В настоящее время вакуумные индукционные печи могут работать как на твердой шихте, так и на жидком полупродукте. В качестве твердой шихты наилучшими материалами являются: крупногабаритные заготовки или отходы прокатного производства, например квадрат 100x100 или 200x200, специальные поковки или прокатная заготовка, например, чистого железа или низкоуглеродистой стали, собственные литейные отходы, мелко нарубленная шихта.

Перед загрузкой вакуумной индукционной печи шихта подвергается дробеструйной очистке во вращающихся барабанах для удаления поверхностных загрязнений, а в отдельных случаях отжигу для удаления влаги и жировых загрязнений. Трудной проблемой является полное заполнение тигля шихтой. Известно, что в открытых индукционных печах объем загружаемой в тигель твердой шихты может превышать объем жидкого металла в четыре раза, так как по ходу плавки можно осаживать шихту, ликвидировать сваривание кусков и т. д.

В вакуумной печи трудно предотвратить появление мостов, неравномерного проплавления и других нежелательных явлений. Поэтому объем твердой шихты в вакуумной индукционной печи может превышать объем жидкого металла только в 1,25 раза. В супермощные печи крупную шихту краном загружают прямо в тигель, более мелкую — бадьями через дозатор. В печах емкостью до 7 т, полунепрерывного действия загрузка производится корзинами.

Большое значение имеет укладка шихты в загрузочные корзины. Здесь необходимо предусматривать защиту дна и стенок тигля от ударов массивными кусками при открывании дна корзины, предотвращение образования мостов и наиболее плотное расположение шихты, гарантирующее ее быстрое проплавление. Обычно загружают шихту двумя-тремя и большим числом корзин.

Для легирования, как правило, используют чистые материалы. В случае применения ферросплавов необходимо перед загрузкой в печь их прокаливать для удаления адсорбированной влаги и газов и предотвращения сильных выплесков жидкого металла при попадании в ванну холодных кусков материалов.

В настоящее время в крупных ВИП применяют жидкую заливку (печи фирм «Латроб стил» и «Циклоп, корп», США). В качестве полупродукта применяют полураскисленную сталь, выплавленную в дуговой печи. Если тигель был холодным, то его подогревают газовой горелкой до 700° С. Заливку жидкого металла производят с помощью специальной сливной трубы, установленной внутри печи.

Она направляет струю стали непосредственно в тигель и уменьшает разбрызгивание металла при его попадании в разреженную атмосферу. Давление перед этим понижают до 0,2—2,5 мм рт. ст. Открывают стопор разливочного ковша и разливку производят со скоростью 4—5 т/мин. Стали обычно заливают при относительно высоком давлении, никелевые сплавы с низким содержанием углерода раскисляют при разливке и разливают при низком давлении. Чем ниже содержание углерода в полупродукте, тем ниже может быть давление. Когда вся сталь вылита, закрывают стопор ковша, закрывают шибер, предварительно удалив всевозможные забрызгивания, затем ставят на шибер камеру загрузки. При работе на жидкой завалке длительность плавки понижается с 14 до 8 ч.

Расплавление

После загрузки печи полунепрерывного действия включают ток и ведут расплавление на полной мощности. Печь периодического действия после загрузки закрывают и откачивают, включать ток можно после снижения давления до нескольких мм рт. ст.

Во время нагрева шихты давление в печи снижается до требуемого значения. При переплаве отходов стали, содержащей углерод, следует опасаться бурного газовыделения из металла во время его расплавления. Быстрое расплавление в этом случае приводит к вскипанию жидкой ванны, заплескиванию нерасплавившихся кусков, свариванию их и зависанию, выбросам из тигля, образованию трудно расплавляемых воротников в верхней части тигля. Для расплавления мостов и воротников тигель печи должен наклоняться как в сторону сливного носка, так и в противоположную сторону. Для регулирования процесса кипения металла необходимо либо понижать мощность, либо напускать в печь аргон до давления 50—100 мм рт. ст. После расплавления всей садки давление постепенно понижают. Скорость расплавления в крупных печах 27—60 т находится в пределах 2,7—3,15 т/ч; в 12-т печи фирмы «Гереус» 2 т/ч.

Рафинирование

После расплавления жидкого металла проводят технологические операции, необходимые для удаления из металла растворенных газов, углерода, серы, примесей цветных металлов. В этот период проводится раскисление металла углеродом как за счет того углерода, который содержится в шихте, так и путем присадки определенных добавок углерода в виде графита, чугуна, углеродистых ферросплавов. Выдержка для раскисления углеродом обычно продолжается до полного успокоения ванны.

Длительность выдержки определяется в первую очередь качеством шихты и составом выплавляемого сплава. Более длительная выдержка под вакуумом способствует удалению из металла водорода, азота и летучих компонентов. Вместе с тем взаимодействие металла с тиглем приводит к загрязнению сплава кислородом, экзогенными неметаллическими включениями, алюминием, кремнием, бором, восстанавливаемыми из футеровки.

Чем крупнее печь, тем длительнее должен быть период рафинирования, так как в крупных печах отношение поверхности раздела металл—атмосфера к объему металла во много раз меньше, чем в малых печах. Например, в 27-т печи по сравнению с 10-кг печью это отношение меньше в 10 раз.

На загрязнение металла влияет и его температура. Чем горячее ванна, тем активнее взаимодействует она с тиглем. Вместе с тем при высокой температуре процессы рафинирования протекают с большой скоростью. Поэтому для каждого сплава в зависимости от типа тигля следует подбирать оптимальный режим рафинирования, стараясь провести его как можно более горячо.

Раскисление металла

Теоретические основы раскисления металла рассмотрены выше. Остановимся только на технологических аспектах раскисления.

Раскисление углеродом. При выплавке безуглеродистых материалов — сплавов на никелевой или кобальтовой основе, безуглеродистой нержавеющей стали, чистого железа — для раскисления в вакууме присаживают в металл до плавки или по ходу плавки углерод в виде графита, чугуна, углеродистого феррохрома. Особенно активно раскисление металла происходит в первый период плавки. При переходе металла из твердого состояния в жидкое условия зарождения пузырьков окиси углерода весьма благоприятны. В жидко-твердом состоянии ванны металл интенсивно кипит, в это время максимально используется раскислительная способность углерода.

Нами было показано, что раскисление нержавеющих сталей углеродом заканчивается в первые 20—30 мин плавки, содержание кислорода в это время достигает минимального значения, при дальнейшей выдержке в вакууме концентрация кислорода начинает возрастать (см. рис. 10).

В отдельных случаях раскисление углеродом рекомендуется проводить после частичного на 0,05—0,1% предварительного раскисления алюминием, для регулирования активности процесса кипения ванны [126].

Раскисление водородом. Раскисление водородом применяется при выплавке безуглеродистых сплавов на основе железа и никеля, магнитных сплавов. Скорость раскисления металла водородом меньше, чем скорость раскисления углеродом, поэтому для раскисления требуется больше времени. Водород либо подводят к поверхности металла, либо продувают через ванну.

В последнем случае длительность процесса раскисления водородом сокращается по сравнению со временем раскисления при наполнении корпуса печи водородом в четыре раза. В работе [127 I было установлено, что после наполнения корпуса печи водородом содержание кислорода особенно заметно снижается в течение первых 5 мин плавки.

Применение водорода в качестве предварительного раскислителя позволило за 15—20 мин снизить содержание кислорода в сплавах на основе железа и никеля до 0,001—0,005%.

При использовании водорода в качестве раскислителя необходимо соблюдать строгие меры по технике безопасности. В случае нарушения герметичности установки и попадания в печь атмосферного воздуха образуется гремучая смесь водорода с кислородом. Для предотвращения опасности взрыва рекомендуется работать на повышенном давлении водорода в печи с дожиганием водорода на выходе из печи или работать при низком парциальном давлении водорода, подавая в печь смесь аргона с водородом или только водород при давлении 1—5 мм рт. ст.

За счет углерода или водорода не всегда удается получить низкое содержание кислорода, особенно в сплавах или сталях, содержащих элементы, понижающие активность углерода, например хром.

Для достижения минимальных концентраций кислорода в металле применяют металлические раскислители: алюминий, алюминий совместно с церием, кальций или магний в виде лигатур с никелем (раскисление сплавов на никелевой основе). При раскислении лигатурами необходимо над металлом создавать повышенное давление аргона для предотвращения выбросов вследствие бурно протекающей реакции раскисления.

Легирование

В период выдержки металла проводят его легирование. Порядок присадки легирующих определяется их физико-химическими свойствами. Как правило, сначала расплавляют основу сплава — железо, никель или кобальт и некоторые тугоплавкие присадки: вольфрам, молибден. После расплавления и раскисления ванны присаживают хром, ванадий. В конце периода выдержки дают титан и алюминий. Раньше их присаживали в самом конце плавки. Теперь после присадки этих элементов плавка некоторое время выдерживается под вакуумом для более полного рафинирования. Непосредственно перед сливом дают РЗМ, кальций, магний, бор. Слишком ранняя присадка этих элементов приведет к загрязнению металла оксидными или нитридными неметаллическими включениями, образующимися при введении присадок. Процесс всплывания включений достаточно медленный и за время выдержки в вакууме включения не полностью успевают всплыть. Слишком поздняя присадка легирующих не позволяет провести рафинирование ванны от примесей, содержащихся в добавках.

Разливка металла

Выплавленный в вакуумной индукционной печи металл разливают, как правило в вакууме. Температура разливки в вакууме ниже, чем на воздухе вследствие более высокой жидкотекучести металла, слитки при этом получаются более плотными. Однако в некоторых случаях для повышения плотности отливок разливку сложных жаропрочных сплавов, особенно при отливке сложных фасонных изделий, необходимо вести с напуском инертного газа в печь.

Нержавеющие стали

Основной целью выплавки нержавеющих сталей является получение металла с низким содержанием углерода 0,01—0,02% и неметаллических включений, особенно нитридных и азота.

Получение низкого содержания углерода в нержавеющих сталях и различных хромоникелевых сплавах является важной задачей. Низкоуглеродистые нержавеющие стали обладают высокими антикоррозионными свойствами и высокой пластичностью. В последние годы значительно возросла потребность, в частности, в области электронного приборостроения в таких сталях, как 000Х18Н12, где требуется содержание углерода в металле <0,02% при содержании азота не более 0,03%. Для изготовления тонкостенных труб требуются хромоникелевые стали со стабильной аустенитной структурой, содержащие 0,010—0,015% С, например сталь 000X16Н15МЗ и др.

Металл с низким содержанием углерода можно получать путем использования шихты с низким исходным содержанием углерода, например специально выплавленной заготовки мягкого железа, безуглеродистого или металлического хрома. Однако при выплавке таких сталей в открытых печах для получения 0,03—0,04% С приходится считаться с большими потерями хрома (5—7%) вследствие сильного переокисления ванны. Для того чтобы избежать возможного контакта электродов с ванной в электродуговых печах приходится работать на длинных дугах, а это приводит к преждевременному износу футеровки.

Сплавление же чистых шихтовых материалов в индукционных открытых печах сопровождается насыщением металла азотом и загрязнением его кислородом и окисными неметаллическими включениями. Поэтому единственным способом получения низкоуглеродистых нержавеющих сталей является их выплавка в вакуумных индукционных печах.

В вакуумных индукционных печах можно получить низкоуглеродистую сталь без загрязнения ее кислородом, азотом, водородом. Для выплавки можно использовать чистые шихтовые материалы и отходы низкоуглеродистого металла, учитывая, что в вакууме можно проводить и обезуглероживание ванны.

Для получения низкоуглеродистой нержавеющей стали в вакуумной лабораторной печи емкостью 10 кг были проведены плавки на шихте, состоявшей из отходов этой стали с содержанием 0,1% С. Ход обезуглероживания представлен на рис. 92. Плавки были выполнены при различном давлении: отЗ—4 до 0,02 мм рт. ст. Изменение давления не влияло на ход обезуглероживания.

При проведении плавок в печи емкостью 150 кг оказалось, что скорость обезуглероживания значительно уменьшилась. Для ускорения процесса обезуглероживания и для достижения необходимых содержаний углерода в шихту вместе с загружаемыми отходами вводили железную руду в качестве окислителя. Так, для получения в металле 0,02—0,03% С при переплаве отходов с содержанием 0,06—0,07% С, давали руду в количестве до 3% от массы садки и нагревали металл до 1600° С.

Полученные результаты показали принципиальную возможность получения низкоуглеродистой стали в вакуумной индукционной печи.

При выплавке в больших печах стали типа Х18Н8 на отходах не происходит заметного обезуглероживания благодаря выдержке металла в вакууме. Содержание углерода по ходу плавки снижается на 0,01—0,03%. Более интенсивно окисляется углерод при выплавке на свежей шихте, состоящей из низкоуглеродистого железа и чистых шихтовых материалов — электролитического никеля, металлического хрома или безуглеродистого феррохрома.

Так, например, в 0,5-т печи выплавку стали 000Х18Н12 ведут следующим образом. В завалку дают заготовку чистого железа- и никель. После расплавления этой части шихты в вакууме присаживают хром. Выдержка жидкого металла составляет 20 мин. Разливку производят без предварительного раскисления. При таком

методе производства получают сталь, содержащую 0,02— 0,026% С; 0,006% О; 0,015—0,020% N; 0,008—0,014% S; 0,001 — 0,004% Ti; 0,02—0,35% Mn; 0,02—0,035% Si.

Для снижения себестоимости стали по предложению ЦНИИЧМ заменили дорогостоящий металлический хром феррохромом ФХ015 с более высоким содержанием углерода и применили обдувку поверхности жидкой ванны смесью кислорода с аргоном. В результате такой окислительной обработки в вакууме, несмотря на применение среднеуглеродистого феррохрома, в готовом металле содержание углерода было на* уровне 0,01%. Скорость реакции обезуглероживания при обработке металла кислородом зависела от температуры. С повышением температуры от 1520 до 1620° С скорость обезуглероживания возрастала в 1,6 раза.

Предварительные опыты, проведенные в лабораторных условиях Ал. Г. Шалимовым, показали, что применение для продувки кислорода значительно ускоряет процесс удаления углерода, это видно из табл. 34, в которой приведены значения условных констант скоростей процесса обезуглероживания [128].

Полученные значения констант скоростей обезуглероживания при обычной выдержке металла в вакууме сравнимы с результатами нашего исследования. Применение кислорода значительно ускоряет процесс обезуглероживания (в 4—5 раз) и позволяет добиваться получения стабильных низких содержаний углерода.

Простая выдержка стали в вакууме дает низкие содержания углерода в том случае, если металл окислен и хорошо нагрет. При выплавке стали 000Х16Н15МЗ использовали железо марки МЖ0, феррохром, ХрОООО, XpOl, никель и легированную молибденом заготовку МЖМо. Для обезуглероживания применяли обдувку кислородом при давлении в печи 1 мм рт. ст. при 1630— 1650° С в течение 50—60 мин. Конечное содержание углерода составляло 0,010—0,015% [129].

Стали BKCl и ЭИ928 легированы бериллием, их выплавляли в ВИП следующим способом [154]. Плавили основу сплава: железо—хром, никель и кобальт, после расплавления происходило кипение металла, регулируемое аргоном. После дегазации раскисляли металл графитовым порошком, затем вводили феррованадий и никельбериллиевую лигатуру или металлический бериллий при 1500° С. Усвоение бериллия в вакууме составляло 90—95 против 65—70% при плавке на воздухе. Оказалось, что усвоение бериллия зависит от содержания кислорода, чем меньше кислорода в металле, тем лучше усваивается бериллий.

Жаропрочные сплавы

Жаропрочные сплавы, выплавляемые в ВИП, разливают либо в малые слитки для последующей деформации, либо в крупные слитки, которые часто после соответствующей обработки переплавляют в вакуумных дуговых печах или используют в качестве шихтовой заготовки для мелких вакуумных индукционных печей, в которых отливают различные фасонные детали.

При выплавке и разливке жаропрочных сплавов серьезную трудность представляет образование окисной плены на зеркале металла. При выплавке этих сплавов на воздухе плена является причиной брака при дальнейшей обработке слитков и отливок из-за грязной макроструктуры, низкой жаропрочности, хрупкого разрушения при ковке. Плены часто располагаются по границам зерен и снижают пластичность металла при рабочих температурах.

При плавке в вакууме благодаря раскислению углеродом удается разрушить возникающую окисную плену, частично окисная плена впитывается стенками тигля. Разливка жаропрочных сплавов в вакууме происходит с чистым зеркалом.

При выплавке жаропрочных сплавов в тигель загружают основные составляющие сплавов — никель, кобальт или железо, после расплавления металлическую ванну дегазируют, частично раскисляют присадкой углерода в виде графитового порошка и после этого дают хром, молибден. Раскисляют никелевые сплавы никельмагниевой лигатурой или дают лигатуру для легирования титаном, а легирование алюминием производится при помощи никельалюминиевой лигатуры. Конечное раскисление часто производится мишметаллом.

Почти полностью в настоящее время в вакууме выплавляется сплав Х20Н80. В работе [132] сплавы Х20Н80 и Х15Н60 после расплавления при 1500—15200 C раскисляли углеродом на 0,02%, выдерживали после этого 15—20 мин и вводили кремний в виде 75%-ного ферросилиция, дальнейшее раскисление осуществляли никельмагниевой лигатурой, из расчета присадки 0,1% Mg. При добавке лигатуры в печь напускали аргон до давления 40 мм рт. ст. За 7—Ii) йин до окончания плавки давали церий, цирконий или лантан. Для сохранения большей концентрации церия при плавке в вакууме рекомендуется присадку церия производить в атмосфере аргона, как и других РЗМ или магния. Оказалось, что для легирования металла РЗМ в вакуумной индукционной печи требуется значительно меньшее количество РЗМ, чем в открытой печи. Уже

На свойства жаропрочных сплавов влияет натекание в печь (рис. 93, а). Очевидно, при этом происходит загрязнение сплава газами, подобное же влияние оказывает и давление, при котором происходит плавка (рис. 93).

Трансформаторная сталь и магнитные сплавы

Трансформаторную сталь выплавляли на шихте, состоявшей из чистого железа [130]. Рафинирование от фосфора и серы производили на воздухе шлаком. Часть кремния присаживали до ва-куумирования для получения более низкого содержания углерода, при этом конечные содержания углерода оказывались равными 0,015—0,007%. Основное количество кремния присаживали в вакууме.

Для получения магнитномягких сплавов 5OH и 79HM расплавляли железо, никель и молибден [131 ]. После расплавления сплав дегазировали и раскисляли его углеродом. При выплавке сплава 79HM в печи емкостью 0,5 т раскисление только углеродом не обеспечивало необходимой пластичности металла и высоких магнитных свойств, поэтому использовали никельмагниевую лигатуру.

Выплавка чистых металлов.

Никель. При выплавке чистого никеля руководствуются исходными шихтовыми материалами. Так, при использовании брикетов Монд-никеля их отжигают в атмосфере влажного водорода при 800° С для глубокого обезуглероживания до 0,007—0,07% С. Затем. брикеты расплавляют в атмосфере водорода, заменяют водород гелием, вакуумируют, снова вводят водород, потом гелий и выдерживают в вакууме, разливая при давлении 1 ат в гелии. В таком никеле содержание примесей не превышает 0,005%; в том числе 0,001—0,002% С; 0,0001—0,0018% О; 0,003% H и 0,003% N [133].

Для выплавки никеля марки НП1 используют в качестве шихты катодный никель НО, содержащий не более 0,01% примесей. Раскисление металла проводят лигатурой Ni—С на 0,01 — 0,015% С. После выдержки, необходимой для раскисления, металл разливают в изложницу. Содержание углерода в готовом никеле 0,001—0,002%.

Особое внимание при выплавке никеля должно быть обращено на подготовку шихты. Должны быть приняты особые меры, предохраняющие никель от загрязнения. Для рубки и резки катодов необходимо специальное оборудование, предназначенное только для этой цели. Хранить нарезанную шихту следует в коробах с крышками. Жидкий сплав рекомендуется из тигля сразу же заливать в изложницу, не используя промежуточные разливочные средства во избежание загрязнений. Наилучшим материалом для футеровки тигля служит окись магния [134].

Сплавы для электровакуумных приборов на основе никеля. Для деталей электровакуумных приборов повышенной долговечности и надежности применяются различные никелевые сплавы с минимальным содержанием примесей. Широкое распространение получили сплавы никеля с магнием, вольфрамом, цирконием, рением, молибденом.

Основанием технологии получения этих сплавов является технология получения вакуумплавленного никеля НП1. При выплавке сплавов никеля с магнием после расплавления никеля и его раскисления углеродом никельмагниевую лигатуру вводят в атмосфере аргона под давлением 4—2 мм рт. ст. непосредственно перед разливкой. При выплавке сплавов никеля с вольфрамом, алюминием, цирконием, титаном присадки дают за 10—15 мин до выпуска.

Для получения сплава Ni—Mg-W порошок никеля рафинируют отжигом во влажном водороде, расплавление никеля производят под водородом, заканчивают плавку в вакууме. В конце плавки производят легирование никеля. Рафинирование во влажном водороде позволяет очистить никель от углерода, серы и закиси никеля. При этом в сплаве получают следующее содержание примесей: <0,002% С, <0,001 % S, <0,001%О, <0,001%N, < 0,001% Н, <0,005% Со, <0,005% Fe, ^0,005% Si, Mn, Cu, Al.

Железо. В ФРГ был разработан способ получения особочистого железа [135], предусматривающий многоступенчатую технологию. Сначала в открытой индукционной печи переплавляют электролитическое железо, науглероживая его до 2,5% под шлаком из извести и шпата. Шлак несколько раз меняют. Плавка углеродистого железа под таким шлаком дает возможность понизить содержание серы до 0,002%. Затем осуществляется второй переплав в кислой открытой индукционной печи с продувкой кислородом до 0,15% С. Температура металла при первом и втором переплаве должна быть невысокой, чтобы избежать восстановления фосфора. Полученные слитки железа переплавляют в вакуумной индукционной печи при давлении 10~3—10"4 мм рт. ст. для снижения содержания углерода до 0,05—0,06% и кислорода до 0,001—0,002%.

Наконец, последний вакуумный переплав с дополнительным окислением углерода до 0,002—0,004%. Конечный продукт содержит 0,001—0,002% О; 0,0049% Si; 0,007% Р; 0,004% S; 0,01% Cr; 0,01% Cu; 0,002% Ni.

При выплавке чистого железа в вакуумной индукционной печи следует опасаться насыщения металла кислородом за счет огнеупорной футеровки.

Медь. Наиболее распространенным металлом в электровакуумных приборах является медь. Она составляет 90—95% от массы всех применяемых металлических материалов. Наибольшее применение получила бескислородная медь МБ, которая в последнее время применяется в виде выплавленной в вакууме меди MB, содержащей 99,99% Cu.

Вакуумплавленная медь содержит значительно меньше кислорода и других газов, чем обычная медь. Поэтому ее вакуумная плотность гораздо выше. По данным [136], из меди MB при 900° С за 15 мин выделилось газа 0,35 мкл/г по сравнению с 2,21 мкл/г из меди МБ.

Основным видом брака при получении вакуумплавленной меди является газовая пористость. Несмотря на применение электроннолучевого переплава, пористость может достигать 30%, с размерами пор от 0,1 до 1,5 мм. Поры в меди образуются в результате взаимодействия кислорода и водорода при затвердевании металла с образованием газового пузырька. Устранение в меди пористости газового происхождения с помощью обработки давлением не достигается. При использовании такой меди в электровакуумных приборах появляется брак по герметичности изделий с одновременным снижением механических свойств металла.

Для устранения дефектов газового происхождения в литой вакуумплавленной меди необходимо, чтобы металл перед разливкой был хорошо дегазирован и раскислен.

При выплавке меди в вакуумных индукционных печах в качестве основной составляющей шихты наиболее часто используется катодная медь двойного рафинирования марок М00 и МО. Содержание газов в этой меди приведено ниже, %:

Водород ............. 0,0002—0,0007

Кислород............. 0,0015—0,0058

Азот ............... 0,0005—0,0018

После плавки в ВИП общее газосодержание уменьшается примерно в 20 раз: 0,0001—0,0003% Н; 0,0005—0,0016% О; следы азота.

Водород удаляется из жидкой меди в вакууме благодаря воздействию низкого давления. Для удаления кислорода необходимо применение раскислителей. Наиболее перспективным раскисли-телем является углерод.

Процесс удаления газов при плавке меди в ВИП можно разделить на три периода.

1. Удаление газов из твердой шихты при ее прогреве.

2. Дегазация жидкой ванны.

3. Выделение газов при кристаллизации слитка в изложнице. Исследования газовыделения твердого металла показали, что при нагреве шихты со скоростью 69° С/мин из катодной меди удаляется до расплавления 80% водорода и 40% кислорода (рис. 94). Основное количество кислорода и водорода выделяется в интервале 600—700° С, это объясняется удалением кристаллизационной влаги и разложением сульфата меди CuSO4 •5H2O, оставшегося на поверхности катодных листов после промывки. При плавке в ВИП необходим медленный прогрев шихты, имеющий целью максимальное удаление газа с поверхности твердого металла и всемерное уменьшение попадания кусков плохо дегазированного металла в жидкую ванну.

Раскисление меди углеродом

Известно, что растворимость углерода в меди незначительна всего 0,00005%, поэтому раскисление меди углеродом при плавке ее в графитовом тигле может происходить только в результате протекания поверхностной реакции на границе раздела расплав — тигель. Поэтому раскислительная способность углерода в меди должна определяться условиями образования газовых пузырьков окиси углерода на поверхности графитового тигля. '

Поскольку графит плохо смачивается медью, а на поверхности тигля находится множество микротрещин, то условия зарождения пузырьков газа здесь достаточно благоприятны.

Можно предположить, что на вертикальных стенках тигля после отрыва газового пузырька не остается зародыша, могущего служить центром образования нового пузырька. Поэтому роль вертикальных стенок тигля в выделении пузырьков газа незначительна по сравнению с дном тигля. Это подтверждается многочисленными наблюдениями, которые показали, что дно графитового тигля изнашивается значительно быстрее, чем стенки.

На рис. 95 показано раскисление меди углеродом при плавке в вакууме 10"2 мм рт. ст. [136]. Повышение температуры металла с 1150 до 14(X)0XD позволяет ускорить раскисление и понизить конечное содержание кислорода с 0,00047 до 0,00023%. Полное раскисление углеродом заканчивается за 8—10 мин при 1400° С и за 12—15 мин при 1150° С. Считая, что удаление кислорода из расплава при раскислении углеродом лимитируется диффузией кислорода к зоне реакции, были рассчитаны константы скорости удаления кислорода из меди в вакууме, которые оказались равными: для 1400° С 7,2-10"3 1/с и для 1150° С 3,9-10"3 1/с. Более высокий перегрев для ускорения рафинирования нецелесообразен вследствие испарения меди, которое составляет при 11500 C 0,2 —

0,6%, а при 14000 C 0,4 — 1,6%.

Большое влияние на кинетику процесса раскисления оказывает начальное содержание кислорода в меди.

Чем выше начальное содержание кислорода, тем быстрее происходит удаление кислорода в первый период плавки. В это время происходит наиболее бурное выделение пузырьков газа. Интенсивность кипения возрастает с увеличением содержания кислорода.

При низких концентрациях кислорода около 0,002% наблюдается выделение лишь отдельных пузырьков по зеркалу ванны, а при содержании 0,02—0,08% выделение пузырьков идет бурно с выплескиванием расплава. На рис. 96 показана зависимость содержания кислорода в металле через 12 мин выдержки от начального содержания кислорода, а на рис. 97 степень раскисления металла во времени.

При более высоком начальном содержании кислорода в меди реакция раскисления идет со значительно большей скоростью и не затормаживается при достижении низких концентраций кислорода, а как бы по инерции проходит эти концентрации. Поэтому остаточные содержания кислорода в меди и получаются более низкими. Ускорению процесса раскисления способствует и бурное выделение пузырьков окиси углерода, которое облегчает массоперенос кислорода к зоне взаимодействия его с углеродом, к местам образования пузырьков.

На основании полученных результатов была разработана [137] технология плавки меди, предусматривающая расплавление шихты на воздухе для максимального окисления металла перед вакууми-рованием. Стало возможным применение шихты с высоким содержанием кислорода, отпала необходимость в промывке, прокаливании и предварительной дегазации шихты в вакууме нагревом до 600—700° С.

Удаление водорода

На рис. 98 показано удаление водорода из меди в зависимости от температуры металла. Видно, что повышение температуры с 1150 до 1400° С способствует ускорению процесса дегазации и достижению более низких остаточных концентраций водорода. Процесс дегазации фактически заканчивается через 7—10 мин после расплавления. Понижение давления от 10~2 до 10~5 мм рт. ст. не оказывает существенного влияния на скорость удаления водорода. Сопоставляя данные по дегазации и раскислению, можно сделать вывод, что для достижения глубокого раскисления и дегазации вполне достаточным является давление порядка 0,01 мм рт. ст.

Эффективно протекает удаление водорода из меди и при добавлении к меди кислорода в виде окиси меди.

В этом случае бурное выделение пузырьков окиси углерода способствует дегазации. Расчеты

показывают, что основная масса водорода удаляется из меди в результате диффузии водорода в пузырьки газа.

В целом технология выплавки меди в ВИП выглядит следующим образом. В качестве шихты используют катоды меди М00 и МО без промывки. Расплавление шихты проводят на воздухе в графитовом тигле. Но при этом стойкость графитового тигля вследствие его окисления составляет всего 20—22 плавок по сравнению с 45 — 50 плавками при плавке целиком в вакууме, поэтому было бы целесообразным проводить плавку меди в обычной открытой индук-

ционной печи в кварцитовом тигле и заливать в вакуумную печь жидкий металл. После расплавления меди печь закрывают и проводят откачку до давления 0,1 мм рт. ст. Нагревают металл до 1450° С и снижают мощность в два раза. Далее проводят раскисление и дегазацию. О конце раскисления, как более медленной стадии, судят как по показаниям активометра, контролирующего содержание кислорода в меди, так и по прекращению выделения пузырьков газа. К этому времени дегазация расплава также заканчивается. Проводят присадку легирующих и доводят температуру металла до необходимой для разливки. Разливку меди производят в вакууме в медные изложницы.