Поведение магния и редкоземельных элементов при вакуумной индукционной плавке никелевых сплавов

А. А. Алексеенко

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Полный текст

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 (PAr = 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.