Улучшение плавки на воздухе с помощью дегазации металла

Технология печей с вакуумной крышкой (VCAP) сочетает в себе плавку на воздухе и вакуумную очистку в гибридный процесс, который обеспечивает множество металлургических преимуществ по сравнению с традиционной плавкой на воздухе. Воздушная плавка имеет ограничения в отношении чистоты сплава (непроницаемые элементы с низким давлением паров), жесткого контроля состава и других металлургических проблем, таких как содержание газа (уровни кислорода, азота и водорода) и высокое содержание углерода.

В тех случаях, когда плавка в полном вакууме не требуется, в печах VCAP используется эффективная загрузка и плавка на воздухе, а затем применяется вакуумный колпак для улучшения рафинирования черных и цветных металлов. Это также уменьшает разброс свойств продукта, что в конечном итоге приводит к меньшему количеству брака.

Технология воздушно-индукционной плавки является очень распространенным производственным методом, используемым во всем мире, который позволяет производить сложные отливки из различных типов сплавов.

Требования к качеству и характеристикам сплавов становятся все более строгими для конечных пользователей в таких отраслях, как аэрокосмическая, медицинская, энергетическая, нефтегазовая, специализированная автомобильная и грузовая. Эти требования включают небольшое количество дефектов, если таковые имеются, и лучшие механические свойства.

Однако этих свойств трудно достичь с помощью стандартных методов плавления на воздухе.

Вот основные проблемы технологий воздушной плавки:

• • • Они могут страдать от ограниченного контроля чистоты состава сплава.
    • Изменчивость уровня кислорода и азота при переходе от тепла к теплу.
    • Текущая практика снижения содержания газа заключается в добавлении первичного материала, поскольку раскисление только алюминием может привести к неметаллическим включениям.
    • Посторонние элементы с низким давлением паров, такие как Pb, Bi, Zn и т. д., могут быть восстановлены только путем разбавления.
    • Снижение содержания углерода является металлургической задачей при плавке на воздухе.

Технология VCAP позволяет решить все эти проблемы благодаря преимуществам, уникальным для процесса вакуумной индукционной плавки, таким как превосходный контроль над всем химическим составом сплава, а не только над желаемым составом сплава, а также над полезными микроэлементами и вредными примесями. Кроме того, воспроизводимость точного контроля состава от плавки до плавки является исключительной и приводит к замечательному постоянству свойств материала на высоких уровнях.

Технология VCAP, показанная на рис. 1, представляет собой гибридный процесс, который сочетает в себе методы воздушной плавки и вакуумной индукционной плавки (VIM). По сути, VCAP включает в себя печь для воздушной плавки с колпаком, который можно поместить на верхнюю часть индукционной плавильной катушки, что позволяет проводить циклы вакуумной дегазации после полного расплавления сплава на воздухе.

На рис. 2 показаны основы технологии VCAP как гибрида воздушной плавильной печи (слева) и вакуумной индукционной плавки (справа). Переменные процесса также влияют на капиталовложения, сложность процесса и качество производимого материала. В целом, печи VCAP предлагают мощное сочетание точности, чистоты и гибкости, что делает их идеальным выбором для производства сплавов с высокими эксплуатационными характеристиками и других передовых материалов.

Основные моменты VCAP

Технология VCAP включает в себя следующие основные особенности, которые делают ее более выгодной по сравнению с технологией воздушной плавки:

1. 1. 1. Он доступен в широком диапазоне размеров, от 50 до 30 000 кг, поэтому клиенты могут выбрать размер печи для малых масс заливки или исследовательских целей, а также для больших масс заливки.
      2. Уровень вакуума варьируется от 100 до 0,01 мбар. Уровни вакуума сильно зависят от состава C и O и последующей реакции обезуглероживания.
      3. Также доступна плавка в атмосфере аргона при парциальном давлении.
      4. Системы пористых пробок аргона/азота доступны для дополнительного перемешивания в расплаве, а затем способствуют хорошему перемешиванию, дегазации и общим металлургическим реакциям.

VCAP можно использовать для обработки почти всех металлов:

• • • Он доступен для плавления и смешивания выбранного сырья/возврата.
    • Черные и цветные сплавы.

Могут быть реализованы некоторые различные металлургические процессы:

• • • Восстановление водорода, кислорода и азота (вакуумная дегазация).
    • Восстановление попутных элементов с низким давлением паров, таких как Pb, Cd, Bi, Zn.
    • Раскисление с использованием комбинации вакуума и реакции CO.
    • Усиленная обезуглероживанием реакция CO при низком давлении, обеспечивающая превосходное обезуглероживание при сверхнизком содержании углерода (улучшенная обрабатываемость/обрабатываемость сплава).

В результате достигается лучшая микрочистота за счет сильного раскисления углерода и меньших остаточных включений, а в последствии:

• • • Увеличивается текучесть металла, что улучшает заполнение формы.
    • Значительное улучшение механических свойств.
    • Улучшение технологических характеристик, таких как горячедеформируемость, свариваемость и обрабатываемость.
    • Значительно уменьшен разброс в свойствах и характеристиках продукта, поэтому меньше брака.

Шаги процесса

Печи VCAP представляют собой привлекательный вариант для высококачественных литейных производств, требующих улучшенной плавки на воздухе и не требующих полной вакуумной плавки. Доступны печи VCAP весом от 50 кг до 20 тонн для широкого спектра применений. Типичные области применения включают низко- и высокоуглеродистые стали, нержавеющие стали, кобальтовые сплавы, инструментальные и штамповые стали, сплавы на основе никеля и сплавы цветных металлов.

Печь VCAP предназначена для индукционной плавки твердой шихты на воздухе или в вакууме с конечной стадией дегазации под вакуумом. Окончательную заливку металла производят на воздухе или в защитной атмосфере инертного газа. Конфигурация основана на линейке индукционных печей Inductotherm со стальным корпусом, которые полностью адаптированы компанией Consarc для вакуумной обработки жидкого металла.

Кожух печи полностью герметизирован для работы в вакууме, а на верхней части агрегата имеется уплотнительный фланец/фартук. После операции плавления на  воздухе (или вакуумом/инертным газом, если требуется) на верхнюю часть печи устанавливается вакуумная крышка с водяным охлаждением либо с помощью заводского крана, либо с помощью дополнительного подъемно-поворотного рычага. Вакуумная камера соединена с многоступенчатой ​​механической вакуумной насосной системой, которая может откачивать атмосферу над расплавленной ванной.

Индукционная плавильная катушка питается от источника питания Inductotherm VIP ^®, мощность и частота которого соответствуют высокой скорости плавления (высокая производительность) и оптимальному перемешиванию (металлургическое качество) в жидком состоянии. Частота перемешивания гарантирует, что сплав полностью гомогенизирован, а свежий жидкий металл циклически попадает на поверхность ванны, чтобы облегчить процедуру дегазации.

После откачки атмосферы процедура дегазации и интенсивная реакция CO позволяют удалить нежелательные газы, водород, азот и кислород до гораздо более низких уровней, чем это было бы возможно в воздухе.

По окончании процесса дегазации вакуумную крышку можно снять, а вокруг уплотнительного фланца надеть защитное кольцо. После этого печь готова к разливке под наклоном в транспортировочный ковш или изложницы. Обычно процесс заливки осуществляется на воздухе, но также возможны варианты заливки в защитной атмосфере. На рис. 3 показана схема процесса.

Тематические исследования

Компания Consarc провела ряд испытаний в Брненском технологическом университете в Чешской Республике, работая с установленной там 80-килограммовой печью Consarc VCAP.

В таблице 1 представлены некоторые примеры проведенных испытаний и преимущества, полученные в результате этих испытаний VCAP. Он включает в себя различные опыты с различными сплавами и с различными металлургическими задачами для каждого из них.

Таблица 1: Краткое изложение некоторых результатов испытаний технологии VCAP

№	Емкость, кг	Сплав	Начальное значение	Окончательное значение	% снижения	Комментарии
1	80	1.3243 Tool Steel	азот 426 ч/млн кислород 56 ч/млн	азот 62 ч/млн кислород 32 ч/млн	85 / 43	дегазация
2	80	ASTM A297 HL-Al Steel	азот 1932 ч/млн	азот 1029 ч/млн	47	дегазация
3	80	ASTM A297 HP-Al Steel	азот 1156 ч/млн	азот 586 ч/млн	49	дегазация
4	80	1.4852 Heat resistant	азот 815 ч/млн углерод 0,466%	азот 394 ч/млн углерод 0,395%	52 / 15	дегазация / декарбюризация
5	80	Hastelloy C22 Nikel Based	углерод 0,071%	углерод 0,395%	96	декарбюризация
6	80	A494 CW6MC Nicel based	углерод 0,049%	углерод 0,014%	71	декарбюризация
7	80	UmCo 50 Cobalt based	углерод 0,300%	углерод 0,078%	74	декарбюризация

На рис. 4 показано выделение кислорода и азота во время пробной плавки VCAP в Университете Брно.

В таблице 2 обобщены результаты исследований, проведенных на производственных площадках некоторых заказчиков.

Таблица 2: Сводка результатов испытаний технологии VCAP на производственных площадках

№	Емкость, кг	Сплав	Начальное значение	Окончательное значение	% снижения	Комментарии
1	800	Super Duplex 2507Stainless Steel	углерод 0,060%	углерод 0,029%	52	декарбюризация
2	2,500	IN 625 Ni alloy	углерод 0,043%	углерод 0,029%	33	декарбюризация
3	2,500	Hast C22 Ni alloy	углерод 0,045%	углерод 0,018%	60	декарбюризация
4	2,500	AISI 316 Stinless Steel	углерод 0,030%	углерод 0,015%	50	декарбюризация
5	1,100	Carbon Steel	O2/N2/H2: 116/265/6.3 ч/млн	O2/N2/H2: 62/111/2.9 ч/млн	47/58/54	дегазация
6	800	CF8MAustenic steel	O2/N2: 322/848 ч/млн	O2/N2: 71/562 ч/млн	78/34	дегазация
7	800	CF8MAustenic steel	O2/N2: 261/790 ч/млн	O2/N2: 60/497 ч/млн	77/37	дегазация

Выводы

Технология VCAP сочетает в себе простоту процесса воздушной плавки с преимуществами вакуумной плавки, такими как снижение содержания вредных газов, таких как водород, кислород (путем раскисления) и азота, а также посторонних элементов с низким давлением паров, таких как Pb, Cd, Bi, Zn.

Кроме того, процесс VCAP выполняет реакции обезуглероживания и десульфурации для уменьшения содержания углерода и серы соответственно.

Благодаря преимуществам технологии VCAP литейные заводы могут достичь:

1. Улучшения химического состава сплавов отливок, улучшения микрочистоты, явного улучшения механических и литейных свойств, улучшения технологических характеристик, таких как горячедеформируемость, свариваемость, обрабатываемость.
2. Усовершенствования процессов и значительное сокращение разброса свойств и характеристик продукта. В результате VCAP обеспечивает более стабильный процесс литья и снижение брака литых деталей.

Автор

Иньяки Викарио (Iñaki Vicario) — специалист по технологиям литья в Consarc Corp., телефон: (+34) 653 418 976; e-mail: ivicario@consarceng.com

Источник: www.foundrymag.com