Дефекты слитка процесса ВДП.
При ВДП на внутренней поверхности кристаллизатора образуется корка (гарнисаж). Внешний по отношению к слитку ее слой представляет собой конденсат, в состав которого входят все испаряющиеся элементы. Внутренний слой состоит из небольших частичек металла, сходных по составу с переплавляемой сталью, вероятно - брызг. При подъеме уровня металла гарнисаж частично растворяется в нем и сплавляется со слитком. Из-за характерного вида этой корки на головной части слитка гарнисаж получил наименование «корона».
Рыхлый конгломерат конденсата и брызг металла значительно ухудшает качество поверхности слитка ВДП. В состав гарнисажа входят все элементы, присутствующие в переплавляемом материале. Но концентрация марганца здесь в 20-100 раз выше, чем в слитке, а иногда его наружный слой содержит до 80 % этого элемента.
Гарнисаж интенсивно поглощает азот, выделяющийся из переплавляемого металла. Он взаимодействует с титаном, алюминием, другими элементами и образует большое количество нитридов, которые при подъеме расплава частично растворяются. В результате, содержание азота на периферии слитка ВДП до глубины 8—10 мм значительно выше его концентрации в основном металле. Если количество азота в исходном металле принять за 100 %, то его содержание в поверхностном слое толщиной 10 мм - 45 %, в слитке без поверхностного слоя -21 %, а десорбция в газовую фазу - 34 % . Это означает, что геттерный механизм гарнисажа в части деазотации соизмерим с действием вакуумной системы.
Неудовлетворительное качество поверхности слитка ВДП едва ли не основной его дефект. Однако конденсат на стенке кристаллизатора может являться причиной и внутреннего дефекта слитка ВДП. Из-за интенсивного вращения расплава и нестабильного горения дуги тонкий и недостаточно прочный гарнисаж разрушается. Его падающие кусочки погружаются в ванну и фиксируются в двухфазной зоне. При травлении металла они выявляются в макроструктуре как дефект характерной формы, в виде спирали, поэтому его именуют «улитка» или «корона». Этот дефект чаще встречается в сплавах на основе никеля, легированных титаном и алюминием, и представляет собой крупное скопление нитрид карбонитридов и оксидов титана, алюминия, ниобия.
Возможность достижения нерасплавившимися кусочками гарнисажа фронта кристаллизации подтверждена опытами по искусственному их введению в металлическую ванну при ВДП. Установлено, что дефект «улитка» появляется при падении сравнительно крупных кусочков с линейными размерами более 5 мм.
Шлак на поверхности ванны является причиной образования в слитках ВДП и другого дефекта. Тонкая тугоплавкая пленка оксидов оттесняется на периферию и прилипает к гарнисажу. Если пленка достаточно прочна, то при подъеме уровня расплава она погружается в ванну и фиксируется в слитке в виде шлаковых включений. Пораженность слитка ВДП такими дефектами усиливается с возрастанием загрязненности исходного металла, а также при чрезмерном снижении производительности переплава, вызывающем охлаждение металла на периферии ванны.
Кроме шлаковых загрязнений, в слитке ВДП обнаруживается еще один вид подкорковых дефектов - газовые поры (свищи). Их диаметр составляет 3—7 мм, глубина проникновения может быть значительной, иногда более 70 мм. Образование свищей связывают с газовыделением (азота или оксида углерода) из короны при прогреве ее жидким металлом. Этот дефект присущ конструкционным сталям, а в нержавеющих и жаропрочных сталях и сплавах свищи встречаются редко. Вероятность их появления возрастает с повышением газонасыщенности переплавляемого металла.
Повышенная загрязненность поверхностного слоя металла металлическими включениями, чрезмерное обогащение легирующими элементами, примесями, газами, а также наличие подкорковых дефектов обусловливают необходимость обдирки слитков ВДП на глубину 25 мм. Особые затруднения при обработке слитка лезвийным или абразивным инструментом вызывает повышенное содержание марганца в гарнисаже, увеличивающее сопротивляемость металла удалению, что значительно усложняет подготовку слитков к дальнейшему переделу.
Большую пользу в деле повышения качества поверхности слитка должно оказать применение флюсов при ВДП. Небольшие их присадки на зеркало расплава будут ассимилировать и разжижать тугоплавкие шлаковые пленки, предотвращать сплавление слитка с короной, предупреждать образование в нем шлаковых включений, свищей. В некоторых случаях это позволит смягчить требования к подготовке поверхности расходуемых электродов и даже использовать для переплава заготовки с неудаленной окалиной.