Спецэлектрометаллургия сталей и сплавов

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. А. Павлов, Е. Ю. Лозовая, А. А. Бабенко

СПЕЦЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ
СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки
22.03.02, 22.04.02 — Металлургия

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2018

УДК 669.187(075.8)
ББК 34.327.4я73
          П12

Рецензенты:
д‑р техн. наук, проф. Е. В. Протопопов, канд. техн. наук, доц. С. В. Фей‑
лер (кафедра металлургии черных металлов ФГБОУ ВО «Сибирский го‑
сударственный индустриальный университет»);
канд. техн. наук, ст. науч. сотр. О. В. Заякин (ФГБУН институт металлур‑
гии Уральского отделения Российской академии наук)

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. А. В. Жданов

 
Павлов, В. А.
П12    Спецэлектрометаллургия сталей и сплавов : учебное пособие / В. А. Пав‑
лов, Е. Ю. Лозовая, А. А. Бабенко. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 
2018. — 168 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2395‑1

В пособии изложены теоретические и технологические основы специальных 
процессов электроплавки металлов и сплавов в вакуумно‑дуговых, электрошла‑
ковых, электронно‑лучевых, плазменно‑дуговых, гарнисажных и индукционных 
печах.

Библиогр.: 25 назв. Табл. 19. Рис. 68.

УДК 669.187(075.8)
ББК 34.327.4я73

ISBN 978‑5‑7996‑2395‑1 
 © Уральский федеральный 
 
      университет, 2018

Оглавление

Введение ................................................................................................. 6

1. Теоретические основы спецметаллургии ............................................ 7

1.1. Испарение летучих примесей и основных 
        компонентов сплава при плавке в вакууме ............................... 7
1.2. Термодинамика испарения металлов ........................................ 7
1.3. Давление паров металлов над сплавами .................................. 11
1.4. Скорость испарения металлов в вакууме ................................. 13
1.5. Удаление растворенных газов (водорода и азота) в вакууме ... 16
1.6. Удаление неметаллических включений 
        при рафинирующих переплавах в вакууме .............................. 18
1.7. Всплывание включений и переход границы  
        металл — газовая фаза .............................................................. 19
1.8. Термическая диссоциация неметаллических включений ...... 21
1.9. Взаимодействие оксидов с углеродом,  
        растворенным в жидкой стали ................................................. 22
Вопросы для самоконтроля ............................................................ 23

2. Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) ................................................. 25

2.1. Принцип действия и устройство установок  
        вакуумно‑дугового переплава .................................................. 27
2.2. Особенности электрического дугового разряда в вакууме ...... 30
2.3. Характеристики установок ВДП .............................................. 32
2.4. Системы электропитания и вакуумирования  
        установок ВДП ......................................................................... 33
2.5. Технология процесса ВДП ....................................................... 34
2.6. Процесс кристаллизации металла  
        и формирование слитка ........................................................... 39
2.7. Качество и сортамент металла ВДП......................................... 42
Вопросы для самоконтроля ............................................................ 43

Оглавление

3. Гарнисажный переплав .................................................................... 45

3.1. Конструкция гарнисажной печи .............................................. 45
3.2. Технология выплавки титановых сплавов  
        в гарнисажной печи .................................................................. 48
3.3. Подготовка шихтовых материалов ........................................... 51
3.4. Приготовление прессованного блока электрода ..................... 55
3.5. Переплав титановых сплавов в гарнисажных печах ................ 55
Вопросы для самоконтроля ............................................................ 58

4. Электрошлаковый переплав (ЭШП) ............................................... 60

4.1. Флюсы для электрошлакового переплава ............................... 65
4.2. Основные физико‑химические процессы при ЭШП ............. 71

4.2.1. Окисление шлака и передача кислорода через 
           шлак к жидкому металлу ................................................ 72
4.2.2. Поведение некоторых легирующих элементов 
           стали в процессе ЭШП ................................................... 73
4.2.3. Удаление серы из металла при ЭШП ............................. 74
4.2.4. Влияние ЭШП на содержание газов .............................. 78
4.2.5. Поведение неметаллических включений при ЭШП ..... 80

4.3. Технология электрошлакового переплава ............................... 82
4.4. Технология производства стали методом ЭШП ..................... 93
4.5. Технология производства ферротитана методом ЭШП ......... 98

4.5.1. Шихтовые материалы ..................................................... 98
4.5.2. Производство ферротитана ...........................................100
4.5.3. Достоинства и недостатки электрошлакового 
           способа производства ферротитана ..............................103
Вопросы для самоконтроля ...........................................................104

5. Электронно-лучевой переплав (ЭЛП) ............................................105

5.1. Нагрев и плавление металла электронным лучом ..................107
5.2. Устройство электронных плавильных установок...................109

5.2.1. Установки ЭЛП с кольцевым катодом..........................109
5.2.2. Установки ЭЛП с радиальными пушками ....................111
5.2.3. Установка ЭЛП с аксиальными пушками ....................112

5.2.4. Установки ЭЛП с плосколучевыми пушками .....................114
5.3. Конструкции установок ЭЛП .................................................115
5.4. Технологические особенности ЭЛП .......................................117
5.5. Металлургические особенности ЭЛП ....................................121
5.6. Сортамент металлов, сталей и сплавов,  
        подвергаемых ЭЛП ..................................................................122
Вопросы для самоконтроля ...........................................................123

Оглавление

6. Плазменно-дуговой переплав (ПДП) ..............................................124
Вопросы для самоконтроля ...........................................................131

7. Индукционный переплав ..................................................................132

7.1. Конструкции индукционных печей ........................................133
7.2. Устройство и принцип действия канальной 
        индукционной печи ................................................................134
7.3. Устройство тигельной печи .....................................................137
7.4. Технология выплавки стали и сплавов  
        в индукционной печи ..............................................................144

7.4.1. Выбор футеровки ...........................................................144
7.4.2. Загрузка шихты ..............................................................145
7.4.3. Расплавление шихты .....................................................147
7.4.4. Ошлакование расплава ..................................................148
7.4.5. Процесс окисления ........................................................150
7.4.6. Процессы раскисления и рафинирования ...................152
7.4.7. Разливка стали ...............................................................155
7.4.8. Технико‑экономические показатели работы  
            тигельной печи ..............................................................156
Вопросы для самоконтроля ...........................................................157

8. Сравнение переплавных процессов ..................................................159

Заключение ..........................................................................................163

Список библиографических ссылок .....................................................164

Введение

С

овременная техника и особенно такие ее области, как раке‑
то‑ и самолетостроение, предъявляют исключительно высо‑
кие требования к свойствам и качеству выплавляемых метал‑
лов и сплавов.
Всем этим требованиям удовлетворяют металлы и сплавы, выплав‑
ляемые в современных специальных плавильных агрегатах, к которым 
относятся все печи переплавных процессов: индукционные печи, ва‑
куумно‑дуговые (ВДП), электрошлаковые (ЭШП), электронно‑луче‑
вые (ЭЛП), плазменно‑дуговые (ПДП) и гарнисажные (ГРЭ).
Разнообразие факторов (высокотемпературный перегрев, капель‑
ный перенос, направленная кристаллизация) и рафинирующих сред 
(шлаки, флюсы), вакуум, инертная среда обеспечивают глубокое, пол‑
ное рафинирование металла от большинства примесей (газы, цветные 
металлы, вредные примеси типа серы, неметаллические включения) 
и высокое качество получаемого металла.
Вместе с тем переплавы обеспечивают условия, близкие к зональ‑
ной перекристаллизации и получению новой структуры, подавляют 
ликвационные процессы и способствуют получению однородного со‑
става металла, близкого к исходному в начале и конце переплава, не‑
зависимо от коэффициента распределения легирующих элементов.

1. Теоретические основы спецметаллургии

1.1. Испарение летучих примесей и основных компонентов 
сплава при плавке в вакууме

Б

ольшое количество примесей элементов, растворенных в жид‑
кой стали, обладают меньшим химическим сродством к кисло‑
роду, чем железо. Поэтому их окисление и удаление в условиях 
окислительного сталеплавильного процесса невозможно. Оставшиеся 
в стали вредные примеси после завершения процесса рафинирования 
в агрегате ухудшают ее свойства. Вместе с тем многие из этих приме‑
сей при температурах сталеплавильных процессов обладают высоким 
давлением насыщенного пара и поэтому весьма склонны к испарению. 
Чем ниже давление газовой фазы над жидким сплавом, тем более бла‑
гоприятны условия для удаления летучих примесей из расплава за счет 
их испарения. Поэтому, именно вакуум является той рафинирующей 
средой, в которой удается снизить содержание примесей цветных ме‑
таллов в сталях и сплавах. Далее рассмотрим основные закономерно‑
сти процессов испарения металлов при высоких температурах.

1.2. Термодинамика испарения металлов

Чистый металл (твердый или жидкий), находящийся в равновесии 
со своим паром, представляет собой однокомпонентную систему, фа‑
зовая диаграмма которой в координатах давление (Р) — температура (Т) 
представлена на рис. 1.1 [1]. Равновесие газовой и конденсированных 
фаз соответствует кривой АОВ, состоящей из двух ветвей:
· АО — кривая сублимации;
· ОВ — кривая испарения.

1. Теоретические основы спецметаллургии

В зависимости от температу‑
ры в системе устанавливается 
одно из двух возможных равно‑
весий «твердое — пар» или «жид‑
кость — пар».
Эти равновесия динамические, 
т. е. в единицу времени число мо‑
лекул, покидающих поверхност‑
ный слой жидкой или твердой фаз, 
равно числу молекул, переходя‑
щих в конденсированное состо‑
яние. В соответствии с правилом 
фаз, при заданной температу‑
ре давление пара в системе, где 
присутствуют конденсированная 
и паровая фазы, будет постоян‑
ным. Это постоянное давление пара называется давлением (или упру‑
гостью) насыщенного пара.
Для случая плавки металла в вакууме особое значение имеет кривая 
ОВ (кривая испарения) и область диаграммы над и под этой линией.
Если обозначить давление насыщенного пара данного металла че‑
рез Рн, то в зависимости от фактического давления паров данного ме‑
талла над жидкостью, в системе возможны следующие процессы:
· точка 1 Р = Рн — равновесие;
· точка 2 Р < Рн — испарение;
· точка 3 Р > Рн — конденсация металла из газовой фазы.
Зависимость давления насыщенного пара над жидким металлом от тем‑
пературы можно получить из уравнения Клаузиуса‑Клапейрона [2]:

 
dP
dV
VT
=
l
D
, 
(1.1)

где l — теплота испарения, Дж/кг; DV — разность молярных объемов 
пара и конденсированной фазы.
Поскольку температура Т значительно ниже критической, объе‑
мом жидкой фазы можно пренебречь по сравнению с объемом пара, 
т. е. принять, что

 
DV
V
»
пар. 
(1.2)

Рис. 1.1. Фазовая диаграмма 
однокомпонентной системы

1.2. Термодинамика испарения металлов

Кроме того, при не слишком высоком давлении пара можно счи‑
тать, что пар подчиняется основному закону идеального газа,

 
PV
RT
пар =
, 
(1.3)

где R — газовая постоянная, Дж/кг · К.
Тогда уравнение Клаузиуса‑Клапейрона можно преобразовать сле‑
дующим образом [1, 2]:

 

1

2

2

2

2

P

dP
dt
RT
d
P
dT
RT

d
P
R
dT
T

P
R

dT
T
i

=

=

=
ґ

=
ґ
+

м

н

п
п
п
п

т

l

l

l

l

;

ln
;

ln
;

ln
,
о

п
п
п
п

 
(1.4)

где i — химическая постоянная.
Для интегрирования этого уравнения необходимо учесть, что вели‑
чина λ зависит от температуры:

 
d
dT
C
C
C
p
p
p

l =
=
-
D
(
)
(
)
пар
жид, 
(1.5)

где Ср — удельная теплоемкость пара и жидкости, Дж/кг·К.
С учетом известной зависимости теплоемкости от температуры по‑
лучаем:

 

С
a
aT
a T

C
a
aT
a T

a T
a T
a T

р

p

= ў +
+

=
+
+

=
+
+
+

1
1
2

2

0
1
2
2

2
0
1
2
2
3

2
3

;

;
D
D
D
D

D
D
D
l
l
,

м

н

пп

о

п
п

 
(1.6)

где а0, а1, а2 — коэффициенты, зависящие от природы вещества.
Тогда давление насыщенного пара над жидким металлом будет из‑
меняться с температурой в соответствии с выражением, называемым — 
полной формулой зависимости упругости пара от температуры.

 
ln
ln
.
P
RT
a
R
T
a
R T
a
R T
i
= -
+
+
+
+
l0
0
1
2
2

2
6
D
D
D
 
 (1.7)

1. Теоретические основы спецметаллургии

Для практических расчетов пользуются приближенными формула‑
ми. Так, принимая значения λ постоянным и не зависящим от темпе‑
ратуры, получим:

 
lnP
RT
С
= -
+
ў
l
 
(1.8)

или в общем виде:

 
ln
,
P
A
T
C
=
ў +
ў  
(1.9)

где 

 
ў = -
A
R
l . 
 (1.10)

Обычно подбирают коэффициенты А′ и С′ таким образом, чтобы 
расчетные значения давления насыщенного пара в определенном ин‑
тервале температур мало отклонялись от экспериментальных данных.
Для практических расчетов давления насыщенного пара металлов 
можно пользоваться формулой [1]:

 
lg
,
P
A
T
C
=
+
 
(1.11)

значения коэффициентов А и С приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1
Температурная зависимость давления паров некоторых металлов

Металл
Температура, К
Коэффициенты
Плавления
Кипения
А
С
Al
932
2773
–13343
10,733
Cr
2130
2773
–16757
11,081
Cu
1356
2843
–15919
10,558
Fe
1812
3343
–18504
11,150
Pb
600
1893
–9197
9,564
Mn
1516
2368
–12060
9,981
Sn
505
2540
–16641
11,548
Zn
693
1181
–5998
10,087

На рис. 1.2 показано изменение давления насыщенного пара  
для некоторых металлов с температурой.

1.3. Давление паров металлов над сплавами

По величине упругости пара все 
металлы можно условно разделить 
на следующие группы:

1. Летучие (С, Cd, Zn).
2. Среднелетучие (Са, Ва, Sb, 
Bi, Рb).

3. Малолетучие (Sn, Мn, Al, 
Сu, Сr, Fе, Ni).

4. Весьма малолетучие (Zr, 
Мo, W).
Однако реальное давление на‑
сыщенного пара того или ино‑
го металла, растворенного в ста‑
ли или сплаве, зависит не только 
от eго природы и температуры, 
но также от концентрации этого 
металла в расплаве [3].

1.3. Давление паров металлов над сплавами

В соответствии с законом Рауля, давление насыщенного пара како‑
го‑либо компонента над раствором при заданной температуре умень‑
шается вместе с понижением концентрации этого компонента в рас‑
творе [1]:

 
P
P N
i
i
i
=
0
,  
(1.12)

где Pi
0 — давление насыщенного пара чистого компонента i при задан‑
ной температуре, Па; Pi — давление насыщенного пара того же ком‑
понента i над раствором, в котором концентрация этого компонента 
Ni (мольная доля компонента i в растворе), Па.
На рис. 1.3 показан характер изменения давления насыщенного 
пара компонента i над раствором в зависимости от его мольной доли 
в растворе [1].

Рис. 1.2. Изменение давления насы‑
щенного пара некоторых металлов 
с температурой [3]

1. Теоретические основы спецметаллургии

Рис. 1.3. Изменение давления насыщенного пара компонентов  
над бинарным раствором:

а — положительные отклонения от закона Рауля;  
б — отрицательные отклонения от закона Рауля

Общее давление пара над раствором равно сумме парциальных дав‑
лений компонентов

 
P
P
P
P N
P N
общ
A
B
A
A
B
0
B
=
+
=
+
0
. 
 (1.13)

В реальных металлических растворах наблюдаются отклонения от за‑
кона Рауля. Эти отклонения могут быть положительными (рис. 1.3, а) 
и отрицательными (рис. 1.3, б).
Положительные отклонения наблюдаются в двойных системах, в ко‑
торых компоненты образуют эвтектику, а также в системах с ограни‑
ченной растворимостью в жидком состоянии.
Отрицательные отклонения характерны для систем, в которых об‑
разуются химические соединения или непрерывный ряд твердых рас‑
творов.
Для расчета давления насыщенного пара над реальными раствора‑
ми концентрации компонентов заменяются на активности:

 
a
N
i
i
i
= g
. 
(1.14)

а
б

1.4. Скорость испарения металлов в вакууме

Чем меньше активность компонента в растворе, тем меньше давле‑
ние насыщенного пара этого компонента над раствором.
Коэффициент активности γi характеризует степень отклонения 
от идеальности.

1.4. Скорость испарения металлов в вакууме

Процесс испарения примесей из жидкого металла (рис. 1.4) состо‑
ит из следующих стадий [4]:

1. Перенос атомов из объема жидкого металла к диффузионному 
не перемешиваемому слою на границе с вакуумом.

2. Перенос атомов примеси через диффузионный не перемешива‑
емый слой.

3. Собственно акт испарения (десорбция) примеси со свободной 
поверхности расплава.

4. Перенос частиц испарившегося вещества через пограничный 
с металлом газовый слой.

Рис. 1.4. Схема распределения концентраций испаряющегося вещества  
в жидкой и газовой фазе [4]:

I — диффузионный не перемешиваемый слой в металле;  
II — диффузионный слой в газовой фазе

Сп

Сп

См

См

С