Технология VAR широко используется для улучшения чистоты и структуры стандартных слитков, которые называются расходуемыми электродами, выплавленных в атмосфере либо в вакууме по технологии индукционной плавки. Стали и сплавы VAR, а также титан и цирконий и их сплавы, имеют много областей применения, где решающее значение имеет чистота, однородность структуры, длительная прочность и прочность на срез. Авиакосмическая промышленность, производство энергии, оборонная, медицинская и атомная промышленность отдают предпочтение возможностям и характеристикам этих современных материалов.

Технология и данные процесса

Технология VAR заключается в непрерывной переплавке расходуемого электрода посредством электрической дуги в вакууме. Для зажигания дуги между электродом и основанием медного кристаллизатора, установленного в водяную рубашку, используется постоянный ток. Высокая температура, создаваемая дугой, плавит кончик электрода, и новый слиток растет в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Во время процесса плавки поддерживается высокий вакуум.

Основной тип конструкции установок VAR постоянно улучшался на протяжении многих лет, в особенности это касается компьютерного контроля и полной автоматизации процесса. Это в свою очередь привело к улучшению воспроизводимости металлургических качеств продукции.

Металлургия вакуумного электродугового переплава

Кристаллизационная структура слитка из заданного материала, выплавленного по технологии VAR, зависит от скорости кристаллизации и температурного градиента на границе твердой/жидкой зон. Для получения направленной первичной дендритной структуры во время всего процесса должен поддерживаться относительно высокий температурный градиент на фронте кристаллизации. Направление роста дендритов совпадает с направлением температурного градиента, т.е. с направлением теплопередачи в момент кристаллизации к фронту кристаллизации. Направление теплопередачи всегда перпендикулярно к фронту кристаллизации, или, в случае изогнутой области контакта, перпендикулярно к соответствующей касательной. Поэтому направление роста дендритов зависит от профиля расплава во время кристаллизации. По мере того, как глубина расплава растет, увеличивается также и угол роста дендритов к оси слитка. В исключительных случаях  рост направленных дендритов может прекратиться. Тогда середина слитка кристаллизуется ненаправленно, т.е. в равноосных зернах, что приводит к образованию ликваций и микродеформаций. Даже при направленной кристаллизации микроликвации увеличиваются с увеличением расстояния между осями дендритов.

Кристаллизационная структура с дендритами, параллельными к оси слитка, является оптимальным результатом. Однако хорошая поверхность слитка требует подачи энергии определенного уровня, что выражается в соответствующей скорости плавки. Оптимальные  скорости плавки и подача энергии зависят от диаметра и вида материала, что означает, что невозможно постоянно поддерживать требуемую низкую скорость плавки для слитков большого диаметра для получения структуры параллельной к оси.

Из-за направленной кристаллизации в слитке после переплава могут возникнуть «годовые кольца», «черные поры» и «белые точки». Эти дефекты могут привести к браку слитка, особенно в случае спецсплавов.

Кольца определяются как слегка вытравленные кольцеобразные образования на травленом поперечном участке. Они свидетельствуют об отрицательной ликвации (сегрегации) кристаллов. Кольцеообразные образования, по всей видимости, незначительно влияют на свойства материала. Они являются результатом сильного колебания скорости переплава. В современных установках VAR, однако, скорость плавления поддерживается на требуемом значении при помощи точного компьютерного контроля уменьшения электрода и скорости его подачи так, что скорость плавления не имеет значительных колебаний, если они не вызваны дефектами электрода.

Черные поры и белые точки влияют на качество материала в значительно большей степени по сравнению с кольцами. Оба вида дефектов могут быть значительной причиной преждевременного отказа дисков турбин в авиационных двигателях. Черные поры это темные пятна круглой или почти круглой формы, которые богаты карбидами или карбидообразующими элементами. Поры обычно образуются из-за большой глубины расплава или вращения расплава. Вращение расплава может быть вызвано побочными магнитными полями. Избежать образования пор можно поддерживая небольшую глубину расплава и исключением магнитных полей при использовании соосных токоподводов для установки. Белые точки являются типичными для слитков VAR. Они выглядят как слегка вытравленные образования на травленой поперечном сечении. Они содержат мало легирующих элементов, напр. титана и ниобия для сплава Inconel 718.

Существует несколько процессов, которые могут влиять на образование белых точек:

• Остатки в слитке нерасплавленных дендритов расходуемого электрода
• Кусочки короны слитка, которые падают в расплав, не плавятся и не растворяются, а внедряются в слиток
• Кусочки краевой области слитка, которые перемещаются к границе кристаллизации

Все три описанных выше процесса, по отдельности или вместе, могут считаться источниками появления белых точек. Это свидетельствует о том, что образования белых точек невозможно полностью избежать при вакуумном электродуговом переплаве, т.к. они являются частью процесса. Чтобы уменьшить их число, нужно соблюдать следующие условия:

• Вести плавку с максимально возможной скоростью, позволяемой макроструктурой слитка
• Использовать короткий дуговой промежуток, чтобы уменьшить корону и увеличить стабильность дуги
• Использовать электроды с однородной структурой без раковин и трещин
• Использовать соответствующий источник питания для предотвращения выбросов тока во время возникновения коротких замыканий, вызванных падением капель металла

Контроль процесса

Для воспроизводимого производства однородных слитков без  макроликваций, с признаками контролируемой структуры кристаллизации и самой высокой чистоты требуется строгий контроль всех параметров процесса.

Для выполнения сегодняшних самых строгих требований к качеству материала в установках VAR используется автоматическая система управления процессом. Функция логического контроля, постоянное взвешивание расходуемого электрода, регулирование по замкнутому циклу (напр. скорость плавки, дуговой промежуток на основе напряжения дуги или скорость падения коротких импульсов), сбор и управление данными осуществляются компьютерной системой. Компьютер для связи оператора с установкой (OIP) иерархически является задающим устройством системы автоматического контроля плавки (АМС). OIP служит для визуализации процесса, представления данных процесса, графического отображения и функциональных клавиш для команд оператора, редактирования и управления рецептами плавки, сбора и хранения данных, а также для создания отчетов по плавке. В качестве опции OIP может быть оборудован устройством для подключения к сети для переноса данных на другие компьютеры, подключенные к локальной сети (напр. контрольный компьютер, центральный блок обработки данных и т.д.)

Заданные параметры плавки сохраняются на жестком диске и доступны для производства слитков по технологии VAR соответствующего размера и материала с соответствующими металлургическими свойствами.

Система ALD для автоматического контроля плавки (AMC) остается непревзойденной во всем мире из-за присущих ей свойств, простоте в обращении и благодаря точности и воспроизводимости управления. 

Преимущества VAR

Основные преимущества переплава расходуемых электродов в вакууме:

• Удаление растворенных газов, напр. водорода, азота и СО;
• Уменьшение нежелательных микроэлементов
• Уменьшение содержания оксидов
• Получение направленной структуры от нижней к верхней части слитка, что помогает избежать макроликвации и уменьшить микроликвацию

Оксиды удаляются при помощи химических и физических процессов. Менее стабильные оксиды или нитриды термически разлагаются либо восстанавливаются при помощи углерода, входящего в состав сплава и удаляются во время газовой фазы. Однако в спецсплавах и высоколегированных сталях неметаллические включения, напр. карбонитриды титана или алюминия, очень стабильны. Эти включения удаляются в некотором количестве благодаря флотации во время плавки. Остающиеся включения разбиваются и равномерно распределяются в поперечном сечении слитка.

Возможности вакуумного электродугового переплава:

• Вес слитка до 50 тонн
• Плавка электрода происходит в вакууме посредством дуги постоянного тока (заряд электрода отрицательный, расплав – положительный)
• Величина тока до 40 кА
• Значение вакуума: 1-0,1 Па (в некоторых случаях до 1000 Па)
• Система контроля веса электрода
• Неподвижная либо свободно стоящая конструкция подъемного крана
• Система соосных подводов высокоамперного тока
• Процесс плавки управляется при помощи компьютера в соответствии с заданной программой (контроль дугового промежутка, управление скоростью плавки, система сбора данных, распечатка протокола плавки)

Использование установок VAR:

• Высокопрочные стали для колец ракетных ускорителей и труб высокого давления
• Шарикоподшипниковые стали
• Инструментальные стали для фрез, сверл, резцов и т.д.
• Штамповые стали (горячие и холодные)
• Плавление активных металлов (титан, цирконий и их сплавов) для авиакосмической, химической промышленности, для оборудования по добыче нефти на шельфе и для строительства реакторов.