Дуговые вакуумные печи для плавления тугоплавких металлов

Плавка относительно тугоплавких металлов

Для плавки относительно тугоплавких цветных металлов и сплавов — никеля, кобальта и меди применяются дуговые печи.

Для плавки меди, бронзы, катодного никеля и других цветных металлов часто применяются барабанные печи с независимой дугой типа ДМ (дуговая, медная). Печь представляет собой горизонтально расположенный футерованный огнеупорами барабан, вращающийся на четырех опорных роликах. По оси барабана расположены два графитовых электрода, между концами которых горит дуга. Металл загружается в печь через отверстие в барабане, служащее одновременно и для разливки жидкого металла. После расплавления части металла включается механизм качания печи, который периодически поворачивает барабан на определенный угол в обе стороны. Для медных сплавов печи ДМ футеруются шамотом, для никелевых сплавов — магнезитом. Заполнение печи металлом должно быть таким, чтобы поверхность ванны отстояла от электродов на расстоянии не менее 75—100 мм. Графитовые электроды зажимаются в бронзовые литые электрододержатели, охлаждаемые водой. Электрододержатели установлены, в направляющих, вдоль которых они перемещаются вручную или с помощью электромотора, управляемого автоматическим регулятором горения дуги.

В крупных литейных и рафинировочных цехах для плавки катодной меди и выплавки никеля из закиси применяются трехэлектродные круглые поворотные дуговые печи с зависимой дугой большой мощности.

Плавка тугоплавких реакционно активных металлов

Для плавления тугоплавких реакционно активных ме­таллов (титан, молибден, вольфрам, цирконий, гафний, ванадий, бериллий и др.) и сплавов на их основе наибо­лее подходящей печью является дуговая вакуумная печь (ДВП), обеспечивающая высокую температуру и дополнительную очистку металла от летучих примесей и газов. Получаемый чистый металл обладает лучшими эксплуатационными свойствами. Так, плавка подшипни­ковой стали в ДВП позволяет увеличить срок службы шарикоподшипников в пять раз. За два с небольшим де­сятилетия с начала применения ДВП достигнуты значи­тельные успехи в изучении теории работы этих печей и их конструировании. Вначале получали слитки в несколько килограммов, в настоящее время получают слитки круглой и прямоугольной формы массой до 40 т и фасонные отливки массой до 600 кг.

Схема ДВП с расходуемым электродом показана на рис. 162. Электрический ток к электроду подводится с помощью электрод о держателя и токоведущего штока 1. Шток проходит через вакуумное уплотнение 2 в верхней части рабочей камеры 3 и соединяется с расходуемым электродом 4 из металла, подвергаемого плавлению. Осо­бенностью конструкции ДВП является использование чаще всего водоохлаждаемого кристаллизатора 7 из ме­ди, бронзы или стали, в котором формируется слиток 6 после переплава. На верхнем торце слитка под электро­дом находится ванна жидкого металла 5. На стенках кристаллизатора быстро образуется твердый слой ме­талла, называемый гарниссажем. Наличие гарниссажа предохраняет расплав от загрязнения материалом сте­нок кристаллизатора. Слиток начинает формироваться на водоохлаждаемом поддоне 8. Первые капли металла с электрода быстро затвердевают и только на некоторой высоте, когда влияние охлаждения поддона уменьшится, на слитке образуется жидкая ванна. Полученный слиток может непрерывно опускаться, при этом ванна металла будет все время оставаться на одной высоте.

Другой метод плавки носит название плавки в глу­хом кристаллизаторе. При этом поддон остается на мес­те, а высота слитка все время увеличивается. В этом случае не требуется механизма для вытягивания слитка. Плавка в ДВП производится на постоянном токе. Это устраняет пульсацию горения дуги переменного тока. Катодом служит электрод, анодом — слиток металла и кристаллизатор. Высокая температура в межэлектрод­ном пространстве приводит к испарению металла. Равно­весное давление его паров значительно выше давления остаточных газов (в 10²—10³ раз). Напряжение первич­ной ионизации паров металла меньше (около 8 В), чем атомов водорода, кислорода, азота (около 14 В) и осо­бенно инертных газов — аргона (15,7 В), гелия (24,5 В). Поэтому дуга в вакууме горит в парах металла. Давле­ние паров металла значительно меньше у боковых бо­лее холодных поверхностей электрода. Это приводит к тому, что горение дуги локализовано в межэлектродном пространстве. Переброс дуги на стенку кристаллизатора возможен при малом расстоянии электрода от стенки или при повышении давления газов в печи. Возникновение дуги между электродом и стенкой кристаллизатора нель­зя допускать, так как стенка кристаллизатора может проплавиться и вода попадет на расплавленный металл. При высокой температуре металла вода диссоциирует на кислород и водород с образованием взрывоопасной смеси газов. Для снижения вероятности горения дуги между электродом и стенкой кристаллизатора зазор между ними (D_э—D_к)/2 делается больше, чем длина ду­ги под электродом.

Дуга между электродами горит при низком напряже­нии (20—30 В), при этом длина дуги составляет всего 2—5 см. Для сжатия столба дуги и предотвращения пе­реброса ее на кристаллизатор иногда используют посто­янное магнитное поле, создаваемое соленоидом, распо­ложенным снаружи кристаллизатора. Такой соленоид при питании переменным током может быть использо­ван для электромагнитного перемешивания металла в ванне.

При нормальном ходе процесса дуга опирается ка­тодным пятном (или несколькими пятнами) на плоский торец переплавляемого электрода, а анодным пятном — на зеркало ванны жидкого металла. За счет выделяе­мого тепла на электроде образуется пленка жидкого ме­талла, который в виде капель стекает в ванну. Непре­рывное плавление металла на электроде приводит к тому, что его температура все время поддерживается близкой к температуре плавления. На аноде выделяется несколько больше тепла, чем на катоде, что приводит к перегреву жидкой ванны и лучшему проплавлению слит­ка. При отводе тепла через стенки кристаллизатора охлаждающей водой происходит непрерывная кристал­лизация расплава.

Расплавленный металл в виде тонкой пленки на электроде, капля, стекающая в ванну, и поверхность жидкого металла в ванне в условиях вакуума выделяют растворенные газы и летучие примеси. Благодаря этому происходит существенная очистка металла.

На горение дуги значительное влияние оказывает давление остаточных газов в печи. При остаточном дав­лении от 0,1 до 100 Па наблюдается равномерный (диф­фузный) дуговой разряд с большим диаметром анодного пятна и положительного столба с небольшой яркостью столба, занимающего практически весь объем межэлек­тродного пространства. При давлении остаточных газовот 0,1 до 10 кПа наблюдается переходная форма разря­да, когда образуется несколько катодных пятен, переме­щающихся по нижней и боковой поверхности электрода с большой скоростью. Это приводит к уменьшению ско­рости плавления электрода и увеличению нагрева кристаллизатора. Наблюдается общее свечение газов в пе­чи. При давлении остаточных газов от 10 до 25 кПа об­разуется «отшнурованный» разряд, имеющий ярко выраженный столб и опорные пятна диаметром в не­сколько миллиметров. Разряд характеризуется неустой­чивостью положения в пространстве. В связи с этим ва­куумная система печи рассчитывается на получение ос­таточного давления в холодной печи менее 0,1 Па. Для создания вакуума используются механические форвакуумные и двухроторные, а также бустерные паромасля­ные насосы. Следует иметь в виду, что в начальный пе­риод плавки, когда электрод находится в кристаллиза­торе, отвод газа из-под электродного пространства затруднен вследствие малой пропускной способности за­зора между слитком и кристаллизатором. Остаточное давление газов там может быть выше.

Большим достижением в развитии ДВП явилось освоение переплава прямоугольных слитков. Такая фор­ма слитка значительно лучше для дальнейшей обработ­ки давлением.

При переплаве в глухом кристаллизаторе на его по­верхность попадают брызги металла и осаждаются лету­чие соли. Это портит наружную поверхность получаемо­го слитка. Для получения хорошей поверхности слитка и улучшения качества металла используют двойной пе­реплав. Для этого в конце плавки остаток электрода по­гружают в расплавленную ванну и дают ему застыть. Затем с помощью механизма подъема электрода слиток вынимают из кристаллизатора, подставляют новый кри­сталлизатор и плавку повторяют.

Хорошие результаты дает вторичный переплав под слоем шлака в атмосфере аргона или гелия. При этом электрод погружается в расплавленный шлак и плавле­ние идет за счет тепла, выделяемого при прохождении тока по шлаку. Достигается равномерное распределение температуры и полное отсутствие брызг.

Другой модификацией дуговых вакуумных печей яв­ляется плавка в гарниссаже, используемая для получе­ния отливок из реакционных тугоплавких металлов. В этом случае в кристаллизаторе наплавляется необхо­димое количество металла, который затем разливается в изложницы. Наплавление может производиться путем загрузки в печь шихты из бункера и с использованием нерасходуемого электрода (графитового, вольфрамово­го или стального водоохлаждаемого). Возможно также комбинирование расходуемого электрода с загрузкой кусковой шихты из бункера. Разлив металла осуществ­ляется проплавлением отверстия в дне тигля, наклоном тигля без электрода и наклоном тигля вместе с электро­дом без прекращения горения дуги. Как правило, раз­лив производится без нарушения герметичности (под ва­куумом). При гарниссажной плавке используются тигли металлические с водяным охлаждением, а также графи­товые, помещенные в стальной водоохлаждаемый кожух.

Общий вид дуговой вакуумной печи показан на рис. 163. Печь имеет опорный каркас, на котором мон­тируются все элементы печи и устанавливаются рабочие площадки для обслуживания печи на разных уровнях. Общая высота печи достигает 15—25 м. Частично она углублена ниже пола цеха, и там производится разгруз­ка получаемых слитков. Высоту печи можно уменьшить, применяя отодвигающуюся рабочую камеру. Однако в этом случае возникают трудности токопровода и подсо­единения вакуумной системы.

Основной частью печи является рабочая камера, имеющая водяное охлаждение. Охлаждение предохра­няет корпус камеры от деформации и сохраняет ваку­умные прокладки. Камера имеет гляделки, люки для об­служивания, фланцы для присоединения вакуумной си­стемы и предохранительный клапан для стравливания давления при аварии и попадании воды в печь. Нижним своим фланцем камера соединяется с кристаллизатором. В верхней части имеется отверстие с вакуумным уплот­нением для прохода штока — электрододержателя. Шток выполняется из коаксиально расположенных труб. На­ружная труба делается медной и служит для токопрово­да. Внутренняя труба — стальная — удерживает элек­трод. Подъем и опускание осуществляются обычно ме­ханическим приводом. На конце штока укрепляется огарок электрода (200—300 мм), который сваривается с переплавляемым электродом. Между трубами циркули­рует вода для охлаждения штока. Скорость перемеще­ния штока 5—10 мм/мин. Предусматривается форсированное перемещение со скоростью, в 200—400 раз превышающей обычную.

Кристаллизатор — наиболее ответственная деталь пе­чи, испытывающая большие тепловые нагрузки. Он со­стоит из внутренней гильзы и наружного стального не­магнитного кожуха. В зазоре протекает вода для отвода тепла кристаллизующегося металла. Внутренняя гильза часто делается из хромистой бронзы толщиной 30—40 мм. Большая толщина нужна для увеличения прочности и для распределения тепла вдоль стенки. Кри­сталлизатор загрязняется и разрушается частично брыз­гами металла, что и определяет его срок службы (несколько сотен плавок). Для охлаждения кристаллизато­ра может использоваться сжиженный гелий или жидкие металлы (калий, натрий). Это устранит возможность взрыва при прожиге стенки кристаллизатора, но техни­чески трудно в исполнении и использовании.

Низ кристаллизатора закрыт поддоном, который вы­держивает большую тепловую нагрузку при начале плав­ки (до 50% мощности дуги). Он выполняется из меди толщиной 60—80 мм с водяным охлаждением. Для пре­дохранения от прожига поддона дугой при начале плав­ки на поддон кладут кусок слитка толщиной 50—100 мм. Тогда дуга горит между электродом и этим слитком.

Выпускаемые вакуумные дуговые печи мощностью от 1400 до 5600 кВт позволяют получать слитки титана диаметром до 1400 мм, молибдена и ниобия — до 250 мм.

На рис. 164 приведен разрез дуговой вакуумно-ком­прессионной электропечи для получения фасонных отли­вок из титана и его сплавов. Плавка проводится в вакуу­ме расходуемым электродом. Разливать металл можно как в вакууме (0,1 Па), так и под давлением (до 700 кПа) без разрыва дуги в стационарную или вращаю­щуюся форму, установленную на столе центробежной машины (частота вращения стола может изменяться от 50 до 500 об/мин). Плавильная камера соединена с за­ливочной камерой через пустотелую цапфу, в которой размещен разливочный желоб. Для слива металла из тигля в желоб механизм наклоняет плавильную камеру на угол до 100°. Плавильная и заливочная камеры име­ют крышки, откидывающиеся с помощью гидроцилинд­ра. Вакуумная система состоит из бустерного насоса БН-15000 и двух форвакуумных насосов ВН-300. Элек­трод перемещается с помощью гидропривода. Печь для получения отливок имеет емкость ванны по титану от 100 до 600 кг. Удельный расход электроэнергии при плав­ке титана 1,7—2,3 кВт-ч/кг.

Схема теплообмена в рабочем пространстве печи по­казана нарис. 165. Тепло, выделяемое в дуговом проме­жутке между катодом и анодом (электродом и слитком), расходуется на нагрев и плавление металла на катоде, перегрев металла в ванне. Это полезное тепло часто со­ставляет 40—60% от подведенной энергии. Потери теп­ла определяются теплоотводом через электрод к водоохлаждаемому штоку и излучением на стенки рабочей камеры (около 10% мощности печи). Следует иметь в виду, что электрод частично нагревается также за счет прохождения по нему тока. Потери тепла на аноде опре­деляются тепловым излучением расплава (а также не­которым испарением металла) в зазоре между электро­дом и кристаллизатором (15—27%) и отводом тепла от слитка к кристаллизатору теплопроводностью в верхней части и излучением — в нижней, где вследствие усадки образуется зазор между слитком и кристаллизатором. Эти потери составляют 20—25%.

Из теплового баланса находят электрическую мощ­ность печи и параметры питания — напряжение и силу тока. Электропитание, со­временных вакуумных пе­чей производится от высокоэффективных полупровод­никовых выпрямителей с напряжением 75 В и силой тока до 37500 А.

При расчете дуговой пе­чи большое значение имеет расчет водяного охлажде­ния. Для этого определяет­ся тепло, передаваемое кри­сталлизатору, поддону, ра­бочей камере и штоку с электрододержателем. Наи­большее количество воды подается для охлаждения кристаллизатора. В печах с глухим кристаллизатором водой должно отводиться все тепло, выделяющееся в дуговом разряде. При вытягивании слитка для расчета кристаллизатора поверхностная нагрузка на его стенки может быть принята при плавлении титана (1,7—2,2) • 10³, молибдена (2,3—5,8) • 10³ кВт/м², для более тугоплавких металлов 1,16-10⁴ кВт/м². Расход воды на установках составляет от 40 до 120 м³/ч в зависимости от мощности печи.

Дуговые вакуумные печи должны эксплуатироваться с соблюдением мер техники безопасности. Наибольшую опасность представляет прожиг дуговым разрядом стен­ки кристаллизатора и попадание воды на расплавленный металл. Возможность взрыва при плавке металлов, по­глощающих кислород, требует расчета конструкции пе­чи на силу взрыва, защиты печи специальными бронека­мерами из стали или железобетона. Наблюдение за про­цессом производится с помощью оптической системы с выносом изображения к пульту управления работой пе­чи. Перебросу дуги на стенку печи способствует увели­чение давления газов в печи более 10 Па (ухудшение ва­куума). Положительное влияние оказывает магнитное поле, создаваемое соленоидом вокруг кристаллизатора.