4.3. Вакуумные дуговые печи

Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) является одним из основных процессов промышленной спецэлектрометаллургия, он позволяет получать высококачественные металлы (сталь, титан, цирконий, ниобий, молибден, тантал, вольфрам, ванадий, бериллий и др.) для специальных отраслей техники. Высокое качество металлов достигается в результате протекания плавки в вакууме, который является одновременно защитной средой и технологическим фактором. Вакуум способствует активному освобождению металла от растворенных в нем газов и твердых включений. Во избежание загрязнения металла применяют медный водоохлаждаемый кристаллизатор, в котором плавится металл и формируется слиток. Источником тепла для расплавления металла служит электрическая дуга.

В качестве исходного материала используют различные продукты металлургического передела. Например, исходным материалом при плавке титана и циркония служит губка. В результате обжатия ее на мощных прессах пли частичного сплавления получают расходуемые электроды. При плавке ниобия, молибдена, тантала и некоторых других металлов исходным материалом являются штабики размером от 10 х 10 х 600 до 25 х 25 х 800 мм, полученные методом порошковой металлургии. Электроды из штабиков изготовляют сваркой их в пакеты.

На рис. 177 показаны принципиальные схемы печей ВДП. Среди них самое широкое применение получили печи с расходуемым электродом и глухим кристаллизатором (рис. 177, а). Печи с вытягиванием слитка (рис. 177, б) применяются в основном для плавки тугоплавких металлов, качество которых сильно зависит от величины давления выделяющихся в процессе плавки газов. Для улучшения отсоса газов уровень расплава поддерживается постоянно в верхней части кристаллизатора. Так как в печах с нерасходуемым (графитовым, угольным) электродом невозможно избежать загрязнения слитка материалом электрода, эти печи применяют лишь для производства расходуемых электродов сплавлением губки.

Отечественные заводы электротермического оборудования освоили серию печей ВДП. Эта серия включает печи типов: ДСВ – для плавки стали; ДТВ – для плавки титана; ДДВ – для плавки молибдена и других тугоплавких металлов; ДНВ – для плавки ниобия. Условные обозначения этих типов печей, например типа ДТВ-14-Г26, означают: Д – дуговая, Т – для плавки титана, В – вакуумная, 14 – диаметр кристаллизатора 1400 мм, Г – с глухим кристаллизатором, 26 – максимальная масса слитка 26 т. ДДВ-2,58-0.6: Д – дуговая, Д – для плавки тугоплавких металлов, В – вакуумная, 2,5 – диаметр кристаллизатора 250 мм, В – вытягивание слитка, 0,6 – максимальная масса слитка 0.6 т.

Рис. 177. Печи ВДП: 1 – водоохлаждаемый поддон; 2 – водо-охлаждаемый кристаллизатор; 3 – соленоид; 4 – слиток; 5 – расходуемый электрод; 6 – вакуумная рабочая камера; 7 – смотровое окно; 8 – шток электрода; 9 – токоподвод; 10 – патрубок к вакуумной системе; 11 – бункер для шихты; 12 – питатель; 13 – течка; 14 – перасходуемый электрод; 15 – камера слитка; 16 – шток слитка

На рис. 178 показана схема типовой печи ВДП для выплавки титановых слитков. Печь установлена в защитной камере и работает следующим образом. Кристаллизатор 10 с соленоидом 11, поддоном 13 и темплетом посредством крана устанавливается на выкатную тележку 12. После этого в кристаллизатор тем же краном устанавливается расходуемый электрод, и кристаллизатор подается гидроцилиндром 15 под рабочую камеру. Включают подъемный стол 18 и перемещают кристаллизатор с электродом вверх. В это время шток 3 электрода находится в нижнем положении. При сближении электрода со штоком их соединяют посредством зажима 8 и затем электрод 9 поднимают в крайнее верхнее положение. Шток снабжен вакуумным уплотнением 6. После центровки электрода поднимают окончательно кристаллизатор до его полной стыковки с фланцем рабочей камеры 7, которая трубопроводом 19 присоединена к вакуумной системе. Разводку ванны, как правило, ведут при ручном управлении двигателем механизма перемещения электрода, а затем переключают на автоматическое управление. Для повышения быстродействия системы управления механизм перемещения электрода снабжен противовесом 22. Наблюдение за процессом проводят с электропульта 20 через перископ 21 и окно 5.

После выплавки слитка стол 18 опускается вместе с кристаллизатором и слитком. Кристаллизатор опирается своими упорами на тележку 12, выкатывается за пределы печи и посредством крана транспортируется на специальный стенд для извлечения слитка. На этом стенде также установлено устройство для чистки внутренней поверхности кристаллизатора. В ряде случаев разборка и сборка кристаллизатора осуществляется на столе 17. при этом открывают площадку 14 с помощью гидроцилиндра 16.

Все печи ВДП, независимо от их конструкции и типа, работают на постоянном токе. В качестве источника питания служат полупроводниковые выпрямительные агрегаты серии АВП. Рабочий ток печей колеблется в пределах 12 – 50 кА, а напряжение – 28 – 70 В. Ток подается по токопроводу 4. К числу основных механизмов печей относятся механизмы подачи электрода и вытягивания слитка. В небольших печах для подачи электрода применяют винтовые механизмы с электромеханическим приводом, а в крупных – механизмы с цепной подвеской и аналогичным приводом. Скоротечность процессов в дуговом промежутке, малая длина дуги (20 – 50 мм) и, в то же время, небольшая скорость подачи электрода при сплавлении вызывают необходимость изменять скорость механизма: для нормального режима – миллиметры в минуту, а в момент ликвидации короткого замыкания – метры в минуту. Наиболее распространенным приводом механизмов подачи является электрический привод с дифференциальным редуктором. Для реализации рабочей скорости служит двигатель постоянного тока 1, для маршевой – двигатель переменного тока 2.

Требования к механизмам вытягивания слитков аналогичны; они также должны иметь две скорости: рабочую с диапазоном регулирования 2 – 20 мм/мин и маршевую – постоянную 1,5 – 3 м/мин. Чаще применяют механизмы с винтовой и реже – с гидравлической передачами.

К числу наиболее ответственных узлов печей относятся рабочая камера и кристаллизатор. Камеру выполняют цилиндрической для облегчения очистки от конденсата и брызг металла, а также из соображений прочности. Размеры ее определяются диаметром патрубка для присоединения вакуумной системы. Для защиты от перегрева камеру снабжают водяным охлаждением в виде водяных рубашек или змеевиков. Кристаллизатор современных печей выполняют разборным, он состоит из медной рабочей гильзы и стального кожуха. В пространстве между ними циркулирует охлаждающая вода, которая подводится снизу, а отводится сверху кристаллизатора. Толщину гильзы для малых печей принимают равной 8 – 10, а для крупных – 15 – 20 мм.

Рис. 178. Типовая печь ВДП для выплавки титановых слитков