Взаимодействие редкоземельных элементов с кислородом и серой при вакуумной индукционной плавке сплавов на никелевой основе

А. А. Алексеенко, Ф. И. Швед

Сталь. 2002. № 7

Полный текст

Аннотация

Служебные и технологические свойства жаропрочных сплавов на никелевой основе в значительной степени определяются балансом между остаточными концентрациями серы, с одной стороны, и редкоземельных элементов (РЗЭ) и щелочноземельных элементов (ЩЗЭ), с другой. Получение на практике оптимального соотношения между этими элементами — сложная технологическая задача даже при выплавке в вакуумных индукционных печах. Регулирование содержания ЩЗЭ затруднено их интенсивным испарением из расплава, а РЗЭ — взаимодействием с футеровкой, гарнисажем и шлаком.
Тигли промышленных вакуумных индукционных печей, предназначенных для получения никелевых жаропрочных сплавов, как правило, изготовляют из периклазовых либо периклазохромитовых огнеупоров. Восстановление магния из футеровки — основной процесс, контролирующий окислительный потенциал в системе металл - футеровка, а следовательно, и остаточные концентрации в металле РЗЭ и серы.
Для определения возможности взаимодействия РЗЭ, растворенных в никеле, с периклазом построили проекции поверхности растворимости кислорода в металле (ПРКМ) на плоскость концентраций магния и РЗЭ и провели серию экспериментов с длительными изотермическими выдержками расплавленного металла при заданных условиях в 25-кг магнезитовом тигле вакуумной индукционной печи VSG-30.
На опытных плавках после расплавления шихты и нагрева металла до заданной температуры напускали аргон до давления 13,3 кПа, вводили никельмолибденмагниевую лигатуру, а после ее растворения — лантан. Далее в течение 40 - 60 мин проводили изотермическую выдержку с периодическим отбором проб металла и добавками магния (в составе лигатуры) для поддержания его концентрации в расплаве на заданном уровне. Температуру расплава контролировали термопарой погружения ПР-6/30, пробы отбирали кварцевыми пробницами без нарушения герметичности вакуумной камеры печи.
По окончании первой выдержки металл сливали, тигель охлаждали в среде аргона и с его рабочей поверхности отбирали фрагмент футеровки для петрографического анализа. Затем проводили вторую выдержку расплава того же состава и при тех же условиях, которые поддерживали на первой.
Для сравнения провели такие же эксперименты с выдержкой металла (жаропрочный сплав ХН62БМКТЮ) в тигле, покрытом гарнисажем с предыдущих плавок аналогичных сплавов.
Построенные диаграммы ПРКМ и результаты экспериментов позволили установить следующее. Полнота окисления РЗЭ при вакуумной индукционной плавке никелевых сплавов в основном определяется составом гарнисажа и шлака в тигле. Термодинамически менее устойчивые, чем периклаз, оксидные фазы, присутствующие в гарнисаже и шлаке, служат основным источником кислорода для окисления РЗЭ и являются причиной снижения эффективности связывания серы в сульфиды (оксисульфиды) РЗЭ.

Ссылки:

1. Yamaguchi S., Kobayashi H., Matsumiya Т. et al. // Metals Technology. 1979. V. 6. Part 5. P. 170 - 175.
2. Сосков Д. А., Швед Ф. И., Чуватина С. Н., Сергеева Л. В. // Изв. вуз. Черная металлургия. 1985. № 12. С. 87 - 90.
3. Li D., Cosandey F., Maurer G. E., Foote R., Tien J. K. // Metallurgical Transactions. 1982. V. 13B. №4. P. 603-611.
4. Михайлов Г. Г., Поволоцкий Д. Я. Термодинамика раскисления стали. — М.: Металлургия, 1993. — 144 с.
5. Samuelsson E., Mitchell A. // Metallurgical Transactions. 1992. № 23В. Р. 805-814.
6. Григорян В. А., Белянчиков Л. Н., Стомахин А. Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. — М.: Металлургия, 1987. —271 с.
7. Судавцова В. С, Кудин В. Г. // Металлы. 1999. № 6. С. 119 - 120.
8. Куликов И. С. Раскисление металлов. — М.: Металлургия, 1975. — 504 с.
9. Ishii F, Ban-Ya S. // ISIJ International. 1996. V. 36. № 1. P. 25 - 31.
10. Туров В. В., Мокрое И. А., Котельников Г. И. //I Изв. вуз. Черная металлургия. 1990. № 3. С. 6 - 8.
11. Азот в металлах / В. В. Аверин, А. В. Ревякин, В. И. Федорченко и др. — М.: Металлургия, 1976. — 224 с.
12. Ishii F., Ban-Ya S. // Tetsu-to-Hagane. 1995. V. 81. № 1. P. 22-27.
13. Бурцев В. Т. Десорбция газа из жидкого металла в вакууме. — М.: Металлургия, 1987. — 232 с.
14. Дашевский В. Я., Григорович К. В., Красовский П. В. и др. // Доклады Академии наук. 1998. Т. 359. № 2. С. 212 - 213.
15. Sigworth G. К., Elliot J. F., Vaughn G., Geiger G. H. // The Metallurgical Society of CIM. 1977. Annual Volume. P. 104 - 110.