Steelmaker.ru

В предыдущей публикации уже упоминался ключевой доклад "Технология металлов для создания энергетических установок будущего", которым открыла симпозиум г-жа Cynthia Powell. В нем фактически перед металлургами была поставлена задача разработки сплавов с повышенными свойствами и соответствующих технологий производства рабочих деталей для энергетических установок нового поколения.
Доклад исследователей Koji Kajikawa, Takeshi Sato и Hitohisa Yamada (The Japan Steel Works, Ltd., Япония), представленный на секции Оптимизация процессов и новые технологии, лежит в плоскости обозначенной темы. Он посвящен исследованию склонности никелевых сплавов разных марок к внеосевой ликвации. Необходимо отметить, что Япония первая начала исследования, направленные на снижение выбросов CO₂ топливными электростанциями, путем перехода на передовые ультра супер критические паровые турбины /advanced ultra super critical (A-USC) steam turbine/. Авторы отмечают, что поскольку температуры 700-760^oС лежат выше максимальных рабочих температур теплостойких ферритных сталей, сплавы на никелевой основе должны рассматриваться как кандидаты-материалы для A-USC. Однако никелевые сплавы при всех преимуществах в свойствах имеют технологический недостаток – склонность к внеосевой ликвации, особенно проявляющейся в крупных слитках. Вместе с тем, одним из ключевых пунктов для успеха развития проекта A-USC является использование крупных слитков из никелевых сплавов для изготовления валов турбин. Поэтому исследования пригодности никелевых сплавов для отливки крупнотоннажных слитков явиляются актуальной задачей. В представленном докладе авторы поделились результатами экспериментов по исследованию в лабораторных условиях склонности различных сплавов на никелевой основе к внеосевой ликвации.

Склонность к внеосевой ликвации сплавов-кандидатов для A-USC оценивалась с помощью установки горизонтального затвердевания, подробно описанной в работе.
Исследуемые марки сплавов по склонности к внеосевой ликвации расположились следующим образом: Haynes230 > Nimonic105 > Udimet720Li > Alloy625 > LTES700 > Inconel740 > Haynes282 > FENIX700 > USC141 > Alloy617. Авторы отмечают, что с точки зрения внеосевой ликвации, сплавы Haynes282, FENIX700, USC141, Alloy617 предпочтительнее для изготовления A-USC турбин. Отмечается также, что представленный метод может быть полезен при разработке сплавов с наименьшей склонностью к внеосевой ликвации.

Комментарий: Проблеме внеосевой ликвации в слитках вакуумного дугового переплава сплавов на никелевой основе посвящена значительная часть главы «Дефекты слитка вакуумного дугового переплава» в книге Ф.И. Шведа (ООО "Ласмет" (Лаборатория специальной металлургии)) «Слиток вакуумного дугового переплава». Из представленных материалов можно видеть, что даже в относительно небольших (особенно по меркам «большой» металлургии) слитках никелевых сплавов, массой 500 кг, может встречаться дефект внеосевая ликвация. [Еще раз замечу, что речь идет о слитке ВДП, формирование которого происходит в значительно лучших условиях направленного равномерного теплоотвода, по сравнению с обычным слитком]. Автор подробно рассматривает механизм образования дефекта, факторы, способствующие его развитию. Ознакомиться с этими материалами Вы можете, открыв на нашем сайте главу «Дефекты слитка вакуумного дугового переплава» /Ф.И. Швед, «Слиток вакуумного дугового переплава».

Следует также заметить, что производство крупных слитков сплавов на никелевой основе для валов турбин осложняется помимо дефектов слитка и другими серьезными проблемами, которые связаны с выплавкой.

Как известно, никелевые сплавы высоко легированы активными элементами (Al, Ti, Cr, …). Причем содержание этих компонентов регламентировано в достаточно узких интервалах. Более того, никелевые сплавы труднодеформируемы. Их свойства и возможность деформации катастрофически падают при ничтожных количествах микропримесей цветных металлов, металлоидов и серы. Поэтому как минимум требуется очень чистая шихта. Но этого мало – для компенсации вредного влияния микропримесей серы вводят «микроколичества» элементов десульфураторов (редкоземельные элементы и магний). При этом передозировка десульфураторов крайне вредна – оставшиеся в растворе излишки этих элементов также резко снижают свойства сплавов. Надежная технология выплавки никелевых сплавов обеспечивается только вакуумной индукционной плавкой (ВИП). Именно вакуумная индукционная плавка позволяет обеспечить:
•Низкое содержание вредных примесей и газов (водород, азот).
•Возможность точного легирования элементами с высоким сродством к кислороду (Al, Ti, Cr,…) с наименьшим угаром и загрязнением металла оксидными включениями.
•Более узкие допуски по содержанию легирующих и микролегирующих (десульфураторов) элементов.
•Высокую стабильность и повторяемость от плавки к плавке по сравнению с открытой выплавкой.

Между тем максимальная масса слитка ВИП в России, если рассматривать настоящую задачу применительно к нашей стране, составляет 12 тонн (ОАО «Уральская кузница») . Достаточно ли этого для вала турбины? Возможности для вакуумного дугового переплава (с целью улучшения структуры) слитков большого размера, до 40 тонн, имеются на Ижоре. Однако опыт ВДП никелевых сплавов на Ижоре отсутствует, это также надо иметь в виду. В принципе, существует способ переплава нескольких расходуемых электродов одной марки, но разных плавок в один слиток, на крупной печи ЭШП. Однако следует учитывать, что не все высоколегированные сплавы могут быть беспроблемно переплавлены в ЭШП – из-за взаимодействия активных компонентов сплавов со шлаком.

Вот такая беглая зарисовка проблем производства крупных слитков из сплавов на никелевой основе для валов турбин A-USC... Есть над чем работать и зарубежным металлургам и нам... если в нашей стране эта задача тоже станет актуальной...

Авторы из дружественной Украины Л. Медовар и О.Е. Патон (Институт Электросварки) представили доклад, посвященный проблемам увеличения слитка ЭШП сплавов чувствительных к сегрегации. Отмечается, что начиная с 1958 года Электрошлаковый переплав (ЭШП) стал широко использоваться для производства кузнечных слитков, применяемых для изготовления прокатных валков, валов энергетических установок и т.д. Однако даже хорошо контролируемые условия затвердевания слитка при ЭШП не гарантируют приемлемого уровня качества при переплаве сплавов чувствительных к сегрегации, особенно в случае необходимости получения слитков 1000 мм в диаметре и более. В течение ряда лет делались попытки «побороть» природу затвердевания путем производства крупных слитков технологиями наращивания, например электрошлаковой сваркой, методом MHKW и др. Представлен обзор таких методов. Недавно авторами было предложено адаптировать технологию электрошлакового нанесения покрытия жидким металлом на поверхность (известную как ESS LM) для производства кузнечных слитков с низкой сегрегацией. В работе представлены результаты компьютерного моделирования этого процесса. Обсуждаются возможные пути промышленного развития предложенного способа. Авторы рассматривают настоящий метод и в качестве альтернативы известному и реализованному на практике методу ЭШП с раздельным регулированием процессов плавления расходуемого электрода и обогрева шлаковой ванны. Этот усовершенствованный процесс ЭШП (ESR TC) позволяет вести переплав на низких скоростях, более гибко контролировать профиль, глубину жидкой ванны и двухфазной зоны и, следовательно, процессы сегрегации. Однако авторам представляется нереальным на практике наплавлять, к примеру, 30-тонный слиток со скоростью всего лишь 300-400 кг в час.

Но именно такой усовершенствованный способ ЭШП для переплава сплавов склонных к сегрегации, предложили исследователи Harald Holzgruber, Bertram Ofner, Manfred Ramprecht, Alexander Scheriau, Barbara Rinnerhofer (INTECO Special Melting Technologies GmbH). Концепция Current Conductive Mold – ССМ^® позволяет выполнять электрошлаковый переплав с малой скоростью, нагревая шлаковую ванну через токопроводящие элементы в кристаллизаторе. Авторами кратко описано устройство подвижного кристаллизатора с системой ССМ^®. Кроме этого, в статье подробно рассматривается новая разработка INTECO цеха крупнотоннажных ЭШП. На трех печах ЭШП планируется получать слитки массой до 250 тонн переплавом в подвижном кристаллизаторе с вытяжкой, либо в глуходонном кристаллизаторе. В обоих случаях используется технология смены расходуемых электродов. Подробно обсуждается концепция цеха, компоновка, тип источника питания, его оптимальные параметры, влияние конструкции токоподвода на работу оборудования и величину электросопротивления.

Исследователи A.D. Patel, J. Reitz, J. H. Magee, R. Smith, G. Maurer, B. Friedrich (Carpenter Technology Corp., USA and IME Process Metallurgy and Metal Recycling RWTH Aachen University, Germany) представили сообщение об особенностях легирования азотом специальных нержавеющих сталей типа BioDur^® 108 в печах ЭШП под давлением (Pressure Electroslag Remelting – PESR). Стали этой группы имеют уникальные свойства благодаря высокому содержанию азота, около 1 %. Авторы продемонстрировали результаты исследования влияния параметров переплава на распределение азота в слитке лабораторной печи PESR (диаметр расходуемого электрода 100-110 мм). Электроды выплавляли и отливали в лабораторной вакуумной индукционной печи. Исходное содержание азота перед переплавом было 0,82 %. Задача экспериментов состояла в увеличении содержания азота на 24 %. Давление в камере печи устанавливали заведомо выше равновесного. Слитки PESR получились качественным, прирост азота в ходе переплава – достаточно высоким, а распределение по слитку – равномерным, при соблюдении правильного соотношения между скоростями подачи азотированного феррохрома и переплава.

Результаты исследования микролегирования стали 15CDV6 титаном, ниобием и цирконием при ЭШП для улучшения служебных свойств, представлены авторами M. Chatterjee, P. Sarkar (Mishra Dhatu Nigam Limited, India). 15CDV6 – марка низколегированной стали, имеющая подходящее сочетание прочности, ударной вязкости и свариваемости, широко используемая при изготовлении стартовых двигателей ракет в Индии. На серии лабораторных плавок (диаметр расходуемого электрода 100 мм) вводили микролегирующие (на 0,1-0,3 %) в составе обмазки, наносимой на электрод. Установлено, что после ЭШП с микролегированием прочность стали была выше на 6 %, а ударная вязкость и пластичность – на 25-30 %, по сравнению с обычным ЭШП. Рассмотрено влияние микролегирования при ЭШП на дисперсность микроструктуры рассматриваемой стали.

Dr. Alec Mitchell, профессор University of British Columbia, представил доклад о методе обстоятельного исследования структуры переплавных слитков. Автор отметил, что известны несколько компьютерных моделей для анализа влияния условий затвердевания на структуру наплавленных слитков, а достоверность результатов моделирования обычно оценивается путем сравнения предсказанной позиции границы ликвидуса с профилем ванны, устанавливаемым в слитках экспериментально. Однако, поскольку процессы затвердевания определяются температурным градиентом в двухфазной области, а не только позицией изотермы ликвидус, такой тест является, по мнению автора, неполным. В представленной работе описаны результаты тестов модели “CFD” на двух слитках сплава IN 718. Один слиток – ЭШП, другой – ВДП. Расходуемые электроды были отлиты в вакуумной индукционной печи, на одной плавке. Слиток ВДП был получен при условиях, приведших к формированию структуры с переходом от столбчатых кристаллитов по периферии, к равноосным – в центре слитка. Слиток ЭШП был наплавлен при таких режимах, которые обеспечили образование только столбчатой структуры. Такие же условия затвердевания как те, что были расчитаны моделью по стуктуре слитков ВДП и ЭШП, были созданы на лабораторных экспериментах с направленным затвердеванием того же сплава, для получения структуры для сравнения. Установлено, что использованная модель способна предсказывать структуру слитка с большой точностью, включая переход от столбчатой к равноосной структуре. Исходя из этого, автор предполагает, что такая модель или подобные ей модели могут быть использованы для прогноза не только структуры в стационарных условиях затвердевания, но также могут использоваться для исследования нестабильности структуры и возможных дефектов.

Dr. Rodney Williamson (Remelting Technologies Consulting, LLC) представил доклад о новых методах управления вакуумным дуговым переплавом и о задачах, которые необходимо решить для промышленного внедрения новых систем.
В докладе приводится интересный обзор современных систем управления вакуумным дуговым переплавом сплавов на никелевой основе и на основе титана. Рассмотрен механизм обратной связи для корректирования тока переплава и поддержания заданной скорости плавления электрода: контроль по напряжению, по количеству капельных замыканий и по изменению веса расходуемого электрода. Отмечены преимущества и недостатки современных систем управления ВДП. Однако, как отмечает автор, все существующие регуляторы могут быть подвергнуты общей критике – они все основаны на следующем положении: заданный постоянный дуговой промежуток и энергия, передаваемая ванне, определяются скоростью плавки. Однако это верно только как аппроксимация. Любое значительное изменение тока, требующееся для поддержания постоянной скорости плавки при переходных условиях переплава, приводит к увеличению сопутствующей вариации энергии, поступающей в ванну, из-за изменений мощности дуги. Однако конечная цель регулирования процесса ВДП не поддержание постоянной скорости плавки, а поддержание постоянной энергии, передаваемой ванне, а еще точнее, постоянных условий кристаллизации.
Предложены два новых метода управления, основанные на поддержании: 1) постоянной величины энергии, подводимой к ванне и 2) постоянной глубины ванны. Эти методы должны отслеживать процессы, происходящие в слитке, вместо того, чтобы следить за событиями на электроде. Отмечается, что оба метода успешно показали себя на лабораторной вакуумной дуговой печи в национальной лаборатории Лос Аламос (Los Alamos, New Mexico, USA). Регулятор, основанный на постоянстве энергии, подводимой к ванне, как и обычные, также управляет скоростью подачи электрода и током переплава. Однако, его отличие в том, что ток регулируется таким образом, чтобы сумма мощности, передаваемая в ванну от дуги, и теплосодержания поступающего металла, в единицу времени, была величина постоянная, в течение основного стабильного периода плавки. Преимущество новейшего регулирования продемонстрировано в статье на примере переплава участка электрода, имеющего поперечную трещину.
Вместе с тем автор отмечает, что для промышленного применения новейших регуляторов требуется серьезная их доработка, связанная с определением целого ряда показателей процесса. Необходимо разработать модель распределения энергия дуги между стенкой кристаллизатора и поверхностью ванны и способ мониторинга распределения дуги. Кроме этого, метод контроля глубины ванны требует описания переноса тепла на границе слиток – кристаллизатор. Необходимо также разработать программное обеспечение для высокоскоростного 3-d моделирования. Исследовательско-конструкторские работы запланированы на несколько лет вперед. Спонсором выступает Specialty Metals Processing Consortium.

Для сравнения, в России специалистами ООО "Ласмет" (Лаборатория специальной металлургии) разработана и внедрена система автоматизированного управления ВДП, выполняющая описанные выше задачи стабилизации теплового баланса ванны при возникновении нестабильности процесса (из-за поперечных трещин на электродах или даже в случае так называемой ионизации). Ионизация, как известно, особенно сильно дестабилизирует плавку, вызывая нарушения условий кристаллизации и захолаживание ванны. Отличительная особенность управляющей системы ООО «Ласмет» – упреждающая реакция на ионизацию. В результате значительно сокращается ее продолжительность, и, более того, создаются условия для практически полного нивелирования негативного влияния этого явления. Новая система управления ВДП ООО «Ласмет» обеспечивает более стабильные условия кристаллизации наплавляемого слитка и, как следствие, более однородную структуру металла ВДП, отсутствие дефектов, вызванных захолаживанием ванны в периоды ионизации.

На симпозиуме сотрудники ООО «Ласмет» представили два доклада. Первый из них – Ф.И. Шведа «О происхождении дефекта «белое пятно» (“white spot”) в слитке вакуумного дугового переплава». Известно, что дефект белое пятно представляет собой слаботравящееся светлое пятно, обычно микроскопического размера. В слитках дефект провоцирует образование трещин при деформации. Несмотря на то, что библиография, посвященная белому пятну, насчитывает десятки наименований, причины его возникновения, как следует из сообщения автора, трактуются неверно. На основании анализа известных и собственных результатов исследований белых пятен автор заключил, что причиной дефекта являются наплески металла на боковую поверхность электрода. Наплески появляются, как правило, при чрезмерно короткой дуге. Автором подробно изложен механизм образования белого пятна: подрезание дугой наплеска и падение его в ванну, захват шлака с поверхности ванны, погружение фрагмента наплеска при одновременном частичном его расплавлении, фиксация не расплавившегося остатка в двухфазной области, массообмен элементами с жидкой фазой на границе твердый остаток – окружающая жидкость, в течение ее затвердевания. Предложенный механизм позволяет объяснить все характерные особенности дефекта белое пятно, включая такой общеизвестный факт, как градиент концентрации ниобия от центра пятна к периферии. Подробно ознакомиться с материалом доклада (на англ. языке) можно на странице X, либо в главе «Дефекты слитка вакуумного дугового переплава».

Материал о компьютерном моделировании образования неметаллических включений при вторичном окислении стали представили А.А. Алексеенко и Е.В. Байбекова. Работа посвящена разработке метода на основе термодинамического и кинетического подходов, позволяющего более адекватно описывать формирование и трансформацию неметаллических включений при обработке и разливке сталей и сплавов. По мнению авторов, необходимость разработки такого метода обусловлена невозможностью объяснения термодинамическими расчетами существования целой группы неметаллических включений. Например, термодинамические расчеты не подтверждают возможность нахождения в глубоко раскисленной алюминием стали включений с высокой долей элементов, обладающих низким сродством к кислороду – марганца или железа. На практике же такие включения встречаются в пробах, отобранных при разливке и в готовой стали. Авторы разработали модель, описывающую перераспределение элементов между жидкими неметаллическими включениями и металлом в сторону равновесного состояния. При этом, жидкие включения рассматриваются, как подложки для продуктов реакций раскисления. Источником первичных жидких включений может служить эмульгированный шлак: печной (при выпуске в ковш), покровный (при замешивании в агрегате внепечной обработки), а также плена, образовавшаяся при локальном вторичном окислении металла. Авторами показана результативность подхода, учитывающего одновременно и термодинамику, "отвечающую" за стремление фаз к равновесию, и кинетику – "отслеживающую" возможность поступления компонентов к фронту реакции. Именно кинетика процесса позволяет сравнительно слабым в отношении кислорода элементам временно увеличивать свое присутствие в жидком включении. Постоянным это присутствие становится при попадании оксидной фазы в область метастабильного состояния (например, при образовании силикатов марганца) или при выпадении твердых фаз в жидкой матрице включения (например, зерен галаксита, герценита и т. д.). В докладе проанализировано образование различных неравновесных с металлом включений при вторичном окислении сталей, раскисленных кремнием и алюминием. Показано, что экспериментальные результаты – состав включений в пробах из промковша, а также в готовых слябах и заготовках, хорошо коррелируют с результатами моделирования. По мнению авторов, разработанный метод позволяет более адекватно прогнозировать характеристики образующихся включений в сталях и сплавах. Подробнее ознакомиться с материалом доклада (на англ. языке) можно на странице Y.

Продолжение следует.

Автор: А.А. Алексеенко

Santa Fe (NM):

КОММЕНТАРИИ: