Испарение магния из никелевых сплавов при вакуумной индукционной плавке

А. А. Алексеенко, Ф. И. Швед

Труды Международного симпозиума по обработке жидкого металла и разливке. Санта Фе, Нью Мехико, США. 23-26 сентября 2001 г.

Полный текст статьи

Аннотация

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.
На практике может наблюдаться 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.
Экспериментальными методами и с помощью расчетов установлено, что процесс испарения магния из никелевых сплавов в вакууме контролируется массопереносом в металле, а в атмосфере аргона — одновременно массопереносом в металле и газовой фазе. Для определения лимитирующей стадии процесса испарения магния из никеля рассчитали значения констант массопереноса магния через диффузионные слои в металле и газе, а также константу реакции испарения. Экспериментально установили, что значение константы испарения магния зависит от давления аргона и, от скорости потоков металла в тигле и их турбулентности.
Влияние давления аргона на константу скорости испарения магния из никеля исследовали на лабораторной вакуумной индукционной печи VSG-30 с 25-кг периклазовым тиглем. После расплавления шихты устанавливали заданную температуру металла, отбирали пробу, напускали аргон (на плавках с аргоном). В опытах на свежем никеле расплав предварительно раскисляли алюминием. Затем вводили магний (в составе Ni-Mo-Mg лигатуры) и выдерживали металл при заданной температуре 30-60 мин. В течение выдержки без нарушения герметичности отбирали 5-7 проб с точной фиксацией времени отбора относительно ввода магния. Температуру расплава контролировали термопарой погружения ПР-6/30. Глубину ванны определяли по пояску на поверхности тигля после слива металла. Для предотвращения поступления магния из футеровки перед опытными плавками в тигле выдерживали расплав Ni-A1(6 мас.%), а в дальнейшем чередовали опыты с алюминием и без него. Поэтому поверхность периклазового тигля, контактирующая с расплавом, была покрыта алюмомагниевой шпинелью – более устойчивым в данной системе соединением..
Влияние интенсивности перемешивания на константу скорости испарения магния исследовали при выдержке сплава ХН62БМКТЮ в 6-т тигле печи ИСВ-25. При интенсивном перемешивании значение константы скорости испарения было в 2,5 раза больше, чем при слабом. Кроме того, при одинаковом давлении в камере печи (PAr=13,3 кПа), константа скорости испарения магния из сплава ХН62БМКТЮ в 6-т тигле оказалась заметно выше, чем при выдержке этого же сплава в 25-кг тигле лабораторной печи. Интенсивность перемешивания определяется скоростью потоков металла, циркулирующих в тигле, и их турбулентностью. Расчеты, выполненные для 6-т и 25-кг тиглей, показали, что значения критерия Рейнольдса для потоков металла в 6-т тигле более чем на порядок выше соответствующих значений в 25-кг тигле. Следовательно, потоки металла в 6-т тигле имеют большую турбулентность, что и определяет ускоренный массоперенос магния к границе раздела: металл – газ.
Установленное влияние интенсивности перемешивания на константу скорости испарения магния подтверждает вывод о лимитировании процесса испарения магния из никеля и его сплавов внутренней диффузией, наряду с внешней диффузией при выдержке в атмосфере инертного газа.
Экспериментально исследовано влияние некоторых легирующих элементов, таких как хром, молибден, алюминий и железо на константу испарения магния из никеля.
Влияние этих элементов на константу скорости испарения магния в среде аргона (при давлении 13,3 кПа) и в вакууме исследовали также в лабораторной вакуумной индукционной печи с 25-кг периклазовым тиглем. Установили, что алюминий уменьшает, а хром, молибден и железо увеличивают константу скорости испарения магния из никелевых сплавов. [Engl.]

Ссылки:

l. K.P. Gubin / Physicochemical regularities of magnesium behavior at the melt of superalloys. Ph. D. Thesisis. Moscow. M1SIS. 1982. (Rus.).
2. J. Fu, H. Wang, D. Wang and others/ Kinetics of magnesium evaporation during VIM and. VAR of a nickei-base superalloy. Proc. 7-th ICVM. Tokyo. Japan, p. 1266-1274.
3. V.T. Burtsev, V.V. Sidorov, A.M. Kulebyakina/ Magnesium and yttrium evaporation from Ni-base melts in vacuum. Metally. Trans. of the Acad, of Sci. USSR. 1988. No 6. p. 17 - 22. (Rus.).
4. V.K. Bakanov/ Interaction of calcium and magnesium with the nickel-base melts and optimization of their deoxidation and modification processes. Ph. D. Thesisis. Moscow. MISIS. 1986. 166 p. (Rus.).
5. I.S. Kulikov/ Deoxidation of Metals. Moscow. 1975. 504 p. (Rus.).
6. D.A. Soskov, F.I. Shved, S.N. Chuvatina, L.V. Sergeeva/ Izvestiya vusov. Chernaya metallurgiya. 1985. No 12. p. 87-90. (Rus.).
7. W. Fischer, D. Janke, K. Stahlschmidt/ Vergleich experimenteller ergebnisse und theoretischer ansatze zur verdampfund von begleitelementen aus stahlschmelzen. Archiv fur das Eisenhuttenwesen. 1974. B.45. No 8. pp. 509 - 515.
8. B.V. Linchevsky/ Vacuum induction melting. Moscow. 1975. 239 p. (Rus.).
9. E.D. Tarapore, J.W. Evans/ Fluid velocities in induction melting furnaces: Part 1. Theory and laboratory experiments. Metallurgical Transactions. 1976. V.7B. No.3. p. 343-351.
10. F.D. Richardson/ Physical chemistry of melts in metallurgy. V.l. L.-N.Y. 1974. 595 c.
11. S.A. Archugov/ Magnesium, calcium, strontium and barium solubility in molten iron-base alloys and their application at ladle treating of steel. Ph. D. Thesisis. Chelyabinsk. NUM. 1986. (Rus.).
12. M.A. Miheev/ Foundations of heat transfer. Moscow, Leningrad. 1956. 392 p. (Rus.).
13. N.B. Vargaftik/ Reference book on thermal properties of gases and liquids. Moscow 1972. 720 p. (Rus.).
14. V.A. Grigoryan, L.N. Belyanchikov, A.Ya. Stomahin/ Theoretical bases of electrosteelmaking processes. Moscow. 1987. 271 p. (Rus.).
15. R. Reid, J. Prausnitz, T. Sherwood/ The properties of gases and liquids.
16. V.H. Knupel/ Desoxydation und vakuumbehandlung von stahlschmelsen.