговой плавки (Патент RU 2375473 (С22В 9/20, F27D 21/04), 2009), в котором воздействие на электрическую дугу осуществляется знакопеременным магнитным полем соленоида частотой 1÷15 Гц продолжительностью 2÷10 с. Недостаток способа является невозможность получения мелкозернистой равноосной структуры без дефектов ликвационного происхождения.
[7]Известен способ управления электрической дугой при вакуумном дуговом переплаве (Патент RU №2536561 (С22В 9/20), 2014), в котором на электрическую дугу одновременно осуществляют циклическое воздействие аксиальным магнитным полем с напряженностью 0,3×103÷7,0×103 А/м, периодом воздействия поля 2÷60 сек и паузой между периодами 0,1÷20 сек, а также радиальным вращающимся магнитным полем с напряженностью 0,4×103÷4,0×103А/м, частотой переключения поля 0,01÷1 Гц, сменой направления вращения поля после 0,5÷20 оборотов. Недостатком технического решения является применение при выплавке слитков преимущественно из титановых сплавов, переплав аустенитных сталей не предусмотрен.
[8]Известен также, принятый заявителем за наиболее близкий аналог, способ вакуумной дуговой плавки слитков (Патент RU 2425157 (С22В 9/20, С21С 5/52, F27B 3/28), 2011), в котором при вакуумной дуговой плавке слитков на поверхность ванны жидкого металла воздействуют дуговым разрядом промодулированной частоты. Недостатком прототипа является то, что техническим решением не предусмотрен переплав аустенитных сталей.
[9]3. Сущность изобретения
[10]3.1. Постановка технической задачи
[11]Стабилизация процесса плавления расходуемых электродов в вакуумной дуговой печи, повышение выхода годного за счет улучшения проплава боковой поверхности слитков и получение равноосной, мелкозернистой структуры.
[12]Результат решения технической задачи
[13]Техническая задача решена путем одновременного воздействия на электрическую дугу и на поверхность ванны жидкого металла, знакопеременным магнитным полем с напряженностью 40÷50 Э, частотой переключения магнитного поля 0,1÷1,0 Гц, создаваемым соленоидом, намотанным на немагнитную рубашку кристаллизатора, при одновременном охлаждении наплавляемого слитка гелием.
[14]3.2. Отличительные признаки
[15]В отличии от известного технического решения, в котором при вакуумной дуговой плавке слитков на поверхность ванны жидкого металла воздействуют дуговым разрядом промодулированной частоты, в заявленном решении на протяжении всей вакуумной дуговой плавки осуществляют воздействие на электрическую дугу и на поверхность ванны жидкого металла знакопеременным магнитным полем с напряженностью 40÷50 Э, частотой переключения магнитного поля в пределах 0,1÷1,0 Гц, создаваемым соленоидом, намотанным на немагнитную рубашку кристаллизатора, при одновременном охлаждении наплавляемого слитка гелием.
[16]При этом наибольшая эффективность проявляется при токе соленоида 3,0÷4,5 А и давлении гелия в зазоре между наплавляемом слитком и стенкой кристаллизатора 20÷25 мм рт. ст. Использование знакопеременного магнитного поля обеспечивает стабилизацию процесса плавления расходуемых электродов, исключается образование ионизации, при этом интенсифицируется теплопередача в жидкой ванне металла. Перемешивание расплава в ванне приводит к увеличению теплового потока, отводимого к стенке кристаллизатора и выравниванию температуры ванны в горизонтальной плоскости, что способствует повышению температуры у стенки кристаллизатора, увеличению протяженности цилиндрической части ванны жидкого металла и уменьшению глубины ванны. Такое перераспределение тепловых потоков позволяет вести переплав при пониженной силе тока дуги, что невозможно при обычном вакуумном дуговом переплаве из-за ухудшения качества поверхности.
[17]Включение соленоида, намотанного на немагнитную рубашку кристаллизатора, для создания знакопеременного магнитного поля осуществляется одновременно с подачей гелия после наведения жидкой металлической ванны и выхода на рабочий режим плавки.
[18]Совместное действие магнитного поля и охлаждение слитка гелием приводит к значительному уменьшению глубины ванны жидкого металла и к дальнейшему измельчению кристаллической структуры слитка.
[19]В период выведения усадочной раковины, через 20 минут после выхода на режим, давление гелия в зазоре плавно снижают до 10÷15 мм рт. ст. и поддерживают постоянным до отключения печи. Воздействие знакопеременного магнитного поля на металл прекращают вместе с отключением печи.
[20]3.3. Перечень фигур чертежей
[21]На фиг. 1 представлены фотографии продольных осевых макротемплетов головных частей вакуумных дуговых (ВД) слитков, переплавленных с применением знакопеременного магнитного поля (1) и без него (2), по серийной технологии.
[22]На фиг. 2 представлены фотографии поперечных осевых макротемплетов ВД слитков, переплавленных с применением знакопеременного магнитного поля (3) и без него (4), по серийной технологии.
[23]На фиг. 3 представлена фотография макроструктуры ВД слитка в продльном (5) и поперечном (6) направлении, переплавленного с применением знакопеременного магнитного поля.
[24]На Фиг. 4 представлена фотография макроструктуры ВД слитка в продльном (7) и поперечном (8) направлении, переплавленного без магнитного поля, по серийной технологии.
[25]4. Описание изобретения
[26]В заявленном техническом решении осуществляют вакуумный дуговой переплав аустенитных сталей с использованием знакопеременного магнитного поля и охлаждения наплавляемого слитка гелием, после разведения жидкой металлической ванны, во время процесса плавления и выведения усадочной раковины.
[27]Знакопеременное магнитное поле является наиболее действенным инструментом для вакуумного дугового переплава, влияющим на поведение дуги и управление ванной расплавленного металла. Использование знакопеременного магнитного поля обеспечивает подавление ионизации, в следствии фокусирования дуги под торцом электрода, и азимутальное вращение расплава в горизонтальной плоскости, вызывая его меридианальную циркуляцию. При этом интенсифицируется теплопередача в жидкой ванне металла. Перемешивание расплава в ванне приводит к увеличению теплового потока, отводимого к стенке кристаллизатора и выравниванию температуры ванны по сечению, что способствует повышению температуры у стенки кристаллизатора, улучшению поверхности слитка, увеличению протяженности цилиндрической части ванны жидкого металла и уменьшению глубины ванны. Такое перераспределение тепловых потоков позволяет вести переплав при пониженной силе тока дуги, что невозможно при обычном вакуумном дуговом переплаве из-за ухудшения качества поверхности.
[28]Наиболее удовлетворительные результаты плавки достигаются при напряженности магнитного поля 40÷50 Э, при этом наибольшая эффективность проявляется при токе соленоида 3,0÷4,5 А и давлении гелия в зазоре между наплавляемом слитком и стенкой кристаллизатора 20÷25 мм рт. ст.
[29]Включение соленоида, намотанного на немагнитную рубашку кристаллизатора, для создания знакопеременного магнитного поля осуществляется одновременно с подачей гелия после наведения жидкой металлической ванны и выхода на рабочий режим плавки.
[30]Совместное действие магнитного поля и охлаждение слитка гелием приводит к значительному уменьшению глубины ванны жидкого металла, при одновременном улучшении поверхности слитка, за счет отмеченного ранее перераспределения тепловых потоков вдоль и поперек оси слитка, и приводит к дальнейшему измельчению кристаллической структуры слитка.
[31]Измельчение дендритной структуры слитка при вакуумном дуговом переплаве с магнитным полем обусловлено дополнительным охлаждением гелием, которое увеличивает температурный градиент на фронте кристаллизации. Электромагнитное перемешивание расплава приводит к значительному измельчению кристаллов, литого металла, и практически не влияет на плотность упаковки дендритов. Причиной такого измельчения, при узкой двух фазной зоне, является оплавление осей второго порядка и перераспределение примесей вблизи ликвидуса в двухфазной зоне при флуктуациях скорости движения расплава у фронта кристаллизации. При этом в зоне флуктуации ликват частично блокирует рост главных осей близко расположенных дендритов и создает переохлаждение в соседних участках, обедненных примесью, что приводит к ускоренному росту осей, ориентированных в направлении температурного градиента.
[32]Эффективность электромагнитного перемешивания расплава резко уменьшается в головной части слитка за счет снижения силы тока дуги при выведении усадочной раковины. В связи с этим для получения однородной структуры скорость движения расплава необходимо увеличить либо за счет напряженности магнитного поля, либо за счет изменения частоты переключения поля.
[33]Режим заключительной части плавки выбирают таким образом, чтобы обеспечить минимальную обрезь от верха слитка. В период выведения усадочной раковины, через 20 минут после выхода на режим, давление гелия в зазоре плавно снижается до 10÷15 мм рт.ст. и поддерживается постоянным до отключения печи. Воздействие знакопеременного магнитного поля на металл прекращают вместе с отключением печи, при этом, в период выведения усадочной раковины, увеличивают напряженность магнитного поля до 50 Э.
[34]После окончания плавки слиток некоторое время охлаждается в вакууме.
[35]Разработанная технология вакуумного дугового переплава аустенитных сталей с использованием знакопеременного магнитного поля и охлаждения наплавляемого слитка гелием включает:
[36]- режим начальной стадии плавки обеспечивающий быстрое образование жидкой металлической ванны;
[37]- рабочий режим плавки с применением знакопеременного магнитного поля и дополнительным охлаждением гелием;
[38]- режим заключительной части плавки обеспечивающий минимальную обрезь от верха слитка.
[39]Использование предлагаемого способа позволяет стабилизировать процесс плавления расходуемых электродов в вакуумной дуговой печи, обеспечивая подавление ионизации.
[40]Использование предлагаемого способа позволяет повысить выход годного за счет улучшения проплава боковой поверхности слитков и получить равноосную, мелкозернистую структуру.
[41]5. Пример конкретного выполнения (реализация способа)
[42]Плавление слитков диаметром 320 мм, массой 600÷650 кг аустенитной стали 07Х16Н19М2Г2БТР осуществляли в вакуумной дуговой печи ДСВ-3,2-Г1М6 из литого расходуемого электрода диаметром 250 мм, полученного в вакуумной индукционной печи, с применением знакопеременного магнитного поля и дополнительным охлаждением металла гелием.
[43]Режим наведения жидкой металлической ванны был выбран таким образом, чтобы обеспечить быстрое образование жидкой металлической ванны. После наведения жидкой металлической ванны и выхода на рабочий режим плавки произвели включение соленоида, намотанного на немагнитную рубашку кристаллизатора, для создания знакопеременного магнитного поля напряженностью 40÷50 Э и осуществили одновременно подачу гелия. Частота переключения магнитного поля 0,1÷1,0 Гц, ток соленоида 3,0÷4,5 А и давлении гелия в зазоре между наплавляемом слитком и стенкой кристаллизатора 20÷25 мм рт.ст.
[44]Режим заключительной части плавки был выбран таким образом, чтобы обеспечить минимальную обрезь от верха слитка. В период выведения усадочной раковины, через 20 минут после выхода на режим, давление гелия в зазоре плавно снизили до 10÷15 мм рт.ст. и поддерживали постоянным до отключения печи. Воздействие знакопеременного магнитного поля на металл прекратили вместе с отключением печи, при этом, в период выведения усадочной раковины, увеличили напряженность магнитного поля до 50 Э.
[45]Выплавленные слитки прошли передел по принятой на заводе технологии, до получения трубной заготовки, и испытания, в объеме требований соответствующих нормативных документов. Были проконтролированы макроструктура вакуумных дуговых слитков, механические свойства, длительная прочность и загрязненность трубной заготовки неметаллическими включениями.
[46]Макроструктура вакуумных дуговых слитков плотная, без наличия металлургических дефектов. В слитке, выплавленном по серийной технологии, сформированы столбчатые, ориентированы снизу вверх кристаллы, что хорошо видно на продольной макроструктуре. Структура слитка, наплавленного с применением знакопеременного магнитного поля и дополнительного охлаждения гелием - мелкодисперсная, равноосная и однородная в продольном и поперечном сечениях (фиг. 1-4).
[47]Результаты испытания кратковременных механических свойств слитков, наплавленных с применением знакопеременного магнитного поля, показали полное соответствие качества металла предъявляемым требованиям (таблица 1).
[48]
[49]Результаты контроля длительной прочности в сравнение с технологией переплава без применения знакопеременного магнитного поля и гелия приведены в таблице 2. Из таблицы видно, что стойкость металла при испытании на длительную прочность соответствует предлагаемым нормам и имеет больший запас прочности.
[50]
[51]Контроль загрязненности неметаллическими включениями проводился на шести образцах от плавки, отобранных от трубной заготовки ∅70 мм, по ГОСТ 1778 метод Ш6. Результаты контроля загрязненности неметаллическими включениями по длине заготовки («Г-С-Х») в сравнении с серийным переплавом приведены в таблице 3.
[52]
[53]Из приведенных данных видно, что металл от середины и хвостовой части трубной заготовки показал высокую степень чистоты по неметаллическим включениям. Однако в головной части нитриды точечные находятся на верхнем уровне требуемых норм, что возможно связано с качеством подголовной части расходуемого электрода.
[54]Заявленное техническое решение успешно опробовано в производственных условиях на АО «Металлургический завод «Электросталь».
[55]Использование предлагаемого способа позволяет стабилизировать процесс плавления расходуемых электродов в вакуумной дуговой печи, повысить выход годного за счет улучшения проплава боковой поверхности слитков и получить равноосную, мелкозернистую структуру.
