Электрометаллургия

Технологические процессы, реализуемые в вакуумных печах сопротивления с экранной теплоизоляцией

Вакуум считается идеальной нейтральной средой. Нагрев в вакууме необходим при проведении следующих технологических процессов:

  • отжига для снятия напряжений после деформации изделий различной конфигурации (трубы, профили, прутки, полосы), а также после их сварки;
  • отжига для фазовой перекристаллизации путем нагрева выше температур превращения и охлаждения с малой скорость, приводящей сплав к структурному равновесию (применяется для сварных и литых конструкций);
  • рафинирования и спекания металлов, а также оксидов, нитридов, боридов и других соединений;
  • сушки деталей и изделий электронной промышленности, трансформаторов, электродвигателей, изоляторов, силовых конденсаторов, химических материалов, пищевых продуктов;
  • закалки деталей из конструкционных сплавов легированных металлами, активно взаимодействующими с кислородом, азотом, водородом, окисью углерода СО2 и т.п.;
  • старения (отпуска) для придания сплаву структурного равновесия в процессе изготовления ответственных узлов газовых турбин, ядерных реакторов, самолетов, ракет;
  • нагрева перед прокаткой или прессованием заготовок изделий из тугоплавких и высокоактивных композиций;
  • пайки твердыми припоями без применения флюсов для получения надежных соединений деталей в электровакуумных приборах, при производстве газовых турбин, в атомной технике, в самолето- и ракетостроении;
  • исследования различных свойств материалов: физико-механических характеристик, давления насыщенного пара и скорости испарения, качества и состава газов и т.п.

Тепловые параметры вакуумных печей с экранной теплоизоляцией существенно хуже, чем у футерованных печей. Но, несмотря на повышенный расход электроэнергии, для большинства перечисленных технологических процессов, когда требуется повышенная чистота или необходима малая тепловая инерция печи, должны применяться ВПС с экранной
теплоизоляцией.

Такой процесс, как вакуумное ионное азотирование, даже при температурах 600-700 °С требует металлических нагревателей и экранов. Процесс спекания танталовых анодов для конденсаторов требует не просто наличия металлических нагревателей и экранов в рабочем пространстве печи, а именно выполненных из тантала для создания сверхчистового рабочего пространства, способствующего получению сверхчистых анодов с определенными параметрами токов утечки.

Для технологических процессов, требующих минимальной быстроты натекания (например, для обезгаживающего отжига деталей), нашли применение шахтные низкотемпературные электропечи с экранной теплоизоляцией, обладающие сравнительно небольшим газовыделением с внутренних поверхностей нагревательной камеры.

Широкое применение получили вакуумные печи с экранной теплоизоляции для спекания различных материалов (например, титана и циркония). Нагреватели и теплоизоляция в таких установках, как правило, выполнены из молибдена.

В процессе спекания из изделий удаляется оставшийся после дегазации водород в количестве до 0,1÷0,01%. Кроме того, при низких температурах выделяются газы (азот, кислороды, пары воды), адсорбированные в процессе прессования поверхностью порошка. Эти газы при 300-400 °С и выше образуют с титаном стойкие химические сопротивления. В связи с этим температурный режим термообработки титана должен быть установлен таким образом, чтобы обеспечить небольшую скорость нагрева на этапе до 300-400 °С, способствующую откачки адсорбированных газов вакуумной системой. А также быстрый нагрев может привести к неравномерной по сечению усадке, что в свою очередь вызовет образование на поверхности трещин.

В садочных футерованных электропечах, особенно крупных, может наблюдаться нестабильность свойств изделий или частей изделия вследствие нарушения равномерности температурного поля электропечи в процессе нагрева и охлаждения. Поэтому применение таких печей для спекания ответственных деталей нежелательно.

При спекании высокотемпературных материалов (ванадия, ниобия, тантала) рекомендовано использовать нагревательные элементы из вольфрама, а теплоизоляцию из комбинированного набора экранов, выполненных из вольфрама и молибдена. На рисунке 1 представлена элеваторная печь 1СЭВ-2,5.5/20Э предназначенная для реализации данных процессов термообработки. Трехфазный нагреватель из отдельных прутков навешен на массивные вольфрамовые фазные дуги, соединенные с неохлаждаемыми вольфрамовыми токоподводами. Такая конструкция в сравнении с водоохлаждаемыми токоподводами снижает до 30% потери через токоподводы и позволяет увеличить зоны равномерного нагрева по высоте до 25%.

Рисунок 1 - Элеваторная электропечь 1СЭВ-2,5.5/20Э для отжига и спекания высокотемпературных материалов
Рисунок 1 — Элеваторная электропечь 1СЭВ-2,5.5/20Э для отжига и спекания высокотемпературных материалов

Технологический процесс пайки в вакууме применяется обычно для деталей из материалов, нагрев которых в защитных средах недопустим или для материалов, взаимодействующих с флюсами. При пайке в вакууме качество паяного шва может быть значительно выше, чем при пайке в газах, за счет обезгаживания припоя и отсутствия окисных пленок на спаиваемых поверхностях. Преимуществом высоковакуумных печей для пайки является отсутствие окисления даже наиболее активных к кислороду компонентов основного металла и припоя. Паяные швы, полученные при пайке в высоком вакууме, отличаются прочностью, плотностью и коррозионной стойкостью.

Недостатками пайке в вакууме является сложность, высокая стоимость оборудования и низкая производительность процесса.

Такое разнообразие технологических процессов требовало интенсивного изучения и модернизации конструкций и систем управления вакуумных печей.

Свое развитие ВПС получили в СССР в 60-70-е годы XX века главным образом в связи с возникновением новых областей техники таких, как атомная и ракетная, а также в связи с бурным качественным развитием металлургии черных, цветных и редких металлов, электроники, авиации и пр.

Известно, что до перестройки развитие ВПС происходило в семь раз быстрее, чем других печей сопротивления вместе взятых. В 70х годах прошлого века в СССР за 10 лет разработано около 40 типов, и ежегодно выпускалось около 200 вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляцию мощностью 20000 кВт. А за последующие 10 лет (70-80е годы) было изготовлено более 9 тысяч вакуумных печей сопротивления различных типов.

Большой вклад в развитие ВПС в 60-70-х года 20 века внесли исследования и изучения свойств различных материалов в вакууме, проводившиеся в лаборатории Всесоюзного научно-исследовательского института электротермического оборудования (ВНИИЭТО) под руководством Мармера Э.Н.

За это время был написан ряд основополагающих трудов по изучению и проектированию вакуумных печей сопротивления, среди которых можно выделить: «Материалы вакуумных электропечей», 1959 г. Мармера Э.Н., «Вакуумные электрические печи (сопротивления и индукционные)», 1968 г. Лейканда М.С., «Вакуумные печи с экранной теплоизоляцией», 1970 г. в соавторстве Фомина В.М. и Слободского А.П., «Электропечи для термовакуумных процессов», 1977 г. в соавторстве Мармера Э.Н. и Мурованной С.Г.

Также следует отметить две работы на соискание степени кандидата технических наук: «Исследование теплообмена в вакуумных печах сопротивления с экранной теплоизоляцией», 1969 г. Слободского А.П. и «Исследование высоковакуумных электропечей с экранной теплоизоляцией, и влияние неизотермических режимов на выбор откачных систем», 1972 г. Фомина В.М. В 90-х годах XX века выпуск электротермического оборудования в России практически прекратился, что связано с политическим и экономическим состоянием в стране. В первом десятилетии XXI века промышленность в России получила новый толчок к развитию. В связи с этим возобновился интерес к отечественному печестроению. Основными предпосылками к изучению и совершенствованию ЭПС в России, в последнее время, стали:

  • выход из строя на большинстве заводов России советских сконструированных установок, запущенных в работу в 60-70-х годах XX века, что привело к высокому спросу на данное оборудование;
  • рывок иностранных компаний, производящих электротермическое оборудование;
  • высокая стоимость иностранного электротермического оборудования.

Современное состояние науки, а также развитие новых отраслей, таких как нанотехнологии, накладывают новые дополнительные требования к разработке современных вакуумных печей сопротивления.