Легирование сталей азотом из азотсодержащей плазмы

Плазменно-водородное раскисление

Плазменно-водородному раскислению подвергают прецизионные и жаропрочные сплавы, с целью восстановления оксидов на торце расходуемой заготовки и поверхности жидкой металлической ванны.

Легирование сталей азотом используется в основном при производстве хромникелевых и хромникельмарганцевых сталей. Одновременно с рафинированием металла от оксидных и сульфидных неметаллических включений происходит азотирование из газовой фазы в пределах марочного состава стали или выше предела стандартной растворимости. При этом экономятся азотированные ферросплавы и создаются стали новой композиции, которые не могут быть получены традиционными методами плавки.

Эффект влияния азота на хромникелевые и хромникельмарганцевые стали заключается в том, что он, подобно углероду, расширяет g-область, и образуя твердый раствор внедрения, повышает их прочность. Это влияние в 10¸20 раз сильнее влияния никеля и в 20¸60 раз сильнее влияния марганца. Введение в аустенитную нержавеющую сталь 0,15% азота эквивалентно 2¸4% никеля, а 0,25% азота заменяет от 2,5 до 6% никеля.

Влияние азота на структуру хромникелевых сталей видно на рис. 2.24. При стандартной растворимости азота [N]_cт минимальное содержание никеля, при котором можно получить аустенитную структуру составляет 10 %, при увеличении содержания азота до 2[N]_cт - 6%, до 3[N]_cт - 3%, и наконец при 4[N]_cт можно обойтись без никеля.

С повышением концентрации азота наблюдается значительный рост прочности этих сталей и относительно небольшое снижение пластичности. Однако если часть азота выделяется в виде нитридов, пластические свойства стали резко ухудшаются. Такого падения пластичности можно избежать, если повысить температуру нагрева стали под закалку и перевести азот из нитридов в раствор.

Предельное содержание азота в аустенитной стали зависит от ее состава. Чем выше содержание хрома и марганца - основных азотововлекающих элементов стали, тем выше равновесное содержание азота в растворе и тем выше его предельное содержание в металле.

Рис. 2.24 Структурная диаграмма низкоуглеродистых хромникелевых сталей с различным содержанием азота: а – [N]_cт (стандартная растворимость при температуре 1600 ^оС; б – 2[N]_cт; в - 3[N]_cт; г - 4[N]_cт;

В отличие от чисто аустенитных сталей в двухфазных аустенитно-ферритных сталях действие азота значительно слабее. Введение азота в такие стали приводит, прежде всего, к повышению доли аустенита в структуре. Если в исходной стали аустенита было не менее 60%, присадка азота ощутимо сказывается на прочности стали.

Однако, при больших содержаниях хрома существует опасность образования s-фазы, охрупчивающей сталь. В связи с этим в практике чаще всего производят совместное легирование марганцем и азотом, что обеспечивает получение стали со стабильной аустенитной структурой и высокой прочностью.

Преимущества ПДП по сравнению с ВДП

1. Отсутствие жесткой связи между мощностью, вводимой в печь и скоростью наплавления слитка. Это позволяет регулировать время пребывания металла в жидком состоянии.

2. Рабочее давление в плазменной печи определяется требованиями технологии и в зависимости от типа плазматрона может изменяться в широких пределах от (1-3)·10⁵ Па до 1·10 Па.

3. Хорошая поверхность слитка (более высокое давление в камере, меньше испарение, меньше корона и т.д.)

4. Незначительные потери легирующих Cr, Al, Ti, Mn и др. (более высокое давление в камере).

5. Высокая стабильность работы.

6. Возможность регулирования глубины и формы ванны, возможность создания условий для направленной кристаллизации.

7. Возможность проведения плавки под шлаком.

Недостатком проведения плавок в ПДП является большая (чем, например, ВДП и ЭШП) конструктивная сложность изготовления источника нагрева (плазмотрона) и относительно высокая стоимость эксплуатации (из-за высокой стоимости аргона).

2.4.5. Индукционно- плазменная печь

Применение плазменного нагрева как дополнительного мощного и чистого от вредных примесей источника энергии расширяет возможности открытой и вакуумной индукционной плавки. При этом возможно ускорение наиболее медленной стадии плавки в индукционных печах - плавления и повышение реакционной способности шлаков. Введение в плазмообразующий газ восстановительных и окислительных газов позволяет совместить процесс плавления с рафинированием расплава или его окислением.

Этот новый тип агрегатов для выплавки высококачественного металла получил распространение в Японии. Создана промышленная печь вместимостью 500 кг с плазматроном мощностью 200 кВт и индуктором промышленной частоты мощностью 200 кВт. Плазматрон работает на постоянном токе по схеме с подовым электродом. Рабочий ток плазматрона 2300 А, расход аргона (13-16)10^-4 м³/с Электрод из торированного вольфрама и сопло имеют ресурс работы свыше 1000 час. Футеровка печи из оксида магния. Ведутся разработки плазменно-индукционных агрегатов вместимостью до 10 т. Данное направление применения плазменного нагрева считается перспективным для электросталеплавильного производства.

Рафинирование металла (или обеспечение его высокое качество после выплавки в плазменных агрегатах) возможно также путем обработки расплава металла и шлака в ковше плазменным разрядом, например, в установках печь-ковш. Обработку жидкого металла в ковше можно вести плазменной дугой с одновременной продувкой жидкой ванны инертным газом с целью более глубокого очищения металла от вредных примесей (газов, неметаллических включений и др.). Перспективным является агрегат типа ковша с плазменным обогревом аналогичный рассмотренному выше, но в сочетании с агрегатом для разливки металла в изложницу или на машинах непрерывного (полунепрерывного) литья заготовок. При этом можно сохранить высокое качество металла, приобретенное им после обработки плазменным разрядом в ковше. При этом возникает ряд задач по обеспечению желаемой скорости разливки, защите струи металла от атмосферы и т. д., хотя они не приставляются принципиально неразрешимыми. Однако агрегатам данного типа также присущи недостатки, связанные с отсутствием мер; обеспечивающих разливку высококачественного металла без потерь качества достигнутого в результате дополнительного плазменного нагрева металла и шлака. Поэтому весьма актуальной является задача усовершенствования способа разливки металла, получаемого в плазменных печах.

Существует возможность использования плазменного нагрева непосредственно на установках разливки стали. Важными предпосылками применения плазматронов в этом случае являются высокая объемная концентрация энергии и чистота газовой фазы, возможность использования желаемого плазмообразующего газа, а так же возможность разливки в разреженной атмосфере и вакууме, простота регулирования нагрева, возможность работы со шлаковой фазой любого состава. Указанные достоинства нагрева металла позволяют решать такие сложные задачи разливки металла, как устранение внутренних дефектов и получение слитков с относительно стабильными свойствами по всему сечению. Применение плазменного нагрева, например, для обогрева верхней части слитков позволяет уменьшить физическую и химическую неоднородность крупных слитков, снизить головную обрезь слитков и т.д. Кроме того, при плазменном обогреве слитка отпадает необходимость в применении надставок.

Аналогичные задачи стоят перед металлургами при непрерывной разливки стали, например, уменьшение физической и механической неоднородности заготовок, головной обрези и т.д. В последнее время появился целый ряд предложений по использованию плазменного нагрева при непрерывной разливке стали. Например, предлагается жидкую струю металла подвергнуть прямому воздействию одного или нескольких плазменных пучков. Поток стали из ковша попадает в точку схождения трех плазменных пучков от трех плазматронов, расположенных под углом 120о друг к другу. При этом в плазматронах можно применять химически реагирующий или инертный газ; в последнем случае используется аргон или азот. Для повышения эффективности рафинирования металла при непрерывной разливке предлагается наводить электропроводный шлак на поверхности расплавленного металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе и подогревать его за счет эффекта Джоуля для поддержания шлака в жидком состоянии. Металл, поступающий в кристаллизатор в виде струи, проходя слой шлака, подвергается рафинированию, что уменьшает содержание газов, неметаллических включений и серы. Состав шлака зависти от требований, предъявляемых к процессу рафинирования, и марки стали.

2.5. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ПЛАВКА (ЭЛП)

2.5.1. Общая характеристика ЭЛП

Сущность ЭЛП заключается в переплаве металлических заготовок в электроннолучевой печи в результате их нагрева и плавления энергией электронного луча, капельном переносе электродного металла и последовательном затвердевании металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе. В отличие от ВДП и ЭШП жесткая связь источника нагрева с переплавляемой заготовкой отсутствует. Переплавляемая заготовка не участвует в электрической цепи источника нагрева и, следовательно, не является расходуемым электродом. Отсутствие связи источника нагрева с переплавляемым электродом обеспечивает широчайшие возможности для управления скоростью переплава и, в конечном итоге, кристаллизацией cлитка. Это позволяет управлять временем пребывания металла в жидком состоянии и соответственно продолжительностью обработки его вакуумом, заметно перегревать металл выше температуры плавления. Кроме того, ЭЛП осуществляют в глубоком вакууме, что увеличивает возможность рафинирования металла по сравнению с ВДП.

Возможность плавить металл электронным лучом установлена в 1879 г. У. Круксом, а первые небольшие слитки чистого тантала и других металлов получены М. Пирани, который в 1907 г. получил патент на этот способ. Развитие и внедрение в промышленность способа ЭЛП тормозилось отсутствием мощных вакуумных насосов электроннолучевых пушек. Промышленное внедрение ЭЛП можно отнести к 1958—1963 гг. Наибольшее распространение метод ЭЛП получил в США, ФРГ, Японии, ГДР и СССР. Максимальная масса слитка, произведенного методом ЭЛП, составляет 18 т.

Способ ЭЛП заключается в том, что пучок электронов высокой мощности бомбардирует шихту, расплавляет ее и нагревает до высоких температур в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе при глубоком вакууме, т.е. при давлении 66,6 мПа. ЭЛП позволяет переплавлять литые и деформированные заготовки (электроды) и шихту любого вида; получать в водоохлаждаемом кристаллизаторе слитки и фасонные отливки; выдерживать жидкий металл при низком давлении длительное время при любой температуре, что обеспечивает высокую степень дегазации и рафинирования металла.

2.5.2. Формирование электронного пучка

Сущность электронно-лучевого нагрева заключается в том, что кинетическая энергия мощного направленного потока электронов при бомбардировке ими поверхности нагреваемого материала превращается в тепловую энергию. Применение электронно-лучевого нагрева в промышленных целях стало возможным благодаря интенсивному развитию электроники, обеспечившей получение и управление мощными потоками электронов, и больших достижений в области вакуумной техники, позволивших создать эффективные вакуумные системы технологического оборудования.

Устройство для получения мощного потока электронов, их ускорения и концентрирования в пучок, направляемый в рабочее пространство, где электрическое поле отсутствует, называют электронной пушкой. Электронная пушка представляет собой трехэлектродную систему (рис. 6.14), состоящую из вольфрамового катода, управляющего электрода и кольцевого анода. Электроны, вылетающие с нагреваемого катода, формируются в электронный луч, который ускоряется за счет разности потенциалов между катодом и анодом (10—50 кВ).

Регулирование потока электронов (электронного луча) производится управляющим электродом путем изменения отрицательного потенциала по отношению к катоду. В электронно-лучевых печах необходимо поддерживать вакуум не менее 0,01 Па, так как в этом случае длина свободного пробега электронов достаточно велика, и они двигаются практически без соударений между собой и молекулами остаточного газа. Для обеспечения эффективной работы электронной пушки в печи обычно создается вакуум —10^{-3 -} 10^-5 Па.

Для управления электронным лучом, выходящим из электронной пушки, используют фокусирующую и отклоняющую системы, с помощью которых соответственно изменяют сечение потока (пучка) электронов и направляют его под заданным углом на обрабатываемое изделие.

В ЭЛП нагрев металла осуществляется потоком ускоренных электронов, генерируемых в специальных устройствах (электронных пушках). Электроны разгоняются электрическим полем, сталкиваются с переплавляемым веществом, взаимодействуя как с кристаллической решеткой в целом, так и с отдельными встречающимися микрочастицами: положительными ионами, свободными и связанными электронами. При этом электрическое поле первичных электронов вызывает соответствующее возмущение кристаллической решетки, которое проявляются в виде перемещения ионов и увеличения амплитуды их колебания, т.е. повышения температуры металла.

При резком торможении электронов часть их энергии теряется в виде излучения. При ускоряющем напряжении в десятки киловольт, которое используется в плавильных установках, возникает рентгеновское излучение. Его мощность не превышает 0,5 мощности электронного пучка, но само излучение представляет серьезную опасность для обслуживающего персонала. Поэтому величину ускоряющего напряжения ограничивают до 30-35 кВ (опасный уровень более 40кВ) и принимают специальные меры при конструировании, изготовлении и эксплуатации ЭЛП.

В ЭЛП источником свободных электронов служит накаленная спиральили пластина, т.е. катод, с которого излучается поток электронов (термоэлектронная эмиссия).

Электронный поток сжимают электромагнитным полем в луч и направляют на металлический электрод или шихту и жидкую ванну. При столкновении луча с металлом выделяется большое количество энергии, под действием которой он нагревается и плавится. Для катодов ЭЛП используют вольфрам и молибден.

В зависимости от конструктивных особенностей различают электростатические пушки с кольцевым катодом, радиальные и аксиальные.

Схематично устройство кольцевой электронной пушки, предназначенной для плавки металлических слитков, показано на рис. 2.25.

Катодом является кольцо из вольфрамовой проволоки, а анодом служит переплавляемый слиток и металл в кристаллизаторе. Электроны, вылетающие из нагретого до температуры более 2000°С катода, ускоряются разностью потенциалов между катодом и анодом (10—15 кВ), фокусируются с помощью специального электрода и направляются в сторону металла. При этом мощный поток электронов разделяется на два луча: первый луч бомбардирует конец слитка и нагревает его до температуры выше температуры плавления; второй луч падает на поверхность расплава в ванне кристаллизатора и поддерживает температуру, зависящую от условий кристаллизации конкретного металла. К достоинствам пушки с кольцевым катодом можно отнести простоту конструкции и высокий КПД; последнее объясняется тем, что все электроны, в том числе вторичные и отраженные, попадают на поверхность нагреваемого металла.

Рис.2.25 Схема электронной плавильной установки с кольцевой пушкой:

1 — переплавляемый слиток; 2 — кольцевой катод; 3 — фокусирующий электрод; 4 — кристаллизатор; 5 — ванна жидкого металла.

Основным недостатком такой пушки является небольшой срок службы кольцевого катода, который расположен близко от расплавленного металла, что приводит к попаданию паров металла на рабочую поверхность катода и преждевременному выходу его из строя. Кроме того, в пространстве между катодом и анодом образуется зона повышенного давления за счет паров металла и выделяющихся из него газов, что при давлениях более 0,01 Па может привести к появлению газового разряда с интенсивным разрушением катода. Поэтому на практике использование электронных пушек с кольцевым катодом ограничено.

Более распространены ЭЛП с радиальными пушками (устройствами для формирования электронного луча). Отличиеих заключается в том, что катод изготовляют не в виде отдельного кольца, а расчлененным на несколько участков, . работающих параллельно, и положительный потенциал прикладывают не к нагреваемому металлу, а к специальному ускоряющему электроду - аноду, в котором имеется узкая щель для прохождения электронного луча. Отделение катода от плавильного пространства узкой щелью анода препятствует попаданию выделяющихся из металла газов и паров в объем формирования электронного луча, что повышает надежность и срок службы катода.

Для исключения возможности газового разряда в конструкциях мощных аксиальных электронных пушек разделены вакуумные системы пушки и рабочего пространства печи, причем вакуумная система пушки содержит две камеры: излучателя А и промежуточную Б (рис. 2.2). В первой камере расположен катод, в качестве которого используется спираль из вольфрамовой проволоки, нагреваемая с помощью источника переменного тока с напряжением около 10 В. Электроны, вылетающие из нагретого катода, фокусируются с помощью прикатодного электрода и ускоряются за счет ускоряющего напряжения между анодом и катодом (3—5 кВ). Сформированный электронный пучок проходит через систему диафрагм и магнитных линз. На выходе пучка из пушки размещена отклоняющая система, предназначенная для создания на нагреваемом изделии пятна диаметром 5—10 мм и его перемещения по заданному закону. Благодаря тому, что камера излучателя снабжена собственной системой откачки для получения и поддержания вакуума (10^-4—10^-5мм.рт. ст.)., обеспечивается надежная работа и длительный срок службы катода и, следовательно, пушки в целом независимо от изменения давления в рабочей вакуумной камере В. Пушка снабжена вакуумным затвором, который дает возможность отсоединять пушку от печного пространства, не нарушая ее герметичности при загрузке и выгрузке печи. Другим достоинством аксиальной электронной пушки является возможность применения для плавки металлов в условиях среднего вакуума 0,1—0,5 Па, используемого для металлов с высокой упругостью пара и большим газовыделением. Промышленность выпускает аксиальные электронные пушки мощностью от 30 до 1200 кВт.

Рис. 2.26. Конструкция аксиальной электронной пушки:

1 — вакуумный клапан; 2 — прикатодный фокусирующий элемент; 3 — основной катод; 4 — камера излучателя; 5 — ускоряющий анод с диафрагмой; 6 — первая магнитная линза; 7 — система диафрагм; 8 — промежуточная камера откачки; 9 — выходная магнитная линза и отклоняющая система

2.5.3. Конструкция установок ЭЛП.

Схема типичной печи ЭЛП представлена на рис. 2.27. Основным узлом является вакуумная плавильная камера 4, толщина стенки которой составляет 10—15 мм, что обеспечивает жесткость конструкции и одновременно надежную защиту от рентгеновского изучения.

Рис. 2.27. Схема электронно-лучевой установки:

1 — площадка обслуживания; 2, 3 — вакуумные насосы; 4— камера; 5 — шток механизма подачи заготовки; 6 — привод механизма подачи; 7 — механизм вращения заготовки; 8 — заготовка; 9 — электроннолучевая пушка; 10—стробоскопическая смотровая система; 11—поворотный кристаллизатор; 12 — манипулятор; 13— слиток; 14 — шток механизма вытягивания слитка; 15 — привод механизма вытягивания.

Плавильная камера охлаждается водой. В ней размещен кристаллизатор 11, охлаждаемый умягченной водой при давлении 3—6 атм. Кристаллизаторы могут иметь различную форму, В плавильной камере или в отдельной автономной камере располагается один или несколько электроннолучевых нагревателей (пушек) 9. Подача переплавляемого материала, в частности заготовки 8, осуществляется при помощи механизма подачи. При переплаве готовок могут использоваться механизмы подачи, применяемые в вакуумных дуговых печах, с учетом того, что для установок ЭЛП не требуется мощных токоподводов. При ЭЛП могут с успехом также переплавляться брикеты, штабики, гранулы, стружка и т. д., и в этом случае предусматриваются специальные способы их подачи. Наплавленный слиток формируется в водоохлаждаемом кристаллизаторе по методу полунепрерывной разливки. Для создания наиболее выгодных условий рафинирования металла и упрощения конструкции плавильных установок поверхность жидкой ванны на протяжении всей плавки поддерживается на уровне верхнего среза кристаллизатора. Это достигается перемещением слитка по ходу плавки специальным механизмом вытягивания 14.

ЭЛП осуществляется при остаточном давлении 133∙(10^-4—10^-5) Н/м² (10^-4—10^-5мм рт. ст.). Печь имеет вакуумную систему, включающую насосы трех типов: диффузионные, бустерные и (форвакуумные) механические, которые включаются последовательно. Для рациональной загрузки и выгрузки электроннолучевые печи обеспечиваются специальными шлюзовыми устройствами. Наблюдение за плавкой осуществляется через смотровые стекла, которые защищаются от конденсации паров стробоскопической смотровой системой 10 (один или два диска с узкими щелями, расположенными перед смотровым стеклом, вращаются с большой скоростью — в случае двух дисков они вращаются в противоположные стороны; в результате стробоскопического эффекта быстро вращающиеся диски становятся как бы прозрачными; при этом резко снижается интенсивность напыления материала на смотровые стекла).

Питание печей осуществляется от высоковольтного источника постоянного тока напряжением 15—20 или 30—35 кВ и источника накала катодов.

Электронно-плавильные установки имеют системы управления, стабилизации, блокировок и аварийной сигнализации.

Существуют различные технологические схемы ЭЛП (рис. 2.28):

а) боковая подача расходуемых электродов при вертикальном расположении электроннолучевой пушки (рис. 2.28, а);

б) вертикальное расположение расходуемого электрода с использованием нескольких аксиальных пушек с электромагнитным отклонением лучей (рис. 2.28, б) или применением радиального электроннолучевого нагревателя с электромагнитным управлением лучей (рис. 2.28, в), или применением нескольких пушек с линейными лучами, отклоненными на 180° (рис. 2.28, г).

Указанные схемы отличаются условиями нагрева и величиной реакционной поверхности жидкой металлической фазы. Считают, что схема с вертикальным расположением заготовки отвечает лучшему условию протекания процесса ЭЛП.

Для повышений эффективности рафинирования в электроннолучевых печах применяют схемы переплава с использованием промежуточной емкости (рис.2.29). Эта схема обеспечивает более развитую реакционную поверхность, увеличение производительности, исключает попадание в кристаллизатор твердых кусков, иногда отваливающихся от переплавляемых электродов, и позволяет производить дополнительную обработку жидкого металла, например микролегирование редкоземельными элементами и раскисление.

Дальнейшим развитием этого направления является холодноподовое электроннолучевое рафинирование. Рафинирование осуществляется в промежуточных емкостях 1, выполненных из меди (рис. 2.30). Жидкое состояние металла и необходимый перегрев поддерживаются с помощью электроннолучевые пушек со сканирующим лучом 3. Кристаллизация металла осуществляется в водоохлаждаемом кристаллизаторе 4. Металл в первую промежуточную емкость можно подавать в виде твердых заготовок (слитков, стружки и других отходов), в жидком виде путем периодической заливки из миксера или непрерывно по специальным трубопроводам. В настоящее время обсуждается вопрос о создании электроннолучевой установки (агрегата) с холодноподовым рафинированием производительностью 50000—100000т. в год для производства нержавеющих сталей с особо низким содержанием углерода, и высокопрочных сталей.

Рис. 2.30. Схема холодноподового рафинирования:

1 — водоохлаждаемые подовые секции; 2 — жидкий металл; 3 — пушки; 4 — водоохлаждаемый кристаллизатор; 5 — слиток

2.5.4. Технология ЭЛП.

Электронно-лучевая плавка находит широкое применение для получения высокореакционных, тугоплавких (W, Mo, Nb), высокочистых металлов и для рафинирующего переплава различных марок стали и сплавов. Ее применяют для получения очень чистых по примесям цветных металлов (Pb, Sn, Sb и др.), кислороду, азоту и неметаллическим включениям шарикоподшипниковой стали для скоростных подшипников, жаропрочных, коррозионностойких и прецизионных сплавов, а также производства крупных слитков из конструкционной стали высокой степени чистоты для энергетического машиностроения. Переплав обеспечивает получение слитков с плотной макроструктурой без усадочных и ликвационных дефектов, низкое содержание газов и неметаллических включений при их высокой дисперсности и равномерном распределении, повышение служебных характеристик, магнитных и жаропрочных свойств.

В отличие от ВДП электронные плавильные установки позволяют регулировать распределение мощности между переплавляемой заготовкой и жидкой ванной; концентрировать электронный луч на поверхности жидкой ванны; нагревать металл до любой температуры и выдерживать ванну в течение любого времени при значительно более низких давлениях.

Слитки ЭЛП отличают от слитков ВДП более ярко выраженной осевой кристаллизацией и большей степенью рафинирования металла от примесей.

В то же время, при низком давлении остаточных газов, характерных для ЭЛП, газовая фаза состоит в основном из паров металла. Концентрация паров определяется перегревом металла над температурой плавления, поскольку при перегреве металла увеличиваются энергетические потери луча.

По этой причине режим электронного переплава должен удовлетворять противоречивым требованиям:

- с одной стороны, металл целесообразно сильнее нагреть для увеличения скорости рафинирования;

- с другой стороны, это приводит к росту потерь металла на испарение и ухудшает К.П.Д. установки в целом.

В связи с этим, в каждом конкретном случае целесообразно выбирать свой режим.

Как и ВДП, рафинирование ванны в ЭЛП происходят в основном за счет обработки каждой порции металла вакуумом и вследствие направленной кристаллизации наплавляемого слитка. Особенности электронного нагрева позволяют максимально использовать эти возможности рафинирования.

В отличие от ВДП в ЭЛП можно регулировать распределение мощности между переплавляемой заготовкой и жидкой ванной. Концентрируя электронный луч на поверхности жидкой ванны, металл можно легко перегреть до любой температуры и выдерживать в течении любого по длительности времени и при более низком давлении в камере, чем в ВДП.

Поверхностный нагрев металла в ЭЛП обеспечивает большой градиент температур по глубине жидкой ванны наплавляемого слитка. Это позволяет получать значительный перегрев поверхностного слоя металла при малой глубине ванны и поддерживать более плоскую форму ванны, чем при ВДП. Поэтому слиток, наплавляемый в ЭЛП, характеризуется более ярко выраженной осевой кристаллизацией, чем слиток ВДП.

В процессе ЭЛП происходит значительное рафинирование металла: до 85- 95% водорода, 70-90% азота (до 0,001%), 80% меди, 90-95% сурьмы и свинца.

Потери марганца 60-80%, хрома до 20%. Содержание кремния, серы и фосфора практически не изменяются.

Общие потери металла на испарение составляют около 4-5%.

Общее снижение содержания неметаллических включений составляет от 50 до90%.

Более низкие остаточные давления в зоне плавки, чем при ВДП, более длительная выдержка металла в жидком состоянии и возможность более высокого перегрева создают при ЭЛП более благоприятные условия для восстановления неметаллических включений углеродом. При этом возникает возможность глубокого вакуумного обезуглероживания особо низкоуглеродистых сталей. Можно также отметить следующие положительные свойства электронно-лучевого нагрева: высокая удельная мощность, безинерционность, отсутствие загрязнения обрабатываемого изделия.

Основным фактором, сдерживающим широкое применение ЭЛП в сталеплавильном производстве, является низкая производительность и, как следствие, низкий К.П.Д. Если сравнивать ВДП и ЭЛП при одинаковой мощности (150-200кВТ), то скорость плавления на ВДП - 10 кг/мин, а на ЭЛП – 0,4-0,5 кг/мин. При этом полный К.П.Д. электронной плавки составляет около 10%.

Кроме того, можно отметить следующие недостатки процесса:

1) сложность и высокая стоимость оборудования;

2) высокие капитальные затраты;

3) невозможность переплава сталей и сплавов, легированных азотом, марганцем;

4) большие и часто неуправляемые потери легирующих элементов с высокой упругостью пара, таких как, например, хром; поскольку хром входит в подавляющее большинство легированных сталей и сплавов, это обстоятельство существенно ограничивает область применения ЭЛП;

5) высокая себестоимость электронно-лучевого металла.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дембовский В. Плазменная металлургия. Прага, СНЛТ. Пер. с чешского. М., Металлургия, 1981. 280. с. с илл.
2. Клюев М.М. Плазменно-дуговой переплав. М., Металлургия, 180. 256 с. c илл.
3. Клюев М.М., Волков С.Е. Электрошлаковый переплав. – М.: Металлургия, 1984. – 208 с.
4. Калугин А.С. Электронно-лучевая плавка металлов. – М.: Металлургия, 1980. – 256 с.
5. Линчевский Б.В. Вакуумная индукционная плавка. – М.: Металлургия, 1975 – 240 с.
6. Рафинирующие переплавы стали и сплавов в вакууме / Бояршинов В.А., Шалимов А.Г., Щербаков А.И. и др. – М.: Металлургия, 1979. – 304 с.
7. Рафинирующие переплавы стали и сплавов в вакууме / Под ред. В.А. Бояршинова. – М.: Металлургия, 1979 – 304 с.
8. Латаш Ю.В., Матях В.Н. Современные способы производства слитков особого качества– Киев: Наукова думка, 1987 – 336 с.