Выплавка стали в вакуумных дуговых печах

Вакуумные дуговые печи (ВДП) подразделяют на печи с нерасходуемым и расходуемым электродом.

Нерасходуемый электрод изготавливают из вольфрама или графита. При плавке с нерасходуемым электродом шихта загружается в водоохлаждаемый медный тигель и под действием электрической дуги расплавляется, рафинируется от вредных примесей и кристаллизуется в виде слитка.

Эти печи промышленного применения не нашли, т. к. в них не возможно получать слитки большой массы. В настоящее время распространение получили вакуумные дуговые печи с расходуемым электродом.

 

 

 

Рис. 8. Схема вакуумно-дугового переплава

 

 

Расходуемый электрод 3 закрепляют на водоохлаждаемом штоке 2 и помещают в корпус печи 1 и далее в медную водоохлаждаемую изложницу 6. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточного давления 0,00133 кПа. При подаче напряжения между расходуемым электродом 3 (катодом) и затравкой 8 (анодом) возникает дуга. Выделяющаяся теплота расплавляет конец электрода. Капли жидкого металла 4, проходя зону дугового разряда дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток 7. Дуга горит между электродом и жидким металлом 5 в верхней части слитка на протяжении всей плавки. Охлаждение слитка и разогрев жидкого металла создают условия для направленного затвердевания слитка. Следовательно, неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка, усадочная раковина мала. Слиток характеризуется высокой равномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами.

Здесь представлена схема ВДП с расходуемым электродом. Печь состоит из рабочей камеры, медного водоохлаждаемого кристаллизатора, электрододержа­теля, механизма подачи электродов и системы вакуумных насосов. Расходуемый электрод крепится к электродержателю, который через вакуумное уплотнение проходит сквозь верхний торец рабочей камеры.

Электродержатель служит для провода тока к электроду и фиксации его в камере печи. Электродежатель с помощью гибкой подвески связан с механизмом подачи электрода. Расходуемый электрод представляет собой подлежащий пере­плаву исходный металл. Он может быть круглого или квадратного сечения. Как правило, расходуемые электроды содержат все необходимые легирующие эле­менты. Диаметр электрода выбирается таким, чтобы зазор между электродом и стенкою кристаллизатора был больше длины дуги, горящей между электродом и ванной жидкого металла.     В противном случае возможен переброс электрической дуги на стенку кристаллизатора.

Кристаллизатор представляет собой медную водоохлаждаемую трубку со стен­кой толщиной от 8 до 30 мм. Кристаллизаторы бывают двух типов: глухие и сквозные. При плавке металла в сквозном кристаллизаторе можно вытягивать слиток вниз по ходу плавки. Сквозные кристаллизаторы применяют при плавке тугоплавких металлов и сплавов. При плавке стали используют глуходонные кристаллизаторы. Сверху кристаллизатор имеет фланец. Через кристаллизатор к слитку подводится ток.

Вакуумные дуговые печи работают как на постоянном, так и на постоянном токе. При переплаве стальных электродов применяют постоянный ток. «Плюс» подается на электрод, «минус» – на слиток.

После установки расходуемого электрода в камере печи и откачки ее до необ­ходимого давления (около 10^-2 Па) зажигают электрическую дугу между электро­дом и металлической затравкой, лежащей на дне кристаллизатора. Под действием тепла электрической дуги нижний торец электрода оплавляется и капли металла стекают в кристаллизатор, образуя жидкую металлическую ванну. По мере оплавления электрод с помощью механизма подается вниз для поддержания расстояния между электродом и металлом.

Рафинирование металла от вредных примесей происходит во время прохожде­ния жидких капель металла через электрическую дугу и с поверхности расплава в кристаллизаторе.

Одним из преимуществ вакуумного дугового переплава является отсутствие контакта жидкого металла с керамическими материалами. Основной недоста­ток – ограниченное время пребывания металла в жидком состоянии, что суще­ственно снижает рафинирующие возможности вакуума.

 

Плазменно-дуговая плавка

Плазменная плавка специальных сталей и сплавов является одним из важных способов получения металла высокого качества. В плазменных печах источником энергии является низкотемпературная плазма (Т = 10⁵ К). Плазмой называется ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных за­рядов равны. Степень ионизации низкотемпературной плазмы близка к 1 %. Низ­котемпературная плазма получается при введении в дуговой электрический раз­ряд газообразного вещества.       В этом случае газ ионизируется и образуется плазма. В металлургии в качестве плазмообразующего газа чаще всего применяют аргон.

Плазменный способ нагрева и плавления сплавов применяют в печах ванного типа (рис. 9, а) с футеровкой или в гарнисажном тигле, в плавильных установках для получения слитков в кристаллизаторе (рис. 9, б) и для плавки металлов в высокочастотных печах (рис. 9, в).

 

 

 

Рис. 9. Плазменные печи:

а – подовая плазменно-дуговая печь:

1 – плазматрон; 2 – электрод; 3 – отверстие с крышкой;

б – плазменно-дуговая печь с кристаллизатором:

1 – плазматрон; 2 – переплавляемый металл; в – высокочастотная плазменная печь:

1 – запальный электрод; 2 – подача газопорошковой смеси; 3 – герметичная камера;

4 – плазма; 5 – индуктор; 6 – выращиваемый кристалл

 

 

Плазменные печи ванного типа в основном применяют для плавки сталей, а также сплавов на основе никеля. Плазменные печи для плавки в кристаллизаторе могут использоваться для получения слитков из сталей, бериллия, молибдена, ниобия, титана и других металлов. Плазменные печи для плавки в гарнисажном тигле предназначены для фасонного литья сталей, тугоплавких и химически активных металлов.

Подовые (ванного типа) плазменно-дуговые печи (ПДП) по конструкции схожи с обычной дуговой сталеплавильной печью (ДСП). В ПДП катодом дугового разряда постоянного тока служат катоды плазмотронов, анодом – обрабатываемый металл. Дуга в ПДП обдувается потоком инертного газа (обычно аргона). Плазменные высокочастотные печи (ПВП) применяют обычно для выращивания монокристаллов и переработки чистых веществ.

Для плавки стали применяют два типа ванн: печи с огнеупорной футеровкой и медным водоохлаждаемым кристаллизатором (гарнисажный тигель).

Плазменные печи с огнеупорной футеровкойво многом похожи на дуговые сталеплавильные печи. В отличие от дуговых сталеплавильных печей в плазменной печи вместо графитовых электродов устанавливают один или три плазматрона, что зависит от размеров печи. В печах постоянного тока анодом служит ванна жидкого металла, ток к которой подводится через подовый электрод.

Металлургические возможности плазменных печей с нейтральной атмосферой очень широки и металл можно раскислять, десульфурировать, рафинировать от газов и неметаллических включений, легировать азотом.

Применение плазменных печей получило ограниченное распространение. Их применяют для переплава крупногабаритного лома, например чугунных прокатных валков.