yandex.metrica
Переплавные процессы

Вакуумно-дуговой переплав

Одним из недостатков ВИП является наличие контакта и взаимодействия огнеупорной футеровки тигля с металлическим расплавом. Структура слитков, получаемых в ВИП, мало отличается от металла открытой выплавки. Эти недостатки были устранены в разработанной и широко внедренной в производство технологии переплава металлических материалов в водоохлаждаемых кристаллизаторах вакуумных дуговых печей (ВДП). Переплав в ВДП с расходуемым электродом является распространенным способом получения сталей и сплавов высокого качества.

Металл ВДП характеризуется однородностью свойств, низким содержанием газов и вредных примесей, плотной макроструктурой, малым содержанием и равномерным распределением неметаллических включений, а также отсутствием многих дефектов ликвационного происхождения, наблюдаемых в слитках легированных сталей, отлитых в обычные изложницы на воздухе. В ВДП выплавляют слитки массой до 200 т и более. Сортамент сталей и сплавов, получаемых в ВДП, достаточно разнообразен — шарикоподшипниковая сталь для приборных подшипников, конструкционная легированная сталь, коррозионностойкие стали, а также стали и сплавы с особыми физическими свойствами. На рис. 1 приведена схема устройства дуговой вакуумной печи с расходуемым электродом.

Металл для электродов выплавляют в дуговых, индукционных и мартеновских печах и кислородных конвертерах и разливают в изложницы для слитков разной массы, в специальные кокили и на установках полунепрерывной разливки для литых заготовок. Для переплава используют электроды, катаные и кованые из слитков, и более дешевые электроды в виде литых заготовок.

В ВДП расходуемый электрод расплавляют в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе под действием электрической дуги, при этом жидкий металл стекает в кристаллизатор и там затвердевает в виде слитка. В производстве ограниченно используются печи с нерасходуемым электродом. В них дуга горит между электродами, изготовленными из графита или вольфрама, и шихтой, загружаемой в кристаллизатор из дозатора.

Достоинством способа ВДП является отсутствие контакта металла с огнеупорной футеровкой, недостатком — невозможность снижения содержания серы из-за отсутствия шлаковой фазы. Дуговая плавка отличается высокой концентрацией тепла в дуге, поэтому ВДП получил широкое распространение при производстве слитков из тугоплавких металлов (титана, циркония, ниобия, молибдена, вольфрама и др.). Переплав, в котором переплавляется электрод, называют ВДП с расходуемым электродом. Современная ВДП с расходуемым электродом приведена на рисунке 1.

 Вакуумно-дуговая печь

 

1 —механизм перемещения электрода; 2—вакуумная камера; 3 — механизм прижима электрода; 4 — направляющие кристаллизатора;

5 — кристаллизатор с поддоном; 6— механизм подъема кристаллизатора; 7—механизм разгрузки; 8 — патрубок с вакуумным насосом

Рисунок 1 — Вакуумно-дуговая печь

В некоторых случаях изготовить расходуемый электрод невозможно (например, при переплаве титановой губки). В этих случаях губчатый или порошкообразный материал расплавляют, помещая его в зону дуги между постоянным (нерасходуемым) электродом и ванной. Такой метод называют ВДП с нерасходуемым электродом. Полученный таким образом слиток обычно еще раз переплавляют методом ВДП с расходуемым электродом. При ВДП с нерасходуемым электродом вместо кристаллизатора иногда устанавливают металлический водоохлаждаемый тигель; во время плавки на стенках тигля образуется корочка переплавляемого металла (гарнисаж) и расплав контактирует с гарнисажем из этого же металла. Печи такого типа называют гарнисажными.

Вакуумные дуговые гарнисажные печи (ВДГП) используют также для фасонного литья отливок особо ответственного назначения. На рисунке 2 изображена схема современной гарнисажной печи емкостью 0,6 т с разливкой металла по желобу. Плавильная поворотная камера соединена с двумя стационарными заливочными камерами с помощью патрубков и поворотных вакуумных уплотнителей. Нерасходуемые электроды обычно делают из вольфрама.

Вакуумная дуговая гарнисажная печь

ВДП с расходуемым электродом (рисунок 3) состоит из герметичной рабочей камеры с прикрепленным к ней с помощью прижимного фланца и вакуумного уплотнения медным водоохлаждаемым кристаллизатором. Рабочая камера через патрубок соединена с системой вакуумных насосов и снабжена гляделкой для наблюдения за процессом переплава (с помощью перископа или телевизора) и отверстием с вакуумным уплотнением для штока электрододержателя. Для лучшего контакта и зажигания дуги на дно кристаллизатора укладывают шайбу (затравку) и поверх нее стружку из того же материала, что и электрод. Для обеспечения удаления выделяющихся газов в процессе плавки и предотвращения заклинивания электрода между ним и кристаллизатором предусмотрен зазор размером 25-70 мм.

1 — корпус печи, 2 — расходуемый электрод, 3 — электрододержатель, 4 — кристаллизатор, 5 — поддон, 6 — вакуумное уплотнение,

7 — механизм перемещения электрода, 8 — автоматический регулятор перемещения электрода, 9 — источник питания печи, 10 — вакуумная система,

11 — регулятор тока, 12 — пульт управления 13 — подвижный поток

Рисунок 3 — Схема вакуумной дуговой печи с расходуемым электродом

Плавку обычно ведут на постоянном токе с остаточным давлением ~0,13 Па, при этом электрод служит катодом, а слиток — анодом. Ток с напряжением около 25—80  к электроду подводят электрододержателем и водоохлаждаемыми кабелями. Скорость плавления электрода не зависит от размеров электрода и кристаллизатора и определяется только силой тока, т. е. А = I·k, где I — сила тока, кА; k — постоянный коэффициент, кг/(А·с). При напряжении 25 В коэффициент k = 0,5….0,7.

Для расчета силы тока, необходимой для получения качественного слитка, используют зависимость Iр =β·D,    где Iр— сила тока при рабочем режиме, А;   β — коэффициент, равный 170-400 А/см (линейная плотность тока); D — диаметр кристаллизатора.

При вакуумной дуговой плавке управляют как основными процессами и операциями (зажиганием дуги, прогревом электрода, плавкой, выводом усадочной раковины), так и вспомогательными (приваркой электрода, вакуумной системой, системой охлаждения). Автоматическое регулирование процесса переплава  в  ВДП позволяет поддерживать заданную длину дуги, подачу электрода с заданной скоростью и соответствующую скорость его плавления.
Различают три группы устройств, обеспечивающих управление ВДП: регуляторы тока дуги, регуляторы дугового промежутка и устройства защит, блокировок и управления вспомогательными операциями.

Получение однородного по структуре слитка ВДП обеспечивают поддержанием постоянства мощности, подводимой к ванне, скорости наплавления слитка, стабилизации силы тока дуги и неизменной длины дуги.

Плавку проводят следующим образом. Электрод устанавливают и центрируют в кристаллизаторе на затравке. Затем кристаллизатор присоединяют к печи, приваривают электрод к хвостовику электрододержателя, открывают печь и осматривают качество сварки. После дополнительного центрирования электрода в кристаллизаторе печь герметизируют, создают в рабочем пространстве вакуум, включают ток, разводят жидкую ванну, подают в зазор между слитком и кристаллизатором гелий и, увеличивая мощность до максимальной, ведут плавление электрода. В конце плавления мощность снижают и усадочную раковину выводят на малом токе. После отключения тока слиток охлаждают в печи в атмосфере гелия, затем в печь напускают воздух, кристаллизатор со слитком отсоединяют от плавильного пространства и слиток выгружают для дальнейшего охлаждения и обработки его поверхности.