Аннотация

Актуальность работы. Сложнолегированные жаропрочные сплавы на никелевой основе являются труднодеформируемыми материалами. Повысить технологическую пластичность сплавов позволяет использование магния и редкоземельных элементов (РЗЭ), связывающих серу в металле. Однако уменьшение содержания серы не всегда сопровождается положительным эффектом, при избыточном введении магния и РЗЭ пластичность резко падает. Причина этого – интерметаллидные фазы, образующиеся при кристаллизации из-за низкой растворимости этих элементов в основе сплава.
Экспериментально установлено, что для получения пластичного металла необходимо обеспечить оптимальное соотношение в нем остаточных концентраций серы, магния и РЗЭ. Даже при выплавке сплавов в вакуумных индукционных печах это является сложной технологической задачей. Регулирование содержания магния в металле затруднено его испарением в течение выдержки расплава в тигле и разливки, а РЗЭ – взаимодействием с футеровкой, гарнисажем и шлаком. При снижении концентрации РЗЭ из-за окисления равновесие с серой сдвигается в область более высоких ее концентраций, и создаются условия для перехода серы в металл из уже образовавшихся сульфидов РЗЭ.
На практике наблюдается большой разброс остаточных концентраций магния и РЗЭ в слитках ВИП, из-за чего не всегда удается получить высокие свойства металла.
Причиной нестабильности является непостоянство от плавки к плавке кинетических и термодинамических условий процесса испарения магния и реакций, протекающих в системе металл – футеровка – шлак – газ с участием РЗЭ и магния. Эти условия определяются технологическими факторами плавки: порядком ввода магния и РЗЭ, интенсивностью перемешивания расплава, длительностью технологических операций в течение рафинировочного периода, составом шлака, гарнисажа и т.д. Имеющиеся в литературе материалы недостаточны для оценки влияния указанных факторов на протекающие процессы и совершенствования технологии.
Поэтому остаются актуальными задачи исследования особенностей испарения магния из сплавов на никелевой основе и взаимодействия РЗЭ с тиглем, гарнисажем, шлаком в условиях ВИП.
Научная новизна. Установлено влияние на испарение магния из сплавов на никелевой основе алюминия, хрома, молибдена, железа, а также интенсивности перемешивания расплава.
Для системы Ni-Al-La-Mg-O построена диаграмма поверхности растворимости кислорода в металле (ПРКМ). Получено экспериментальное подтверждение диаграммы.
Предложен метод расчета коэффициентов активности кислорода в сплавах, легированных элементами, обладающими высоким сродством к кислороду.
Исследовано взаимодействие РЗЭ с периклазовой футеровкой, гарнисажем и шлаком в условиях ВИП никеля и сплавов на его основе. Определены основные факторы, влияющие на величину остаточных концентраций РЗЭ при ВИП.
Практическая ценность. Выявленные в настоящей работе факторы, оказывающие существенное влияние на процессы испарения магния и окисления РЗЭ при вакуумной индукционной плавке сплавов на никелевой основе, и предложенные рекомендации по технологии ввода этих компонентов могут быть применены на практике для получения металла требуемого микросостава с высоким уровнем технологической пластичности и механических свойств.
Предложенные формулы для расчета коэффициентов активности кислорода могут быть использованы для вычисления предельной растворимости кислорода не только в разбавленных, но и в концентрированных многокомпонентных растворах элементов, обладающих высоким сродством к кислороду.
Реализация работы в промышленности. Предложенные в настоящей работе рекомендации по совершенствованию технологии ввода магния и РЗЭ при ВИП, внедрены в ЭСПЦ-3 ОАО «Мечел».
Алгоритмы для АСУТП ВИП использованы при разработке технического задания на создание АСУТП ВИП для печей ИСВ-25 ЭСПЦ-3 ОАО «Мечел».
Основные результаты:
Экспериментально определены константы скорости испарения магния из никеля при выдержке расплава в 25-кг тигле вакуумной индукционной печи, в вакууме и в атмосфере аргона (P_Ar = 13,3 кПа) при температуре 1773 ± 15 К. Значения констант составили 1,4·10^-4 м/с в вакууме и 0,87·10^-4 м/с в аргоне.
Рассчитаны константы массопереноса магния в никелевом расплаве, в газовой фазе (в среде аргона, при давлении 13,3 кПа), а также константы реакции испарения, при температуре 1773 К. Значения констант составили: константа массопереноса в металле Км = 2·10^-4 м/с, в газовой фазе Кг = 1,5·10^-4 м/с, испарения Ки = 1,6·10^-1 м/с.
На основании сопоставления констант внутреннего и внешнего массопереноса, а также константы испарения, заключили, что в вакууме процесс испарения магния из никеля тормозится массопереносом в металле, а в атмосфере аргона — массопереносом в металле и газовой фазе одновременно.
Экспериментально установлено влияние на константу скорости испарения магния интенсивности перемешивания расплава, которая определяется скоростью движения потоков металла и степенью их турбулентности.
Опытным путем установлено, что алюминий уменьшает, а хром, молибден и железо увеличивают константу скорости испарения магния из никелевых сплавов.
Построены диаграммы наиболее устойчивых фаз для системы Ni-Al-La-Mg-O и определены области концентраций лантана, магния и алюминия в никеле, в которых наиболее устойчивыми оксидами являются La₂O₃, MgO, La₂O₃·Al₂O₃, MgO·Al₂O₃.
Предложен метод расчета коэффициентов активности кислорода в сплавах легированных элементами, обладающими высоким сродством к кислороду. С помощью этого метода определены значения предела растворимости кислорода и наиболее устойчивые оксидные фазы при выдержке жаропрочного сплава ХН62БМКТЮ в периклазовом тигле.
Экспериментально подтверждена возможность предотвращения окисления лантана периклазовой футеровкой в присутствии магния.
Установлено, что в присутствии алюминия наиболее устойчивым соединением в системе Ni-Al-La-Mg-O (при содержании La и Mg 0,01-0,02 мас.%) является La₂О₃·Al₂O₃. Алюминат лантана покрывает стенки тигля и препятствует взаимодействию РЗЭ c MgO, несмотря на меньшую устойчивость в данной системе MgO и MgO·Al₂O₃.
Степень окисления РЗЭ при ВИП никелевых сплавов в основном определяется составом гарнисажа и шлака в тигле. Обнаруженные в них оксидные фазы, содержащие хром, кремний и железо, служат основным источником кислорода для окисления РЗЭ.
Разработаны рекомендации по технологии обработки никелевых сплавов магнием и редкоземельными элементами в вакуумных индукционных печах.
Разработаны алгоритмы расчета температуры металла и общая структура АСУТП ВИП для стандартизации процесса выплавки и уменьшения дисперсии остаточных концентраций магния и РЗЭ в слитках.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ

1. Алексеенко А.А., Швед Ф.И., Шварцман Ю.Х., Сосков Д.А. Испарение магния при ВИП// Проблемы и перспективы развития спецэлектрометаллургии. Отраслевой темат. сборник.– М.: ЦНИИЧМ им. Бардина, 1989. Ч. III. C. 40-41.

2. Алексеенко А.А., Швед Ф.И., Сергеев А.Б., Старостин Б.М. Испарение магния из сплава ХН62БМКТЮ в вакуумной индукционной печи ИСВ-25// 1-й Всесоюзный симпозиум «Новые жаропрочные и жаростойкие материалы».– М.: АН СССР, 1989. Ч. I. C. 118-119.

3. Алексеенко А.А., Швед Ф.И., Сергеев А.Б., Першина Р.Ф. Испарение магния при вакуумной индукционной плавке // Сталь. 1989. №12. C. 31-33.

4. Алексеенко А.А., Швед Ф.И. Испарение магния из никелевых сплавов при вакуумной индукционной плавке// Современные проблемы электрометаллургии стали. XI Международная конференция. Тезисы докладов. – Челябинск: ЮУрГУ. 2001. С. 111.

5. Алексеенко А.А., Швед Ф.И. Взаимодействие редкоземельных элементов с материалом тигля, гарнисажем и шлаком при вакуумной индукционной плавке никелевых сплавов// Современные проблемы электрометаллургии стали. XI Международная конференция. Тезисы докладов. – Челябинск: ЮУрГУ. 2001. С. 112.

6. Alexeenko A., Shved F. Magnesium evaporation from Ni-base alloys during vacuum induction melting// Proceedings of the 2001 international symposium on liquid metal processing and casting. – Santa Fe, New Mexico: American vacuum society, 2001. P. 18-30.

7. Alexeenko A., Shved F. The interaction of rare earth additions with refractory lining material and slag during vacuum induction melting of Ni-base alloys// Proceedings of the 2001 international symposium on liquid metal processing and casting. – Santa Fe, New Mexico: American vacuum society, 2001. P. 61-71.