Вакуумная дегазация. 
Технологические процессы в машиностроении

Эффект очистки стали вакуумированием основан на уменьшении растворимости газов при снижении давления над зеркалом металла. Бурно выделяющиеся при этом пузырьки газов увлекают с собой и неметаллические включения. Расплавленную сталь вакуумируют в печи или ковше, установленных в вакуумных камерах, при переливке стали из ковша в ковш, в струе на выпуске из печи или при разливке из ковша.

Вакуумирование стали в ковше (рис. 4.10, а) осуществляют в камере 1, в которую устанавливают ковш 2 со сталью, после чего герметично закрывают крышкой 3 и соединяют с работающим вакуум-насосом. На крышке камеры предусмотрен бункер 4 для ферросплавов. При достижении разрежения с остаточным давлением 0,267−0,667 кПа металл закипает, что свидетельствует о начале дегазации. Длительность обработки зависит от температуры стали в ковше и ее массы и составляет 10−20 мин. По окончании обработки камеру соединяют с атмосферой, открывают ее и ковш со сталью увозят на разливку.

Циркуляционное вакуумирование осуществляют на установке (рис. 4.10, б), которая состоит из вакуумной камеры 1 со всасывающей 2 и сливной 3 трубами, опускаемыми в ковш 5 со сталью. В установке предусмотрен бункер 4 для ферросплавов. В нижней части одной из труб имеется кольцевой коллектор 6' с соплами для ввода транспортирующего газа — аргона. Аргон, попадая в расплавленную сталь, образует взвесь мелких пузырьков, поднимающихся по трубе и увлекающих за собой металл. Попадая в камеру, металл вакуумируется и стекает по второй трубе в ковш.

Рис. 4.10. Схемы вакуумирования стали:

а - ковшовое; б — циркуляционное; в — поточное.

Поточное вакуумирование осуществляют при непрерывной разливке (рис. 4.10, в). Разливочный ковш 1 со сталью герметично устанавливают на вакуумную камеру 2, патрубок 3 погружают в металл промежуточного ковша 4. Сталь из промежуточного ковша поступает в кристаллизатор 5, из которого вытягивается слиток 6.

Электрошлаковый переплав. Применяют для получения высококачественных сталей и сплавов для различных отраслей промышленности. Принципиальная схема ЭШП представлена на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Схема установки электрошлакового переплава:

1 — источник питания; 2 — слиток; 3 — ванна расплава; 4- кристаллизатор; 5 — электрод (переплавляемая заготовка); в — герметизированная камера; 7 — шлаковая ванна; 8 — шлаковая «рубашка»; 9 — поддон Существует два типа установок ЭШП: с расходуемым и нерасходуемым электродом. Суть процесса при этом остается неизменной: капли металла проходят через слой жидкого шлака (шлаковую ванну). Электрическая цепь между расходуемым электродом 5 и наплавляемым слитком 2 замыкается через слой расплавленного шлака в ванне 7 (электрическая дуга отсутствует).

Жидкий шлак в ванне 7 электропроводен, но обладает высоким сопротивлением, поэтому нагревается до температуры 1700−2000°С и погруженный в него конец расходуемого электрода 5 оплавляется. В результате металл в виде капель проходит через слой шлака вниз и застывает в ванне кристаллизатора в виде плотного слитка. При этом кристаллизация металла происходит последовательно и направлена снизу вверх, что способствует удалению неметаллических включений и пузырьков газа и тем самым образованию плотной и однородной структуры слитка.

Составы шлаков при ЭШП различны. Чаще всего используют шлак, состоящий из CaF2 с добавками СаО, Al2О3, SiO2. Проходя через него, капли металла очищаются от серы, в них снижается содержание неметаллических включений, а в кристаллизаторе образуется плотный качественный слиток. В конце переплава поддон 9 опускают и отвердевший слиток достают из изложницы.

Нерасходуемые электроды, используемые для поддержания требуемой температуры в шлаковой ванне, бывают графитовые или металлические водоохлаждаемые. Проходя через слой жидкого шлака, капли металла попадают или в кристаллизатор, или в огнеупорный тигель. В последнем случае плавка ведется в так называемых установках с керамическим тиглем. Для производства стальных слитков обычно используют процесс с расходуемым электродом и охлаждаемым кристаллизатором.

Расходуемые электроды получают, выплавляя предварительно металл нужного состава в обычном сталеплавильном агрегате (чаще в дуговой сталеплавильной печи) и разливая сто на слитки или непрерывно-литую заготовку. Для получения расходуемых электродов необходимых размеров (по сечению) слитки могут подвергаться прокатке или ковке. Получаемые ЭШП слитки имеют обычно массу до 5−6 т.

Плавка в электронно-лучевых печах. Применяют для выплавки специальных сплавов и сталей и особенно для получения чистых и ультрачистых тугоплавких металлов (молибдена, ниобия, циркония и др.).

Источником теплоты в этих печах является энергия, выделяющаяся при торможении свободных электронов, пучок которых концентрируется на конце расходного электрода 3 (рис. 4.12). Получение электронов, их разгон, концентрация в луч, направление его в зону плавления осуществляются электронной пушкой 2.

Рис. 4.12. Схема электроннолучевой печи:

1 — герметичная камера; 2 — электронные пушки; 3 — расходный электрод; 4 — изложница-кристаллизатор; 5 — слиток Капли расплавленного металла падают в водоохлаждаемый кристаллизатор 4 и формируют слиток 5. Металл затвердевает при остаточном давлении 1,33 Па. Вакуум внутри печи, большой перегрев и высокие скорости охлаждения слитка способствуют удалению газов и примесей, получению металла особо высокого качества.

Однако при переплаве шихты, содержащей легкоиспаряющиеся элементы, изменяется химический состав металла.