4.4. Особенности горения дуги в вакууме

В металлургии достаточно широко используют дуговые вакуумные печи (ДВП), обеспечивающие высокую эффектив­ность технологических процессов выплавки высококачественных металлов и специальных сплавов. Вакуум представляет собой состояние газа, характеризуемое давлением ниже атмосфер­ного, величина которого определена ГОСТ 5197–70 равной менее 10 Па. Его название происходит от латинского слова “vacuuм” – пустота. Вакуум создают откачкой газов из герметичного объема с помощью вакуумнасосов.

Эффективность рафинирования металла в процессе вакуумной плавки во многом определяется глубиной вакуума, т. е. дав­лением, при котором ведется плавка. Для повышения степени рафинирования металла целесообразно давление уменьшать. Но понижение давления ниже некоторого предела может привести к неустойчивому горению дуги, и она будет стремиться перейти в тлеющий или тихий разряд. Это ограничивает глубину вакуума, используемого в дуговых печах.

Для устойчивого горения дуги необходимо поддержание ионизации газа в разрядном промежутке на необходимом уровне.

Степень ионизации газа связана с его давлением обратной зависимостью. С повышением давления при прочих равных условиях степень ионизации снижается, увеличивается сопротивле­ние разрядного промежутка, горение дуги переходит в нестабильный режим, и она может погаснуть. Уменьшение давления сопровождается увеличением степени ионизации.

Степень ионизации, т. е. отношение числа ионизированных молекул к полному числу молекул до ионизации в единице объ­ема, определяется уравнением Саха:

, (5.18)

где  – степень ионизации; р – давление в зоне теплогенерации, Па; Т – температура газов, К; U_и – потенциал ионизации, В.

С уменьшением в разрядном промежутке концентрации частиц длина свободного пробега электрона увеличивается, и иони­зирующее действие каждого электрона уменьшается. Проводи­мость разрядного промежутка снижается, горение дуги стано­вится неустойчивым, и при некотором давлении и неизменных прочих условиях дуга может погаснуть.

С уменьшением давления при прочих равных условиях степень ионизации вначале возрастает, а затем падает. Таким образом, для каждой совокупности условий – состава атмосферного разрядного промежутка, мощности дуги, напряжения источника тока, скорости охлаждения столба дуги и др. – существует порог давлений в разрядном промежутке, определяющий область устойчивого горения дуги.

Если смесь состоит из двух компонентов, то газ с меньшим потенциалом ионизации ионизируется сильнее, а газ с большим потенциалом слабее, чем каждый из них в отдельности при этом же общем давлении. Потенциал ионизации металлов заметно меньше потенциала ионизации газов. Из этого следует, что в дуговых вакуумных печах пары металлов должны ионизироваться намного сильнее, чем газы.

Большинство промышленных дуговых вакуумных печей работают при давлении 10^-2...1 Па. Однако даже при незначительном перегреве металла выше температуры плавления упругость, паров переплавляемых металлов заметно выше остаточного давления газа в печи. Поэтому в вакуумных дуговых печах в зоне дуги наблюдается интенсивное испарение металлов, и в разрядном промежутке давление паров обычно на 1–3 порядка превышает давление остаточных газов. Анализ спектров дугового разряда в вакуумных печах свидетельствует о том, что ни остаточные, ни выделяющиеся в процессе плавки из металла газы не участвуют в переносе зарядов через разрядный промежуток. В спектрах таких разрядов присутствуют лишь линии ионизированного металла. В вакуумных печах дуга горит фактически не в вакууме, а в разреженных парах переплавляемого металла. Этим объясняются некоторые особенности дугового разряда в вакуумных печах.

В частности, сравнительно низкий потенциал ионизации металлов является причиной слабой зависимости напряжения от длины дуги. В дуговых вакуумных печах градиент напряжения в столбе дуги независимо от мощности печи и остаточного давления (от 10^-3 до 100 Па) составляет 0,6... 1,0 В/см для всех переплавляемых металлов. Однако если давление газов в печи повысить до 6,6...9,2 кПа, то вероятность столкновения электронов с атомами газа значительно возрастает, и в столбе ду­ги появится ионизированный газ. При этом увеличится и на­пряжение на дуге, причем чем выше потенциал ионизации, тем больше падение напряжения на дуге, больше градиент напряжения в столбе дуги и больше выделяющаяся мощность.

В некоторых случаях, например, для уменьшения потерь металла испарением, процесс в вакуумных дуговых печах иногда приходится вести при повышенном давлении. Повышенное давление создают, как правило пуском в плавильную камеру инертных газов, которым свойственен самый высокий потенциал ионизации. Для этого сначала в рабочей камере создают вакуум с давлением около 10^-1 Па, а затем ее заполняют соответствую­щим газом (аргон, гелий или их смесь), который повышает дав­ление до указанного предела, т. е. плавку проводят в так называ­емом застойном вакууме. Следует иметь в виду, что повышение давления за счет инертных газов практически не скажется на технологическом процессе, но позитивно повлияет на условия существования дугового разряда. При повышенной плотности газа увеличивается число соударений электронов, эмитирован­ных катодом, с одноатомными молекулами инертного газа. По­этому в столбе дуги появляется дополнительное количество ио­низированного газа. Поскольку напряжение первичной иониза­ции инертных газов выше в 2-3 раза, чем атомов металла, то в столбе дуги возрастут энергетические затраты, увеличится гра­диент напряжения (рис. 5.9) и повысится напряжение на дуге на 10...20 В. Правда, при этом могут несколько увеличиться сум­марные тепловые потери вследствие более высокой теплопро­водности гелия.

Необходимо отметить еще одну особенность дугового разря­да в вакууме. В отличие от разряда при нормальном давлении ду­га в вакуумных печах горит при значительном градиенте давле­ния в газовой фазе. В атмосферу постоянно поступают новые порции выделяющихся при плавлении металла и образующихся в результате химических процессов газов. В то же время из объ­ема плавильной камеры газ непрерывно откачивается вакуум­ными насосами, и поэтому в плавильной камере поддерживается направленный поток газа от зоны плавления металла к патрубкам вакуумной системы. Вследствие сопротивления, оказываемого движению газов ограничивающими объем камеры стенками, концентрация газов в зоне плавления несколько выше средней по всему объему печи. Еще более неравномерно распределены пары металлов. Испаряющийся в зоне дуги металл быстро конденсируется на сравнительно холодных элементах установки, которые для конденсирующейся фазы служат мощным вакуумным насосом. Концентрация паров металла на небольшом удалении от зоны дуги становится равной нулю.

При нормальном течении процесса такие концентрационные условия в газовой фазе поддерживаются самопроизвольно. Благодаря этому максимальная концентрация частиц, которые могут служить переносчиками зарядов в межэлектродном пространстве, наблюдается там, где она необходима, т. е. в зоне горения дуги. Если же по какой-либо причине концентрация частиц не только в зоне горения дуги, но и во всем пространстве повысится до критического предела, при котором может начаться цепная реакция ионизации, то концентрированный дуговой paзряд может превратиться в размытый объемный разряд. Это превращение сопровождается резким изменением концентрации теплоты в разрядном промежутке и изменением теплового воздействия разряда на металл.

Резкое повышение давления в окружающем дугу пространстве может произойти, например, в результате бурного выделения газов из металла. Для предотвращения нежелательных последствий этого процесса и обеспечения устойчивого горения дуги в вакууме необходимо, чтобы мощность вакуумных насосов при любом возможном газовыделении была достаточной для под­держания стабильного давления во всем объеме вакуумной печи. Таким образом, для устойчивого дугового разряда в вакууме дав­ление должно поддерживаться не только в определенных преде­лах, но и возможно более стабильным. В заключение необходи­мо подчеркнуть, что сплавы на основе титана, молибдена и нио­бия в жидком состоянии химически активно взаимодействуют с воздушной атмосферой, поэтому их можно плавить только в ва­кууме или в среде инертного газа.