Національна академія наук України

Інститут електрозварювання ім. Е.О.Патона

Бурнашев

Віталій Рафатович

УДК 621.745.5:669.15/26

Удосконалення плазмово-дугової гарнісажної плавки спеціальних сталей, сплавів і чистих металів

Спеціальність - 05.16.07.“

Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертація є рукописом

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор , Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, завідувач відділом.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Саєнко Володимир Якович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України,

провідний науковий співробітник;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Костяков Володимир Миколайович,

Фізико-технічний інститут металів і сплавів НАН України,

старший науковий співробітник.

Провідна організація: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться “27” вересня 2006 р. о 12-00 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. Боженко, 11.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, за адресою: 03680, Київ-150, МСП, вул. Боженко, 11.

Автореферат розісланий “15” серпня 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Киреєв Л.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Багато галузей промисловості, серед них суднобудування, енергетика, авіабудування, ракетобудування, мають потребу в розробці й освоєнні сучасних металевих матеріалів. До їхнього числа належать: нержавіючі корозійностійкі сталі, жароміцні сплави на основі нікелю й кобальту, титанові сплави, а також тугоплавкі метали. У багатьох випадках лиття тугоплавких металів і їхніх сплавів є найбільш раціональним способом формоутворення складних фасонних деталей.

Якість спеціальних сталей і сплавів, які використовуються в сучасній техніці, визначається, насамперед, хімічним складом, низьким вмістом газових домішок і неметалевих включень. Одним з ефективних методів поліпшення властивостей сталей і сплавів є їхнє розкислення та мікролегування хімічно активними елементами й лігатурами на їхній основі. При цьому найбільша увага приділяється таким елементам як ітрій, церій, цирконій, гафній, тантал, реній і рутеній. Зазначені легуючі компоненти сплавів і тугоплавких металів є активними в розплавленому стані й легко окислюються при плавці у відкритих печах. Легування рідкими елементами призводить до підвищення високотемпературної корозійної стійкості, тривалої високотемпературної міцності й пластичності. Тому спеціальні сталі й, особливо, литво з тугоплавких металів, найбільш доцільно одержувати способами спеціальної електрометалургії, такими як вакуумно-індукційна плавка (ВІП), вакуумно-дугова плавка (ВДП) і т.п.

До таких способів відноситься плазмово-дугова гарнісажна плавка (ПДГП). Її відмінними рисами є наявність концентрованого джерела нагріву - плазмової дуги, гнучке регулювання потужності, можливість використання кускової шихти й лому, мінімальний угар легуючих елементів за рахунок застосування інертної атмосфери та підвищеного тиску в камері печі.

Тому розробка й впровадження ПДГП у виробництво спеціальних сталей і сплавів, чистих металів і лігатур є актуальним завданням і представляє великий науковий і практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона НАНУ відповідно до планів науково-дослідних робіт у рамках таких тем: 20/9 “Исследование и разработка плазменно-дуговой выплавки сталей и сплавов в печи с керамической футеровкой с использованием переменного тока и комбинированных схем питания” (1979-1981 гг.); 04.05/01391 “Разработка экологически чистых технологий и оборудования для утилизации и переработки промышленных отходов с использованием низкотемпературной плазмы, индукционного и электрошлакового нагрева” (1997-2000 гг.); “Дослідити та удосконалити процеси плавки, рафінування і рециклювання металів і сплавів в водоохолоджувальних, гарнісажних та керамічних тиглях/кристалізаторах з використанням плазмово-дугового і високочастотного джерел нагріву” (1997-1999 рр.); 20/9 “Дослідити фізико-хімічні процеси і технологічні особливості відновлення, компактування і рафінування хімічно активних і тугоплавких металів, феросплавів і лігатур з використанням дугових розрядних систем, індукційного, електрошлакового і гібридних схем нагрівання” (2003-2006рр.).

Авторові належить: визначення мети і завдань досліджень, планування стратегії досліджень, основні технічні й технологічні рішення. Протягом усього періоду він є виконавцем і відповідальним виконавцем зазначених робіт.

Мета й завдання досліджень. Мета роботи - удосконалення технології виплавки спеціальних сталей, сплавів і чистих металів методом ПДГП. Для цього в роботі було потрібно вирішити наступні завдання:

- вивчити фізико-хімічні закономірності рафінування металу при плазмово-дуговій гарнісажній плавці;

- розробити технологію плавки, що забезпечує одержання металу стабільного хімічного складу, в печах з керамічним подом;

- оптимізувати склад і кількість елементів розкислювачів і модифікаторів при виплавці спеціальних сталей і сплавів;

- вивчити кінетику випаровування домішок з тугоплавких металів в умовах ПДГП;

- розробити технологію фасонного литва з тугоплавких й активних металів;

- дослідити якість і властивості виробів, отриманих методом плазмово-дугової гарнісажної плавки спеціальних сталей і сплавів, чистих металів і лігатур.

Об'єкт дослідження – технологічний процес плазмово-дугової виплавки сталей, сплавів, тугоплавких металів і лігатур.

Предмет дослідження – основні закономірності технології виплавки сталей і сплавів, чистих металів і лігатур у плазмово-дугових печах.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань й одержання основних результатів дисертаційної роботи були використані математичні методи розрахунку розчинності газів і визначення оптимальних добавок елементів-розкислювачів із застосуванням комп'ютерної програми Mathcad, методи спектральної й рентгенівської дифракційної мікроскопії для визначення неметалічних включень й їхнього розподілу в обсязі виплавленого металу, хімічного аналізу - для визначення вмісту основних легуючих елементів, а також методи механічних випробувань - для визначення службових властивостей.

Наукова новизна. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- встановлено кінетичні залежності видалення кисню й азоту, при ПДГП спеціальних сталей і сплавів, від витрати РЗМ, в печі змінного струму з керамічною футеровкою;

- вперше експериментально встановлені витратні коефіцієнти: для нікелю - 1,15, цирконію - 1,27, гафнію - 1,049, церію - 1,15, алюмінію - 1,25 й ітрію - 1,04, при плавці нікелевих сплавів в умовах ПДГП;

- вперше отримані кінетичні залежності видалення шкідливих домішок при ПДГП тугоплавких металів в мідному водоохолоджуваному тиглі (наприклад, алюмінію, заліза, кремнію, вуглецю – під час переплаву алюмотермічного хрому; вуглецю, заліза, молібдену – під час переплаву відходів танталу) з урахуванням зміни технологічних параметрів плавки;

- розроблено оптимальну технологію розкислення й мікролегування спеціальних сталей і сплавів, яка дозволила отримати якісні зливки з низьким вмістом неметалевих включень (загальний вміст 0,0035- 0,008% мас.) і домішок впровадження ([C] = 0,01-0,02%; [O] = 0,002-0,003%; [N] = 0,016-0,018%; [H] = 0,0015-0,00017% мас.).

Практична цінність отриманих результатів. Створено технологічні основи виплавки спеціальних сталей і сплавів в умовах ПДГП, і оптимізовані технології розкислення й мікролегування РЗМ і ЛЗМ. Експериментально підтверджено, що методом ПДГП можливо отримувати сталі й сплави з низьким вмістом домішок впровадження й високими службовими властивостями, що не поступаються властивостям металу, виплавленого ВІП. Експериментально вивчений вплив параметрів ПДГП в мідному водоохолоджуваному тиглі на переплав тугоплавких металів й отримання з них фасонних виливків.

Роботи проводилися разом зі ЦНДІ КМ “Прометей” (м. Санкт-Петербург, Росія), концерном “Белметресурсы” (м. Мінськ, Білорусія).

Особистий внесок здобувача. Постановка мети й завдань дослідження, вибір наукових підходів до їхнього вирішення, розрахунок розчинності азоту, оптимальних добавок алюмінію і мінімального вмісту кисню в досліджуваних матеріалах виконані особисто автором. При проведенні експериментів щодо виплавки сталей і сплавів [4, 7], тугоплавких металів і лігатур, обробці результатів, формуванні висновків, підготовці публікацій внесок автора був визначальним [2, 3, 5, 6, 12].

Автор брав участь у реконструкції устаткування для проведення даних досліджень [1, 9].

З ініціативи автора були проведені роботи з використання відходів тугоплавких металів для одержання фасонних виливків з них [8, 10, 11, 13].

Апробація роботи. Основні положення й результати роботи були повідомлені й обговорювалися на: міжнародної конференції “Високоазотисті сталі” (м. Варна, Болгарія, 1989 р.), науково-технічній конференції “Сучасні проблеми електрометалургії сталі” (м. Челябінськ, Росія, 1990 р.), I міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми зварювання, металургії й споріднених технологій” (м. Кутаїсі, Грузія, 2001 р.), конференції “Удосконалення процесів та обробка тиском у металургії й машинобудуванні” (м. Краматорськ, Україна, 2002, г.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 13 робіт, у тому числі 9 статей у наукових журналах й 4 - у збірниках наукових праць і матеріалах конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків по розділах і загальних висновків, списку літератури з 120 найменувань. Основний зміст викладений на 167 сторінках машинописного тексту. Робота містить 73 рисунка і 41 таблицю.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика роботи й обґрунтована актуальність теми, висвітлені основні положення, що виносяться на захист, а також сформульовані мета роботи й завдання, що вимагають вирішення.

У першому розділі наведений літературний огляд стану й перспектив застосування спеціальних способів плавки для виробництва спеціальних сталей, сплавів, чистих металів і лігатур. Дано обґрунтування доцільності застосування плазмово-дугової гарнісажної плавки для виробництва спеціальних сталей і сплавів. Описано фізико-хімічні процеси, що протікають при плазмово-дуговій плавці, а також зроблено аналіз експериментальних даних, отриманих при вивченні поведінки азоту й кисню в умовах плазмового нагріву. Обґрунтовано необхідність застосування плазмово-дугової гарнісажної плавки в мідному водоохолоджуваному тиглі для одержання виливків з відходів тугоплавких металів. На підставі аналізу літературних джерел показана відсутність надійних даних, необхідних для розробки устаткування й технології плазмово-дугової гарнісажної плавки. Таким чином, обґрунтована необхідність проведення відповідних досліджень.

Другий розділ присвячений опису апаратури і методики проведення експериментів по вивченню технологічних особливостей плазмово-дугової гарнісажної плавки. Описано конструкцію експериментальної плазмово-дугової гарнісажної установки з керамічним подом потужністю 120 кВт. Плавки досліджуваних матеріалів проводилися в атмосфері аргону при надлишковому тиску 290 Па.

Після наведення ванни впродовж усієї плавки з інтервалом 5 і 10 хвилин здійснювали відбір проб металу методом усмоктування в кварцові трубки. Одночасно вимірювали температуру металу контактним способом.

Найбільш часто застосовуваним розкислювачем для досліджуваних сталей є алюміній. Його залишковий вміст у хромових сталях не повинен перевищувати 0,15% мас.. Більш високий вміст алюмінію в готовому металі може призвести до теплової крихкості й утворення тріщин при зварюванні. При надлишку алюмінію можливе утворення дрібних твердих включень, видалення яких при спокійній ванні утруднено.

Тому необхідно оптимізувати кількість алюмінію, що вводить у попередній період розкислення. Найбільш сприятливим часом для розкислення металу, що виплавляється в плазмових печах з керамічним тиглем, є кінець розплавлення шихти. Розкислення й мікролегування досліджуваних матеріалів проводилося в три етапи. Перший етап - попереднє розкислення марганцем й алюмінієм. На другому етапі проводилося дифузійне розкислення всіх досліджуваних сталей алюмінієвим порошком у кількості 2 кг/т. Алюміній у шлаку відновлює оксиди заліза, марганцю, хрому. Зниження вмісту закису заліза в шлаку викликає перехід кисню з металу в шлак. На третьому етапі, перед випуском металу проводилося остаточне розкислення.

Встановлено, що в результаті розкислення алюмінієм глинозем становить приблизно 90% всіх включень в сталі. Тому остаточне розкислення проводили силікокальцієм і РЗМ.

Після остаточного розкислення метал зливали в мідну виливницю, використовуючи аргон для захисту струменя від вторинного окислення.

Отримані зливки кували на пластини й прутки, термообробляли й виготовляли зразки для визначення вмісту азоту, кисню, водню, мікрошліфи й зразки для електрохімічного виділення неметалевих включень. Зі сталі 07Х12НМФБР й 05Х12Н2М виготовляли зразки для механічних випробувань. При цьому контролювали вміст основних легуючих елементів і домішок впровадження.

Для одержання металу заданого складу при розробці технологічних процесів виплавки сталей, чистих металів і сплавів необхідно знати стандартну розчинність газів, а також вплив легуючих елементів на розчинність домішок впровадження.

Автором був проведений розрахунок стандартної розчинності азоту в досліджуваних матеріалах. Результати розрахунків показали, що з підвищенням температури розчинність азоту в досліджуваних матеріалах падає. У хромових сталях цей процес інтенсивніше, ніж у сплаві ХН55МВЦ.

Були проведені оцінні термодинамічні розрахунки константи розкислення досліджуваних сталей і сплаву, а також мінімальний вміст кисню [O]min й оптимальної добавки алюмінію [R]* у період попереднього розкислення. Результати цих розрахунків наведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Термодинаміка розкислення алюмінієм досліджуваних сталей.

Марка сталі | Параметри розрахунку | Температура, К

1723 | 1773 | 1823 | 1873 | 1923

05Х12Н2М | Константа розкислення | -5,121 | -4,784 | -4,465 | -4,164 | -3,878

Оптимальна витрата алюмінію [R]*, кг/т | 1,69 | 2,13 | 2,65 | 3,26 | 3,97

Мінімальний вміст кисню [O]min, ppm | 0,4809 | 0,8956 | 1,612 | 2,812 | 4,765

05Х14Н15МЗЦ | Константа розкислення | -5,048 | -4,713 | -4,396 | -4,096 | -3,812

Оптимальна витрата алюмінію [R]*, кг/т | 1,82 | 2,29 | 2,84 | 3,49 | 4,24

Мінімальний вміст кисню [O]min, ppm | 0,5425 | 1,007 | 1,807 | 3,142 | 5,309

07Х12НМФБР | Константа розкислення | -5,114 | -4,777 | -4,458 | -4,157 | -3,871

Оптимальна витрата алюмінію [R]*, кг/т | 1,7 | 2,15 | 2,67 | 3,28 | 3,99

Мінімальний вміст кисню [O]min, ppm | 0,4867 | 0,9062 | 1,631 | 2,844 | 4,817

Розрахунки показали, що для досліджуваних хромових сталей з ростом температури й підвищенням вмісту хрому росте вміст кисню в металі. Установлено, що підвищення витрати алюмінію від 0,5 кг/т до 5 кг/т викликає незначне підвищення розчинності азоту в хромових сталях. При цьому розчинність азоту в нікелевому сплаві залишається незмінною.

Для хромових сталей 05Х12Н2М и 07Х12НМФБР оптимальна добавка алюмінію в період попереднього розкислення згідно з розрахунками знаходиться в межах від 2 кг/т до 2,6 кг/т (табл. 1). Для сталі 05Х14Н15М3Ц вона перебуває в межах від 2 кг/т до 3 кг/т. Для нікелевого сплаву ХН55МВЦ - 2,84 кг/т. У реальних умовах плазмово-дугової гарнісажної плавки, у зв'язку з активною взаємодією металу з футеровкою, шлаками, при розливанні – з повітрям, понизити концентрацію кисню до зазначених величин неможливо.

Результати розрахунку оптимальних добавок алюмінію були використані при розробці технології розкислення досліджуваних матеріалів.

При виплавці сталей і нікелевого сплаву температура рідкого металу має вирішальне значення. Розрахунок мінімального вмісту кисню в досліджуваних матеріалах показав (табл. 1), що при збільшенні температури від 1723 до 1923 К у кілька разів підвищується вміст кисню. Тому виплавку сталей необхідно проводити при температурі 1813-1833 К.

У третьому розділі досліджені закономірності кінетики розкислення сталей і нікелевого сплаву в умовах ПДГП в печі на керамічному поді. Виявлено вплив витрати алюмінію, що вводиться у попередній період розкислення, а також РЗМ і ЛЗМ, що вводиться в період остаточного розкислення на вміст газових домішок в досліджуваних матеріалах.

Установлено, що збільшення витрати алюмінію до 2,5 кг/т в період попереднього розкислення сплаву ХН55МВЦ сприяє зростанню швидкості видалення газових домішок (кисню й азоту). З підвищенням витрати алюмінію до 3 кг/т підвищується ступінь його засвоєння до 40 %, одночасно відбувається здрібнювання зерна до сьомого номера. Ефективне зниження розчинності кисню в сплаві ХН55МВЦ досягається при концентрації алюмінію в металі вище 0,08..0,1%. Оптимальна витрата алюмінію в період попереднього розкислення сплаву ХН55МВЦ становить 2,5 кг/т.

При легуванні сплаву ХН55МВЦ цирконієм виявлено, що зі збільшенням витрати цирконію від 3 кг/т до 5 кг/т підвищується швидкість видалення кисню й азоту.

Позитивний вплив на швидкість видалення газових домішок зі сплаву ХН55МВЦ робить введення гафнію й церію в період остаточного розкислення. Автором визначена оптимальна витрата гафнію й церію, при якій визначено мінімальну кількість газових домішок і неметалевих включень. Вона склала 2 - 3 кг/т й 3 кг/т відповідно.

Проведені дослідження дозволили розробити комплексну лігатуру для остаточного розкислення й мікролегування сплаву ХН55МВЦ. Основою цієї лігатури є нікель. Інші легуючі елементи, такі як церій, цирконій, гафній, ітрій й алюміній склали від 25% до 40% складу лігатури в сумі.

Виплавку лігатури проводили в дослідно-промисловій плазмово-дуговій печі УПГ-1л оснащеній чотирма плазмотронами постійного струму й гарнісажным тиглем (рис. 2). Плавка здійснювалася в атмосфері аргону. Матеріальний баланс плавки дозволив визначити витратні коефіцієнти: для нікелю - 1,015; для цирконію - 1,27; для гафнію - 1,049; для церію - 1,15; для алюмінію - 1,25; для ітрію - 1,04.

Отримані видаткові коефіцієнти нами рекомендовано використати на практиці для розрахунку шихти при виплавці комплексних лігатур на нікелевій основі з рідкими й рідкоземельними металами.

У результаті дослідно-промислової перевірки було показано, що введення отриманої лігатури при остаточному розкисленні в сплав ХН55МВЦ призводить до підвищення ступеня засвоєння таких металів, як церій, цирконій, ітрій на 80%, що дозволило заощадити дорогі метали (рис. 3).

Визначено також, що збільшення витрати алюмінію до 2,5 кг/т у період попереднього розкислення хромових сталей 07Х12НМФБР, 05Х12Н2М сприяє збільшенню швидкості видалення кисню.

Використання силікокальцію й фероцерію в остаточний період розкислення цих сталей позитивно впливає на швидкість видалення кисню.

Збільшення витрати алюмінію від 1 кг/т до 3 кг/т в період попереднього розкислення сталі 05Х14Н15МЗЦ сприяє збільшенню швидкості видалення кисню.

Підвищення витрати цирконію в остаточний період розкислення сталі 05Х14Н15МЗЦ із 2 кг/т до 5 кг/т сприяє видаленню кисню й азоту до 0,003 % й 0,012 % відповідно.

Четвертий розділ присвячений вивченню впливу режимів розкислення й мікролегування на вміст неметалевих включень в сталях 05Х12Н2М, 07Х12НМФБР, 05Х14Н15М3Ц і сплаві ХН55МВЦ, а також впливу газових домішок на структуру й механічні властивості досліджуваних матеріалів.

Зі збільшенням витрати алюмінію в попередній період розкислення сплаву ХН55МВЦ до 3 кг/т відбувається здрібніння зерна з 5-го до 7-го номера, що позитивно впливає на його механічні властивості.

Найменша кількість неметалевих включень у сплаві ХН55МВЦ виявлена при витраті цирконію 3 кг/т.

Також було встановлено, що підвищення витрати гафнію в період остаточного розкислення сплаву ХН55МВЦ до 3 кг/т приводить до зниження вмісту в ньому неметалевих включень і зменшення їхніх розмірів. Встановлено, що при цьому відбувається зменшення розміру зерна з 5-го до 8-го номера.

Визначені автором оптимальні режими розкислення сплаву ХН55МВЦ дозволяють понизити загальний вміст Н.В. в 1,5-2 рази в порівнянні з базовою технологією.

При витраті алюмінію в період попереднього розкислення сталі 07Х12НМФБР 3 кг/т її забруднення неметалевими включеннями мінімальне. Механічні властивості цієї сталі залежать від залишкового вмісту азоту. Підвищення вмісту азоту в сталі 07Х12НМФБР більше 0,02% приводить до погіршення механічних властивостей приблизно на 15 - 30% (рис. 4).

Мінімальний вміст Н.В. у сталі 05Х12Н2М визначено при витраті алюмінію в період попереднього розкислення 2 кг/т. Застосування силікокальцію, церію, ітрію й цирконію в період остаточного розкислення знижує вміст Н.В. у цій сталі приблизно в 2 рази (табл. 3).

Зі збільшенням витрати алюмінію від 0 до 2 кг/т відбувається підвищення механічних властивостей сталі 05Х12Н2М (рис. 5). Подальше збільшення витрати алюмінію до 5 кг/т приводить до зниження механічних властивостей на 20 - 30%. Введення в остаточний період розкислення силікокальцію призводить до підвищення механічних властивостей на 30 - 40%.

В процесі даних досліджень був виявлений вплив азоту на службові властивості сталі 05Х12Н2М. Встановлено, що при підвищенні вмісту азоту від 0,25 до 0,55% відбувається зниження границі міцності в, границі текучості 02, а також ударної в'язкості в середньому на 30%.

На підставі проведених досліджень були запропоновані оптимальні режими розкислення й мікролегування досліджуваних матеріалів (табл. 3).

Таблиця 3

Залишковий вміст розкислювачів і газових домішок при оптимальних режимах розкислення

Марка

сплаву | Режими розкислення (витрата розкислювачів), кг/т | Залишковий вміст елементів, % мас. | Оксиди

% об. | Вміст газових домішок, % мас.

Випередить. | Остаточне

Al | Mn | Al | Ca | SiCa | Ce | Y | Zr | Hf | Al | Mn | Ce | Y | Zr | [O] | [N] | [H]

05Х15Н15М3Ц | 2 | 17 | 0,5– | – | – | – | | 5– | | 0,21 | 1,55– | – | | 0,13 | 0,012 | 0,004 | 0,013 | н. д

3 | 17 | 0,5–––– | 5– | | 0,24 | 1,58– | – | | 0,12 | 0,016 | 0,003 | 0,012 | н. д

ХН55МВЦ | 2,5 | 17 | 0,5––– | 1 | 3– | 0,14 | 1,5– | 0,01 | 0,08 | 0,048 | 0,0061 | 0,029 | н. д

2,5 | 17 | 0,5–– | 3 | 1 | 2 | 2 | 0,2 | 1,3 | 0,025 | 0,002 | 0,03 | 0,039 | 0,0037 | 0,031 | н. д

2,5 | 17 | 0,5–– | 3 | 1 | 2 | 3 | 0,14 | 1,45 | 0,02 | 0,004 | 0,05 | 0,043 | 0,0039 | 0,026 | н. д

07Х12НМФБР | 2,5 | 15 | 0,5 | 1–––– | – | | 0,15 | 0,84– | – | – | | 0,084 | 0,0078 | 0,024 | 410-4

3,5 | 15 | 0,5 | 1––––– | | 0,2 | 0,75– | – | – | | 0,0384 | 0,0092 | 0,004 | 810-4

05Х12Н2М | 2 | 15 | 0,5– | 1 | 1,5––– | 0,08 | 0,8––– | 0,045 | 0,0008 | 0,03 | 210-4

2 | 15 | 0,5––– | 1–– | 0,09 | 0,6––– | 0,0381 | 0,0039 | 0,026 | 110-4

2 | 15 | 0,5–––– | 0,5– | 0,08 | 0,7––– | 0,0895 | 0,0035 | 0,023 | 1,510-4

П'ятий розділ присвячений розробці технології ПДГП тугоплавких металів. Тут досліджена кінетика видалення домішок з тугоплавких металів.

Для хрому ці дослідження показали, що основна частина домішок випаровується й спливає в початковий період часу. Основне рафінування хрому від домішок відбувається в початковий період розплавлювання й витримки під плазмою, тривалість якого залежить від обсягу металу, що рафінується. В результаті переплаву відбувається зниження вмісту вуглецю в 2,5 рази, алюмінію - в 10 разів, заліза - в 2 рази, кремнію - на 30 %.

У представленій роботі були проведені експерименти по дослідженню впливу плазмово-дугового переплаву на кінетику видалення домішок з відходів танталу.

Методами спектрального й хімічного аналізу було визначено, що основними домішками в досліджуваних відходах танталу є залізо, марганець, вуглець і молібден.

Загалом, слід зазначити, що вуглець, залізо й молібден випаровуються або спливають у вигляді включень протягом усього часу впливу на зразок плазмою. Збільшення сили струму від 650 А до 750 А, а також застосування в якості плазмоутворюючого газу суміші аргону й гелію (у співвідношенні “один до одного” по об’єму) призводить до збільшення швидкості видалення домішок.

Що стосується кінетики випаровування марганцю, то встановити якої-небудь закономірності не вдалося через його сильне випаровування на самому початку розплавлення. Після впливу плазми на танталові зразки протягом 360 с марганець не був виявлений.

Матеріальний баланс домішок показав, що при впливі плазмової дуги на відходи танталу відбувається інтенсивне рафінування від вуглецю в 10 - 12 разів, заліза - в 15 разів, молібдену - в 3 - 6 разів, і повністю від марганцю.

Усі вище наведені дані були використані при розробці режимів плавки, а також литва фасонних виробів з них методом плазмово-дугової гарнісажної плавки в мідному водоохолоджуваному тиглі. Дослідження проводилися на установці УПГ-1л (рис. 2). Експерименти починали з того, що завантажували шихту в мідний водоохлоджуваний тигель ємністю 1000 см3. Потім вакуумували піч. Відкачку робочого простору робили до 1·10-1 МПА. Після цього камера печі промивалася аргоном. При досягненні робочого тиску 0,15 МПА проводили розплавлення шихти. Після повного розплавлення шихти здійснювали злив металу у виливницю (ливарну форму) за допомогою поворотного механізму тигля, що забезпечує поворот тигля навколо його центральної осі на 750. Час зливу металу склало 5-15 с.

При проведенні цих експериментів вивчався вплив технологічних параметрів плавки на коефіцієнт зливу рідкого металу:

де: М – маса металу, злитого з тигля, кг; МУ - маса металу, розплавленого в тиглі, кг.

Результати цих досліджень показали, що застосування таких технологічних заходів, як використання для плавки вольфраму, молібдену і його сплавів у якості плазмоутворюючого газу суміші аргону й гелію в співвідношенні “один до одного” (по об’єму), підвищення потужності нагріву від 60 до 100 кВт, збільшення часу витримки під плазмою, підвищення сумарної сили струму до 2000 А, призводить до значного підвищення коефіцієнта зливу тугоплавких металів через їхній перегрів.

Виливки з вольфраму, танталу і їх сплавів (рис. 6) зазнають сильного впливу усадочних і фазових напруг. Однак, найбільш уразливі щодо напруг і тріщин виливки із хрому.

Форми для одержання виливків з тугоплавких металів необхідно виготовляти із припуском для молібдену, вольфраму, ніобію – 3 мм на сторону, а хрому – 5 мм на сторону.

Кількість домішок впровадження в отриманих виливках (табл. 4) знаходиться на необхідному рівні, незважаючи на те, що отримані заготовки виплавлені з відходів виробництва тугоплавких металів.

Проведені металографічні дослідження показали (рис. 7), що структура отриманих за оптимальними режимами виливок щільна, тріщини й нещільності відсутні, дефектів литва не виявлено.

Таблиця 4.

Вміст домішок впровадження в досліджуваних металах

Метал | Вміст домішок, % мас.

C | Si | O | N | Al

Mo | 0,012 | 0,04 | 0,06 | 0,04 | 0,63

W | 0,01 | 0,05 | 0,03 | 0,02 | -

Cr | 0,09 | 0,11 | 0,15 | 0,12 | 0,25

Nb | 0,009 | 0,024 | 0,01 | 0. 008 | -

W+Ni | 0,01 | 0,07 | 0,04 | 0,03 | -

Отримані результати дозволяють зробити висновок про перспективність використання плазмово-дугової гарнісажної плавки для одержання фасонних виливок з тугоплавких металів і сплавів на їхній основі із залученням відходів промислового виробництва.

ВИСНОВКИ

1. Отримав подальший розвиток спосіб виплавки високолегованих сплавів і тугоплавких металів у плазмово-дугових гарнісажных печах змінного й постійного струму з керамічною футеровкою і водоохолоджуваним тиглем.

2. Уточнено аналітичні залежності для визначення кількості алюмінію, що вводиться в період попереднього розкислення. Для хромових сталей 05Х12Н2М и 07Х12НМФБР оптимальна добавка склала 2-2,6 кг/т, для сталі 05Х14Н15М3Ц – 2-3 кг/т, для сплаву ХН55МВЦ – 2,84 кг/т. Температуру виплавки досліджуваних матеріалів необхідно підтримувати на рівні 1813-1833С.

3. Розроблено оптимальну технологію розкислення й мікролегування досліджуваних матеріалів, яка дозволила отримувати якісні зливки з низьким вмістом неметалевих включень (загальний вміст 0,0035 - 0,008% мас.) і домішок впровадження ([C] = 0,01-0,02%; [O] = 0,002-0,003%; [N] = 0,016-0,018%; [H] = 0,0015-0,00017% мас.).

4. Отримано кінетичні залежності видалення кисню й азоту від витрати РЗМ при ПДГП спеціальних сталей і сплавів у печах змінного струму з керамічною футеровкою.

5. Показано, що за рахунок більш високого ступеня розкислення й мікролегування металу РЗМ в умовах ПДГП службові характеристики сплавів на основі заліза й нікелю підвищуються на 30-40%.

6. Експериментально встановлені видаткові коефіцієнти: для нікелю – 1,15, цирконію – 1,27, гафнію – 1,049, церію – 1,15, алюмінію – 1,25 й ітрію – 1,04, при плавці нікелевих сплавів в умовах ПДГП.

7. Отримано кінетичні залежності видалення шкідливих домішок при ПДГП тугоплавких металів в мідному водоохолоджуваному тиглі (наприклад, алюмінію, заліза, кремнію, вуглецю - при переплаві алюмотермічного хрому; вуглецю, заліза, молібдену - при переплаві відходів танталу) з урахуванням зміни технологічних параметрів плавки.

8. Показано, що застосування ПДГП в мідному водоохолоджуваному тиглі дозволяє знизити вміст шкідливих домішок у кілька разів і доцільно для виробництва виливок із тугоплавких і хімічно активних металів, виплавки лігатур, що містять РЗМ і ЛЗМ.

Основний зміст дисертації опублікований у наступних роботах:

1. Грановский В.К., Торхов Г.Ф., Латаш Ю.В., Шехтер С.Я., Бурнашев В.Р., Должиков В.В. Исследования особенностей азотирования сплавов на основе железа в плазменно-дуговой керамической печи переменного тока // СЭМ. – 1981. – №47. – С. 46-120.

2. Латаш Ю.В., Грановский В.К., Бурнашев В.Р, Торхов Г.Ф., Игнатенко А.Г., Хохлов А.А. Исследование поведения кислорода и азота при выплавке высокохромистых сталей и жаропрочного высоконикелевого сплава в плазменно-дуговой печи переменного тока // СЭМ. – 1987. – №63. – С. 66-70.

3. Латаш Ю.В., Торхов Г.Ф., Бурнашев В.Р., Грановский В.К., Грищенко Т.И., Хохлов А.А., Игнатенко А.Г., Кичигин И.Б. Влияние различных раскислителей на поведение газовых примесей и неметаллических включений при выплавке коррозионностойкой стали в плазменно-дуговой печи переменного тока // СЭМ. – 1989. – №68. – С. 77-84.

4. Бурнашев В.Р., Жаров А.А., Игнатенко А.Г., Кичигин И.Б., Хохлов А.А. Выбор оптимального режима раскисления хромистой стали плазменной выплавки // Судостроительная промышленность, серия “Металловедение. Металлургия”. – 1988. – вып. 8. – С. 43-47.

5. Латаш Ю.В., Торхов Г.Ф., Бурнашев В.Р., Грищенко Т.И., Грановский В.К., Артемова Е.Н., Игнатенко А.Г., Хохлов А.А. Влияние различных режимов раскисления на содержание газовых примесей и неметаллических включений в сплаве ХН55МВЦ, выплавленном в плазменно-дуговой печи переменного тока // ПроСЭМ. – 1989. – №1. – С.55-60.

6. Бурнашев В.Р., Латаш Ю.В., Торхов Г.Ф., Хохлов А.А. Поведение азота при микролегировании хромоникелевых сталей и никелевого сплава некоторыми элементами III и IV групп в условиях плазменной плавки // доклад междунар. конф. “ВАС-89”. – Варна. – 1989 г.. – т1. – С. 203-205.

7. Хохлов А.А., Бережко Б.И., Игнатенко А.Г., Шелгаев Ю.Н., Бурнашев В.Р. Совершенствование выплавки и производства труб из двухфазной стали марки 05Х12Н2М // тезисы 7-й н.к. “Современные проблемы электрометаллургии стали” - Челябинск. – 1990. – С. 52.

8. Латаш Ю.В., Торхов Г.Ф., Бурнашев В.Р. О возможности применения плазменно-дуговой гарнисажной плавки для выплавки комплексных лигатур из химически активных металлов // ПроСЭМ. – 1993. – №2. – С. 39-43.

9. Лобанов М.М., Логинов В.П., Бурнашев В.Р., Торхов Г.Ф., Плазмо-термическое восстановление чистых металлов из их окислов // ПроСЭМ. – 1997. – №1. – С.

10. Латаш Ю.В., Бурнашев В.Р., Лихобаба АВ., Торхов Г.Ф. Особенности получения слитков хрома методом плазменно-дугового переплава. // ПроСЭМ, – 2001. – № 2. – С.22-65.

11. Шаповалов В.А., Бурнашев В.Р., Жадкевич М.Л., Якуша В.В. Плазменно-дуговые технологии получения крупных профилированных монокристаллов и фасонных отливок из тугоплавких металлов и их сплавов // сб. докладов VI междунар. научн.-техн. конф. “Сварка, металлургия и родственные технологии”. – Кутаиси. – 2001. – С.52-62.

12. Бурнашев В.Р., Грановский В.К., Жадкевич М.Л., Шаповалов В.А., Грищенко Т.И. Качество деформированных хромистых сталей плазменной выплавки // сб. докладов “Удосконалення процесів та обробка тиском в металургії і машинобудуванні”. – Краматорск. – 2002. – С.

13. Бурнашев В.Р., Жадкевич М.Л., Шаповалов В.А. Плазменно-дуговая гарнисажная плавка и литьё тугоплавких металлов и сплавов // ПроСЭМ – 2002. – №2. – С.35-38.

АННОТАЦИЯ

Бурнашев В.Р. Совершенствование плазменно-дуговой гарнисажной плавки специальных сталей, сплавов и чистых металлов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.07. “Металлургия высокочистых металлов и специальных сплавов” - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2006 г.

Диссертация посвящена оптимизации технологии выплавки металлов и сплавов в условиях плазменно-дуговой гарнисажной плавки.

Рассмотрено современное состояние методов специальной электрометаллургии сталей и сплавов ответственного назначения, чистых металлов и лигатур, и обоснована необходимость выполнения работы.

Показано, что для выплавки специальных сталей и сплавов, легированных РЗМ и ЩЗМ целесообразно применять плазменно-дуговую гарнисажную плавку в печах с керамическим подом, а для чистых металлов и лигатур – ПДГП в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе.

Рассчитаны оптимальные добавки алюминия в предварительный период раскисления. Для хромистых сталей 05Х12Н2М и 07Х12НМФБР оптимальная добавка составила 2-2,6 кг/т, для стали О5Х14Н15НМФБР – 2-3 кг/т, для сплава ХН55МВЦ – 2,84 кг/т.

По данным проведенных исследований выбраны оптимальные режимы раскисления и микролегирования исследуемых материалов.

В результате экспериментальных и промышленных плавок установлено, что полученные в условиях ПДГП стальные отливки имеют низкое содержание неметаллических включений (общее содержание 0,0035-0,008 % мас.) и примесей внедрения ([C] = 0,010,02%; [O] = 0,0020,003 %; [N] = 0,0160.018 %; [H] = 0,00150,00017 % мас.).

Установлено, что применение комплексных лигатур при микролегировании никелевых сплавов приводит к повышению усвояемости легирующих элементов до 70-80 %. Микролегирование никелевых сплавов гафнием и церием приводит к повышению прочностных характеристик.

Определено, что в исследуемых материалах, выплавленных по оптимальным режимам раскисления и микролегирования, содержание неметаллических включений снижается в два раза. При этом их механические свойства повышаются на 30-40 %.

Экспериментально изучено влияние плазменно-дуговой гарнисажной плавки в медном водоохлаждаемом тигле на ее технологические показатели. Это позволило рекомендовать рациональные режимы переплава тугоплавких металлов и их сплавов. ПДГП в медном водоохлаждаемом тигле тугоплавких металлов позволяет снизить содержание неметаллических включений в несколько раз.

Показано, что применение ПДГП в медном водоохлаждаемом тигле целесообразно для получения отливок из тугоплавких и химически активных металлов и их сплавов, выплавки лигатур, содержащих РЗМ и ЩЗМ.

Ключевые слова: плазменно-дуговая гарнисажная плавка, керамический под, медный водоохлаждаемый тигель, специальные стали и сплавы, алюминий, РЗМ, тугоплавкие металлы.

АНОТАЦІЯ

Бурнашев В.Р. Удосконалення плазмово-дугової гарнісажної плавки спеціальних сталей, сплавів і чистих металів.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.07. “Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів” - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2006 р.

Дисертація присвячена оптимізації технології виплавки металів і сплавів в умовах плазмово-дугової гарнісажної плавки.

Розглянуто сучасний стан методів спеціальної електрометалургії сталей і сплавів відповідального призначення, чистих металів і лігатур, і обґрунтована необхідність виконання роботи.

Показано, що для виплавки спеціальних сталей і сплавів, легованих РЗМ і ЛЗМ доцільно застосовувати плазмово-дугову гарнісажну плавку в печах із керамічним подом, а для чистих металів і лігатур - ПДГП у мідному водоохолоджуваному кристалізаторі.

Розраховано оптимальні добавки алюмінію в попередній період розкислення. Для хромистих сталей 05Х12Н2М і 07Х12НМФБР оптимальна добавка склала 2-2,6 кг/т, для сталі О5Х14Н15НМФБР - 2-3 кг/т, для сплаву ХН55МВЦ - 2,84 кг/т.

За даними проведених досліджень визначені оптимальні режими розкислення та мікролегування досліджуваних матеріалів.

В результаті експериментальних і промислових плавок установлено, що отримані в умовах ПДГП сталеві виливки мають низький вміст неметалевих включень (загальний вміст 0,0035-0,008 % мас.) і домішок впровадження ([C] = 0,01(0,02%; [O] = 0,002 - 0,003 %; [N] = 0,016 - 0.018; [H] = 0,0015 - 0,00017 % мас.).

Ключові слова: плазмово-дугова гарнісажна плавка, керамічний під, мідний водоохолоджуваний тигель, спеціальні сталі та сплави, алюміній, РЗМ, тугоплавкі метали.

THE ABSTRACT

Burnashev V.R. Perfection of technology of smelting of special steels , alloys, and pure metals by method of the plasma-arc scull melting.

Thesis for a Candidate of Technical Sciences Degree in speciality 05.16.07. – Metallurgy of High-Purity Metals and Special Alloys. – The E.O.Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.

The dissertation is devoted to optimization of technology of smelting of metals and alloys in conditions of the plasma-arc scull melting.

The contemporary state-of-the-methods of special electrometallurgy of steels and alloys of responsible purposes, pure metals and alloying elements surveyed, and necessity of performance of work is proved.

It is shown, that for smelting of special steels and the alloys alloyed rare-earth and alkaline-earth metal it is expedient to apply the plasma-arc scull melting in furnaces with ceramic bottom plate, and to pure metals and alloys –plasma-arc scull melting in a cooper water-chilled mold –is necessary

Key words: plasma-arc scull melting; ceramic bottom plate; cooper water-chilled mold; special steels and alloys, rare-earth refractory metals

Підп. до друку 29.06.2006 . Формат 6090/16. Папір офс.№1.Офс. друк. Ум. друк. арк.1,12. Ум. Фарбо-відб. 1.01.Тираж 120. Замовлення №

ПОД ІЕС ім. Є. О. Патона , 03680, Київ-150, МСП, вул. Антоновича, 69