Вакуумно-дугове перетоплення (ВДП)

Принцип дії печей ВДП заснований на перетворенні електричної енергії в теплову в дуговому розряді в вакуумі.

Вакуумно-дугові печі за схемою нагрівання поділяються на три групи: прямої дії, коли електрична дуга горить між електродом і стопом, що нагрівається; непрямої дії, коли дуга горить між електродами, розташованими на деякій відстані від стопу, що розтоплюється; з захованою дугою, коли дуга горить під шаром шихти. Розрізнюють також печі з витратним та невитратним (графіт або вольфрам) електродом. Найчастіше використовуються печі ВДП прямої дії з витратним електродом на постійному струмі.

До складу вакуумних дугових печей з витратним електродом, незалежно від їх конструкції, входить ряд вузлів і систем, що виконують певні функції в процесі перетопу (рис. 1.2). Одна з основних деталей – кристалізатор 10, який являє собою мідну трубу круглого або прямокутного перетину, що встановлюється в корпусі з нержавіючої сталі. В зазор між корпусом і стінкою кристалізатора подається проточна вода для охолодження. Верхня частина кристалізатора забезпечена мідним фланцем, знизу він щільно закривається водоохолоджувальним піддоном 15, який виготовляється з міді або мідного стопу. Верхній фланець кристалізатора кріпиться до камери печі 5 - зварного циліндра з патрубками з товстого сталевого листа, яка одночасно служить ємкістю для розміщення верхньої частини витратного електроду 9 і штока 2, несучої конструкції для більшості деталей печі, вакуум-підвода 7 і струмопідвода 1. На верхній кришці є оглядові вікна 4 для спостереження за процесом перетоплення і вакуумне ущільнення 3, через яке в піч вводиться шток 2 з електродотримачем 6. Шток – це полірована сталева труба, яка охолоджується водою. Для зменшення загального опору шток іноді виготовляється у вигляді біметалічної конструкції: зовнішня сталева труба несе механічне навантаження, а внутрішня мідна - струмове. В нижній частині до штока кріпиться пристрій 6 для затиску електроду, який зверху підвішений до механізму переміщення. Вакуумна система складається з механічних насосів попереднього розрідження і паромасляних насосів, що створюють робочий тиск близько 10^{-3 мм рт.ст. Системою трубопроводів, забезпечених вакуумними затворами, насоси з’єднуються з камерою печі. До складу агрегату входить також джерело постійного струму - машинний перетворювач або напівпровідниковий випрямляч. Від цього джерела струм подається до печі за допомогою шин і гнучких кабелів.}

1 - струмопровід; 2- водоохолоджуваний шток; 3 - ущільнення штока;

4 - вікно для спостереження; 5 - камера; 6 - замок електродотримача;

7 - патрубок відкачної системи; 8 - перехідник; 9– витратнийелектрод;

10- водоохолоджуваний кристалізатор; 11 - соленоїд; 12 - розряд електродуги;

13- рідка ванна; 14 - зливок; 15 - водоохолоджуваний піддон; 16 - ущільнення

Рисунок 1.2 - Схема дугової вакуумної печі

Для спостереження за топленням використовуються два перископи, встановлені над оглядовими отворами. Зображення зони топлення (вигляд зверху) можна проектувати на екран або спостерігати безпосередньо через окуляр перископа.

Вакуумні дугові печі оснащуються приладами контролю і сигналізації для контролю сили струму, напруги, глибини вакууму, тиску і температури охолоджуючої води.

Перетоплення витратних електродів у вакуумній дуговій печі засновано на нагріванні і топленні у вакуумі металевої заготовки електричною дугою 12 великої потужності, утворенні рідкої ванни 13 і одночасному твердінні стопу у водоохолоджуваному кристалізаторі у зливок 14. Верхній торець зформованого таким чином зливка безперервно обігрівається дугою, і це забезпечує необхідне перегрівання поверхні вище температури топлення, створюючи умови для спрямованої кристалізації.

При ВДП переважно розвиваються процеси виділення газів та інших шкідливих домішок зі стопу з їх подальшим видаленням з реакційної зони шляхом відкачування бустерним (або іншим високовакуумним) і форвакуумним насосами. Процеси видалення водню із сталей і стопів на основі нікелю розвиваються вже на стадії твердої заготовки. Але найінтенсивніше протікають процеси видалення водню і азоту з рідкого стопу. Більша частина газу видаляється з рідкої плівки на торці заготовки, менша - з крапель в процесі їх перенесення через дуговий проміжок.

Під час перетоплення титану і його стопів газ не тільки видаляється, але і поглинається (має місце поглинання азоту і кисню). В даному випадку найбільше збагачується вказаними газами поверхневий шар зливка. Найбільш помітне це в крупних зливках, які повільно охолоджуються, коли їх поверхня в гарячому стані тривалий час контактує із залишковими газами. Для прискорення охолодження в деяких випадках зазор між стінкою кристалізатора і зливком заповнюють газами з високою теплопровідністю, наприклад гелієм.

При ВДП гази видаляються шляхом дифузійного перенесення через приграничний шар рідкого стопу і шляхом бульбашкового кипіння. Останньому сприяє низький тиск на поверхні ванни. Найінтенсивніше гази шляхом дифузії видаляються з тонкої плівки на кінці електроду. Процес бульбашкового видалення відбувається в металевій ванні, причому для більш повного видалення бульбашок бажано, щоб форма ванни наближалася до плоскої. Крім того, можливе видалення газів, зв’язаних в важкотопкі з’єднання (азот у вигляді нітридів) за рахунок спрямованої кристалізації. В цьому випадку нітриди можуть спливати або відтіснятися фронтом кристалізації у верхню частину зливка. Реакція метал-форма при ВДП практично відсутня.

Ефективність рафінування стопу при ВДП, характер макро- і мікроструктури визначаються головним чином двома параметрами витоплення: діаметром кристалізатора (із збільшенням діаметру кристалізатора відбувається посилення дендритної хімічної неоднорідності зливка і погіршення структури) і силою струму дуги (для забезпечення необхідної високої якості стопу процес ВДП слід вести при відносно низькій оптимальній силі струму).

Технологія витоплення стопу в печі ВДП має наступні переваги:

- відсутня взаємодія розтопленого стопу з повітрям, стоп не окислюється і не насичується газами;

- завдяки вакууму здійснюється глибока дегазація сталі;

- стоп не забруднюється вогнетривкими матеріалами футеровки;

- кристалізація зливка у водоохолоджуваному кристалізаторі має стовпчастий спрямований характер знизу до верху і є кращою, ніж в звичайній виливниці.

Крім того, при ВДП випаровуються шкідливі металеві домішки, такі як свинець, вісмут, сурма. Методом ВДП можна одержувати зливки масою від декількох кілограмів до декількох десятків тонн.

Але зливки, одержані в результаті ВДП, мають погану поверхню, оскільки під час топлення відбувається випаровування домішок і легувальних елементів, які конденсуються на стінках кристалізатора над поверхнею рідкого стопу у вигляді тонкого нальоту. Надалі на них потрапляють бризки рідкого металу, зварюються з нальотом і утворюють «корону». Це призводить до утворення на зливках грубої кірки, яку обдирають на обдирних верстатах.