§ 2. Дуговые вакуумные печи Общие сведения
Принцип действия дуговой вакуумной печи (ДВП)* основан на преобразовании электрической энергии в тепловую в дуговом разряде, который существует в разреженных парах переплавляемого металла. Такая печь (рис. 98) представляет собой газоразрядный прибор, состоящий из цилиндрического катода (расходуемый электрод) и коаксиального цилиндрического анода (водоохлаждаемый кристаллизатор, в котором наплавляют слиток), т.е. ДВП работает с прямой полярностью постоянного тока. В процессе плавки по торцу электрода-катода перемещаются катодные пятна, имеющие высокую температуру. Однако средняя температура жидкого металла, образовавшегося на торце электрода, определяется в основном не эмиссионными явлениями, а процессом каплеобразования.
Рис. 98. Схема (а) и общий вид (б) ДВП типа ДСВ – 11,2 – Г37: 1 – расходуемый электрод; 2 – рабочая (вакуумная) камера; 3 – кристаллизатор; 4 – слиток; 5 – откачная система; 6 – проходное вакуумное уплотнение; 7 – токоведущий шток; 8 – 11 – соответственно механизмы подъема кристаллизатора, передвижения электрода, выката и разгрузки кристаллизатора
Образовавшаяся на торце расходуемого электрода пленка жидкого металла собирается в капли под действием силы тяжести (гравитационная сила) и электродинамических сил. Когда эти силы превзойдут силы поверхностного натяжения, удерживающие жидкий металл в виде капли, произойдет отрыв капли от электрода. Таким образом, металл расходуемого электрода переносится в металлическую ванну на слиток в виде мелких капель, обладающих развернутой поверхностью, что в условиях вакуума обеспечивает глубокую дегазацию переплавляемого металла.
Первые капли, попадающие на водоохлаждаемый поддон, быстро застывают. Однако уже на небольшом расстоянии от поддона его охлаждающее действие резко ослабевает и образуется ванна жидкого металла на слитке.
В условиях ДВП невозможно осуществить значительный перегрев жидкого металла, что снижает металлургические возможности ВДП.
Дуговой разряд в ДВП имеет следующие особенности:
1) разряд существует между двумя металлическими электродами, причем катод – расходуемый электрод непрерывно плавится, перетекая в виде капель на анод, что изменяет распределение мощности между электродами и ограничивает длину дуги lд, мм:
(10...20) < lд < (30...50), (188)
где нижний предел определяется капельными КЗ, а верхний предел – разбрызгиванием падающих капель жидкого металла и возможным переходом (перебросом) дуги на стенку кристаллизатора;
2) дуговой промежуток не имеет изолированных стенок, поэтому все электроны попадают в конечном счете на анод-слиток, кристаллизатор, стенки рабочей камеры, что характеризуется малым продольным градиентом потенциала.
Основные принципы дуговой плавки расходуемых электродов впервые были сформулированы изобретателем дуговой сварки Н.Г. Славяновым в 1892 г. Возможность плавить тугоплавкие металлы в водоохлаждаемом тигле впервые была показана в 1903 г.
В настоящее время в ДВП переплавляют в больших масштабах стали и жаропрочные сплавы (серия ДСВ), тугоплавкие и химически активные металлы и сплавы на их основе (серия ДТВ – для титана, ДДВ – для молибдена, ДНВ – для ниобия).