3.Технология вакуумно-дугового переплава

Преобразование электрической энергии в тепловую в ДВП происходит в электрической дуге, горящей при пониженном давлении и обеспечивающей высокие температуры, как на электродах, так и в разрядном промежутке. Тепло от дуги передается материалу стержня (обычно называемого электродом), который расплавляется и образует на торце пленку жидкого металла. Под действием силы тяжести и электродинамических усилий появляются капли, которые, отрываясь от электрода, падают на охлаждаемую поверхность и создают ванну жидкого металла. Торец электрода при правильном течении процесса обычно является плоским, что вызвано равномерным образованиемкапельповсейегоповерхности.

При выплавке слитка длина дуги (расстояние между поверхностями торца электрода и ванны металла) поддерживается в определенных пределах. Не увеличениевызываетсначала рост части тока дуги, который протекает не на ванну металла, а непосредственно на стенку кристаллизатора. Затем возможно вырождение дугового разряда в объемный (так называемая «ионизация»), и, наконец, при чрезмерно длинной дуге происходит ее переброс на стенку кристаллизатора с вероятным ее прожогомивзрывомпечи. В связи с этим длина дуги не должна превышать зазора между электродом и кристаллизатором.Уменьшение длины дуги ограничивается капельными короткими замыканиями, т. е. появлением перемыкания дугового промежутка при стекании капель металла с расходуемого электрода в ванну. Опыт эксплуатации печей показал, что в широком диапазоне диаметров электродов (50—500мм)для различных металлов длина дуги должна поддерживаться от 10 до50 мм (обычно 20—30 мм).

Часть капель металла при соприкосновении с жидкой ванной разбрызгивается. Брызги застывают на боковой поверхности кристаллизатора, формируя слой твердого металла высотой 100—250 мм, называемый короной. При подъеме ванны наплавленного металла короначастично расплавляется, а частично сваривается с боковой поверхностью формируемого слитка, что является одной из причин низкого качества поверхности слитков ВДП инеобходимости их обдирки. Высокая температура в плавильной зоне вызывает интенсивное образование паров металла. Они оказывают значительное влияние на физические процессы в разрядном промежутке и дегазацию металла, повышая давление вблизи поверхности металлической ванны.

Дуговые вакуумные печи работают в режиме «динамического» вакуума, обеспечивая непрерывную откачку образовавшихся паров. Однако из-за ограниченной производительности вакуумной системы давление в зоне плавки примерно на порядок или несколько порядков (в зависимости от аэродинамического сопротивления системы) выше, чем в камере.

При переплаве большинства марок сталей, а также при втором переплаве титана и циркония, когда основным процессом рафинирования является процесс всплывания неметаллических включений в ванне жидкого металла, для хорошего очищения металла от включений и газов достаточно обеспечить давление в камере печи около 1 Па. Это соответствует давлению в ионе плавки примерно 2,5—6,5 Па. При переплаве ряда жаропрочных сталей, когда необходимо повысить скорость испарения вредных микропримесей (свинец, висмут, сурьма), требуется более высокий вакуум около 0,1 Па. Для переплава же металлов типа ниобия, вольфрама, молибдена, тантала и др. необходимо обеспечивать в зоне плавления вакуум 5*10^-2 --5* 10^-1 Па, что соответствует давлению в камере печи 10^-2—10^-1 Па. Дальнейшее снижение давления может привести к нестабильному характеру горения дуги. Эти обстоятельства оказывают большое влияние на выбор конструктивных схем ДВП.

Переплав в ДВП может производиться в глухой кристаллизатор или с вытяжкой слитка. При переплаве в глухой кристаллизатор уровень жидкой ванны металла слитка по мере наплавления последнего непрерывно поднимается,анеизменностьдлиныдуговогопромежутка обеспечивается соответствующим перемещением (подачей) расходуемого электрода. При этом длина выплавляемого слитка ограничивается длиной кристаллизатора. При плавке с вытяжкой слитка уровень ванны жидкого металла остается практически неизменным, что достигается вытягиванием слитка из кристаллизаторавниз с помощью специального механизма со скоростью, равной скорости наплавления слитка. При этом длина слитка лимитируется лишь возможностями механизма вытягивания, что дает возможность выплавлять более длинные слитки. Кроме того, печи с вытяжкой слитка позволяют за счет меньшего аэродинамического сопротивления добиться более высокого вакуума в зоне плавления. Однако вытяжка слитка значительно усложняет конструкцию печи и технологический процесс. Поэтому в таких ДВП переплавляют лишь требующие более высокого вакуума тугоплавкие и высокореакционные металлы (молибден, вольфрам, ниобий, тантал и др.), а массовое производство титана, стали и сплавов на их основе ведут в глухой кристаллизатор.

При ВДП обычно получают слитки кругового сечения. В последнее время доказана возможность получения слитков квадратного и прямоугольного сечения. Это позволяет значительно повысить экономические характеристики печей за счет упрощения схемы дальнейшего передела слитков. Однако при этом плохо проплавляются углы слитка и усложняется обдирка металла.

При ВДП в большинстве случаев используется постоянный ток. Это связано с тем, что при работе на переменном токе возникает ряд проблем, связанных собеспечениемустойчивости дуги. При переходе тока через нуль повторное зажигание дуги возможно лишь при достаточной степени ионизации промежутка. Ионизация определяется скоростью деионизации и остаточной плотностью тока термоэлектронной эмиссии. Исследования показывают, что при плавке тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, тантал др.), имеющих большие атомныеномера и высокую температуруплавления (выше 2500°С), времядеионизации паров металла составляет примерно 1 • 10^-3 с, а остаточная плотность тока эмиссии превосходит 22 А/см². При плавке стали и титана эти значения резко снижаются и составляют соответственно 5*10^-5 с и 4*10^-3А/см2 Эти данные объясняют, почему при плавкестали и титана очень трудно поддерживать горение дуги переменноготока промышленной частоты, тогдакак при плавке тугоплавких металлов дуга вполне устойчива. Однаковвиду малой инерционности теплового режима ДВП колебания мощности при однофазной дуге могут оказать влияниенакачествометалла,в связи, с чем однофазный переменный ток для питания печей не применяется и при выплавке тугоплавких металлов.

В печах постоянного тока используется так называемая «прямая» полярность (катод на электроде, анод на слитке), что связано с тем, что дополнительный подогрев ванны жидкого металла (анода) при бомбардировке ее электронами способствует лучшему формированию слитка. Это обстоятельство считается более предпочтительным, чем снижение производительности и ухудшение энергетических показателей по сравнению с «обратной» полярностью. Однако в настоящее время для сталеплавильныхпечейэто положение пересматривается, и ведутся интенсивные исследования по возможности перевода печей на питание постоянным током «обратной» полярности.

Движение расплава в ванне полезно с точки зрения обеспечения равномерного распределения легирующих элементов по сечению слитка и усреднения температуры ванны металла, что важно при переплаве тугоплавких и высокореакционных металлов и в особенности при гарниссажной плавке. Однако при переплаве ряда марок сталей и сплавов загрязненные примесями участки жидко-твердой фазы (так называемые ликваты) вместо равномерного распределения по сечению слитка скапливаются в отдельных участках, образуя области пятнистой ликвации,которыеявляютсяпричиной отбраковки слитков. В этих случаях всеми доступными мерами (совершенствованием токоподводов, удалением ферромагнитных масс из разрядной зоны, противодействием с помощьюсоленоида)добиваютсяотсутствиявращенияметалла в ванне.