Вакуумные дуговые печи

Вакуумные дуговые печи (ВДП), широко используемые для рафинирующего переплава многих качественных сталей и жаропрочных сплавов, имеют обычно расходуемый элек­трод. Электрическая дуга горит между этим электродом и поверхностью жидкого металла.

По ходу плавки длина электрода непрерывно уменьша­ется вплоть до его практически полного израсходования. Получаемый металл в процессе плавки не загрязняется ни газами, ни неметаллическим включениями, поскольку в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом исклю­чены источники этих загрязнений.

Поскольку поддерживать стабильную дугу в вакууме на переменном токе трудно, то эти печи питаются преиму­щественно постоянным током. Температура дуги сильно за­висит от материала переплавляемого электрода, так как ток дугового разряда протекает здесь через разреженные пары металла. Длину дуги в вакуумных дуговых печах поддер­живают сравнительно небольшой (20 – 50 мм), поскольку ее увеличение может привести к перебросу дуги на стенку водоохлаждаемого кристаллизатора, прожиганию этой стен­ки и взрыву печи. Поддержание требуемой постоянной дли­ны дуги осуществляется обычно с помощью системы авто­матического регулирования.

За счет тепловыделения в дуге электрод нагревается и начинается его оплавление. Капли расплавленного металла стекают с конца электрода, и пройдя зону дугового разряда, попадают в водоохлаждаемый кристаллизатор, где формиру­ется слиток. В верхней части слитка незатвердевший еще ме­талл образует лунку жидкого расплава.

Основные конструктивные элементы вакуумной дуговой печи показаны на рис. 150. Печь состоит из рабочей ка­меры, в которой размещается расходуемый электрод (обыч­но круглого сечения). В каче­стве расходуемого электрода используется металлический стержень, выполняемый из металла или сплава, подлежа­щего рафинирующему пере­плаву. Расходуемый электрод изготовляют отливкой, механической обработкой или ме­тодами порошковой металлур­гии (прессование и спекание порошков). Электрод прикре­пляют к токоведущему под­вижному штоку с помощью электрододержателя или приваривают к торцу зажатого в него огарка. Шток выполнен в виде системы коаксиальных труб с водяным охлаждением и рабочая камера печи так­же имеет водоохлаждаемую рубашку. Шток проходит че­рез вакуумное уплотнение в верхней части рабочей камеры и перемещается с помощью электромеханического (лебедочного или винтового типа) или гидравлического привода. В боковой стенке рабочей камеры предусмотрен патрубок с фланцем для присоединения откачкой (вакуумной) систем. В стенках рабочей камеры выполняются «глядел­ки» для наблюдения за дугой и за перемещением рас­ходуемого электрода, закрываемые стеклами. На каме­ре предусматриваются также предохранительные кла­паны на случай возможного прожигания стенки кри­сталлизатора и резкого увеличения давления паров воды.

К нижней части рабочей камеры (также с использова­нием вакуумного уплотнения) присоединяется водоохлаждаемый кристаллизатор, выполняемый из меди или хроми­стой бронзы. Кристаллизаторы могут иметь либо неподвиж­ный поддон, либо подвижный. При работе печей с непо­движным поддоном кристаллизатора происходит постепен­ное наращивание высоты слитка вплоть до заполнения кристаллизатора, чем и завершается плавка. В печах с под­вижным поддоном осуществляется перемещение поддона на штоке с помощью специального механизма вниз по мере наплавления слитка. Эту схему применяют при переплаве тугоплавких металлов и сплавов на их основе, так как она позволяет обеспечить более высокую степень разрежения в печи (10^-3 – 10^-2 Па). Кристаллизаторы с подвижным под­доном выполняются более короткими, чем с неподвижны­ми. Диаметр кристаллизатора выбирают несколько боль­шим диаметра расходуемого электрода.

Условия кристаллизации в водоохлаждаемом кристал­лизаторе благодаря интенсивному отводу тепла обеспечи­вают высокую степень физической и химической однородно­сти слитка, причем часть слитка, загрязненная всплывшими включениями, обычно составляет лишь незначительную долю его общего объема. При постоянной мощности, выде­ляемой в дуге, устанавливается стационарный режим рабо­ты печи, характеризующийся постоянной скоростью нара­стания слитка в кристаллизаторе. Это также способствует однородности получаемого металла.

В верхней части слитка, где поддерживается лунка рас­плава, металл вплотную прилегает к стенке кристаллиза­тора. Нижняя часть затвердевшего и остывающего слитка вследствие термической усадки постепенно отходит от сте­нок кристаллизатора, и образуется зазор. Нижней частью слиток опирается на поддон.

После завершения плавки проводят развакуумирование рабочей камеры печи и извлекают слиток из кристаллиза­тора. Разработаны различные конструктивные варианты извлечения слитка, из числа которых два получили наиболь­шее распространение:

1. Поддон выполняют съемным, а кристаллизатор постоянно соединен с рабочей камерой печи. В этом случае извлечение готового слитка из кристаллизатора осуществ­ляется снизу путем опускания поддона с помощью установ­ленного под ним гидравлического цилиндра.

2. Кристаллизатор выполняют отъемным от рабочей ка­меры и он опускается, а затем отводится в сторону пово­ротом или откатыванием. При таком варианте обычно ис­пользуются два кристаллизатора: водном ведется плавка, другой подготавливается к работе и тем самым сокраща­ется время на осуществление вспомогательных операций. Хотя при такой схеме и осложняется подвод воды к кри­сталлизатору, она наиболее широко применяется благодаря своей простоте и удобству в эксплуатации.

Вакуумные дуговые печи характеризуются сравнитель­но высоким удельным расходом электроэнергии, что обус­ловлено высокими потерями тепла с охлаждающей водой в кристаллизаторе, штоке электрододержателя, кожухе и других элементах, а также затратами энергии на привод насосов вакуумной системы. Удельный расход тепла со­ставляет 5500 кДж/кг (1,5 кВт×ч/кг).

Основные характеристики вакуумных дуговых печей се­рии ДСВ с глухим кристаллизатором для рафинирующего переплава стали и сплавов на основе никеля приведены в табл. 22.

Эти печи питаются постоянным током от выпрямитель­ных агрегатов типа ВАКП, обеспечивающих ток от 12,5 до 37,5 кА при напряжении 75 В.

Сравнительно высокий расход электроэнергии, большие капитальные затраты, обусловленные необходимостью уста­новки Дорогого и сложного вакуумного оборудования и выпрямителей, а также потери дорогого металла со стружкой (до 20%) при неизбежной обдирке слитков, имеющих не­высокое качество поверхности, — все это делает дуговой вакуумный переплав очень дорогостоящей операцией, оп­равдываемой только при производстве слитков качествен­ной стали, к которым предъявляют высокие требования.