Дуговая плавка
Преобразование электрической энергии в тепловую в дуговых печах!!! происходит в электрической дуге, являющейся одной из форм дугового разряда в газах. При таком разряде в сравнительно небольшом объеме дуги можно сконцентрировать огромные мощности и получить очень высокие температуры. Высокая концентрация тепла в дуге позволяет с большой скоростью плавить и нагревать металл в дуговых печах до высокой температуры. Нагрев металла дугой можно осуществлять непосредственно (если дуга горит между электродом и расплавленным металлом) или излучением, когда дуга горит между двумя электродами. Печи первого типа - это дуговые печи прямого действия, второго типа - дуговые печи косвенного действия. В печах косвенного нагрева очаг высокой температуры удален от поверхности металла на некоторое расстояние и на поверхность металла первоначально попадает лишь часть тепла, излучаемого дугой. Значительная его часть достигает поверхности металла после отражения от стен и свода, поэтому футеровка печи испытывает большие тепловые нагрузки. Низкая стойкость футеровки ограничивает возможность проведения в таких дуговых печах процессов, требующих нагрева металла свыше 1300-1400 °С, и не позволяет применять их для плавления тугоплавких металлов.
Значительно лучше условия передачи тепла от дуги металлу в дуговых печах прямого действия. В этом случае очаг высоких температур максимально приближен к поверхности металла. Часть тепла из зоны высоких температур поглощается металлом непосредственно и отводится теплопроводностью. Значительно большая часть и лучистой энергии сразу попадает на поверхность металла, а свод печи защищен от воздействия дуг благодаря экранирующему действию электродов. Все это позволяет концентрировать в дуге большие мощности и успешно проводить процессы, требующие нагрева до высоких температур.
В последние годы получили распространение дуговые печи специального назначения, например дуговые вакуумные печи (ВДП), которые также являются печами прямого действия.
Имеются два принципиально отличных типа дуговых вакуумных печей: с расходуемым и нерасходуемым электродом. В печах с расходуемым электродом дуга горит между переплавляемым электродом и поверхностью ванны жидкого металла, а в печах с нерасходуемым электродом - между графитовым или металлическим (из тугоплавкого металла)
В обоих случаях плавление ведется в вакуумной камере. В дуговых вакуумных печах отсутствует огнеупорная футеровка, а все элементы печи, подверженные воздействию высоких температур, охлаждаются водой. В связи с этим в них можно проводить процессы, требующие большой концентрации тепла и высоких температур. Используются они для плавления тугоплавких (молибден, вольфрам, ниобий, тантал) и тугоплавких активных (цирконий, титан) металлов, а также для переплава стали с целью улучшения ее свойств в результате обработки вакуумом и изменения условий кристаллизации. К дуговым печам прямого действия могут быть отнесены также плазменные дуговые печи с анодом на металле. Источником тепла в этих печах является сильно сжатый в поперечном направлении дуговой разряд. Плотность тока в сжатой дуге во много раз выше, чем в обычной, следовательно, выше и её температура. В среде инертных газов температура сжатой дуги может достигать 30000° С. Такая концентрация тепла в плазменных печах позволяет проводить процессы с очень большой скоростью, в результате чего плазменный нагрев обеспечивает большую производительность. Сжатие дуги можно осуществить магнитным полем или газовым потоком. Используя для сжатия дуги инертные или активные газы, в плавильном пространстве можно получать нейтральную или высокоактивную атмосферу. Для плавления металлов используют плазменные дуговые печи двух типов - с керамическим тиглем или водоохлаждаемым кристаллизатором. Плазменные печи с керамическим тиглем похожи на обычные дуговые сталеплавильные печи, но отличаются от них более высокой производительностью и позволяют получать металл более высокого качества. Печи с водоохлаждаемым кристаллизатором используют для рафинировочного переплава, в результате которого свойства металла улучшаются благодаря дополнительной обработке активным газом и принудительной направленной кристаллизации в водоохлаждаемом кристаллизаторе.
Принцип действия дуговой печи.
Как уже указывалось, существуют две разновидности дуговой плавки - плавка с нерасходуемым электродом и с расходуемым электродом.
При плавке катод, представляющий собой водоохлаждаемый стержень, изготовленный из вольфрама или графита, не плавится, а создает дугу, которая плавит шихту, помещаемую или подаваемую в кристаллизатор в виде медной водоохлаждаемой плиты с лунками для кристаллизации металлов. В лунке помещается шихта для плавки в виде спрессованных заготовок. Таким образом, не нарушая герметичности печи, можно выплавить несколько слиточков. В целях лучшего проплава слитки переворачиваются и производится их второй переплав, На дуговых печах с нерасходуемым электродом выплавляются небольшие слитки весом 50 – 200 грамм, диаметром 25 –35 мм н высотой 8 – 15 мм. В качестве защитной атмосферы, а также для создании минимально допустимого давления, обеспечивающего стабильное горение дуги, применяется аргон, гелий или смесь аргона с гелием. Давление газа в печи составляет 300 – 350 мм рт. ст. при чём заполнение печного пространства инертным газом производится после одинарного или двойного вакуумирования.
Печи с нерасходуемым электродом в настоящее время для промышленных целей не применяются и используются главным образом для выплавки небольших слиточков в лабораторных условиях.
Конструктивно дуговые печи с нерасходуемым электродом состоят из следующих частей:
1) плавильной камеры;
2) механизма подачи и контроля положения электрода;
3) кристаллизатора;
4) системы охлаждения;
5) вакуумного блока.
Плавильная камера представляет собой цилиндрический или прямоугольный стальной или кварцевый кожух. Обычно камеру изготовляют из нержавеющей стали, так как она должна быть немагнитной и коррозиестойкой.
Размеры камеры должны быть такими, чтобы было удобно разместить механизм подачи электрода и кристаллизатор. Цилиндрическая форма камеры более удобна в эксплуатации, ее легче чистить и она прочнее. Камера имеет люк, позволяющий проникать внутрь для очистки и установки электрода. Внутренняя ее поверхность должку быть гладкой, без выступов, чтобы не сконцентрировать заряды. Обычно плавильная камера имеет смотровые окна или вводы для приборов наблюдения. Рабочая камера печи имеет охлаждаемую водяную рубашку.
Электрод крепится к специальному держателю-манипулятору к которому подводят питание от индуктора. Манипулятор позволяет направлять электрод внутри камеры для перемещения дуги, для более равномерного нагрева металла.
Кристаллизатор представляет собой цилиндрический медный кожух с водоохлаждаемой рубашкой с толщиной стенки 6 – 8 мм. Применяются два типа кристаллизаторов: глухие на полную высоту слитка и низкие проходные для вытягивания слитков. На кристаллизаторе размещают ответный электрод для поджога дуги.
Охлаждение кристаллизатора осуществляется подачей воды в межрубашечное пространство через зазор в 2 – 10 мм.
При необходимости получения длинного слитка применяют систему вытягивания слитка. Для вытяжки слитка из кристаллизатора применяется механизм, состоящий из траверсы на двух синхронно вращающихся винтах. Такой механизм гарантирует достаточную скорость вытягивания, исключает перекосы и вибрацию штока.
При выплавке сплавов используются печи, оборудованные бункерами, посредством которых легирующие добавки вводятся непосредственно в ванну жидкого металла. Под бункером устанавливается лоток-питатель по которому добавки или дополнительные порции металла подаются в зону дуговой плавки.
Процессы, происходящие при вакуумной дуговой плавке
При плавке металлов в вакуумных дуговых печах происходят следующие процессы:
1) плавление металла;
2) удаление газовых летучих примесей, диссоциация неустойчивых соединений при высоких температурах в вакууме;
3) конденсация летучих компонентов на более холодной части печи или удаление их из печного пространства;
4) восстановление и раскисление металлов;
5) кристаллизация металла.
Рафинирование ниобия и других тугоплавких металлов от газов, неметаллических и металлических примесей происходит главным образом за счет испарения примесей и диссоциации соединений. Скорость испарения зависят от степени над расплавленным металлом, продолжительности выдержки его в этом состоянии и ряда других факторов.
Эффективность удаления газов и примесей путем испарения снижается в связи с ограниченным временем нахождения металла в расплавленном состоянии. Это связано с весьма высокими скоростями плавки на дуговых печах с расходуемым электродом, которые не могут быть снижены из-за сравнительно высокого значения минимально необходимой силы тока для поддержания дуги в стабильном состоянии.
По этим причинам рафинирование в дуговых вакуумных печах за счет испарения примесей затруднено.