Вакуумная металлургия

Электрод прикреплен к стержню, с помощью которого он подается внутрь камеры. Под камерой устанавливается изложница, которая зажимается в вакуумном уплотнении. Вакуумные насосы расположены

Фиг . 1. Схема дуговой вакуумной печи фирмы «Рёйтте» (Австрия).

I — слиток; 2 — водоохлаждаемая изложница; 3 — механизм для вытягивания слитка; 4 — приспособление для демонтажа; 5 — расходуемый электрод; 6 — вакуумное соеди­ нение; 7 — механический насос; 8 — бустерный насос; 9 — диффузионный насос.

над пылеуловителем, который закреплен у боковой стенки кожуха печи. Динамическое уплотнение, состоящее из нескольких эвакуированных камер, предотвращает возможность образования течей у электрододержателя, перемещение которого осуществляется дифференциальной пере­ дачей, приводимой в движение двумя электродвигателями, включенными

в общую электронную систему автоматического регулирования. Наблю­ дение за ходом процесса внутри печи осуществляется с помощью телеоптической системы, экран которой смонтирован над щитом управления.

Фиг. 2. Общий вид дуговой вакуумной печи, показанной на фиг. 1.

Подача электрода. Существуют различные конструкции механизмов перемещения расходуемых электродов в вакуумных дуговых печах (см. фиг. 4), которые имеют свои преимущества и недостатки. Из всего много­ образия конструктивных вариантов рассмотрим электрододержатель, подвешиваемый на цепи и вводимый в печь через динамическое уплотне­ ние. Преимущества такой конструкции следующие:

1. Отсутствие каких-либо переделок печи при использовании электро­ дов различней длины и поперечного сечения. Подвод тока к электроду осуществляется гибким кабелем с внешней стороны печи. В связи с этим отпадает надобность в скользящем или роликовом контакте.

2. Тяга механизма подачи электрода поднимается и опускается с помощью гибкой цепи, чем исключается возможность повреждения каких-либо деталей или самого электрода при опускании его вниз до упора в дно изложницы или в находящийся в ней слиток.

Ф и г. 3. Схема дуговой вакуумной печи фирмы «Хераус» типа VAL 600/800/1000 Sh.

1 — воздуходувка Рута; 2 — механический бустерный насос; 3 — сепаратор пыли; 4 — водоо'хлаждаемая изложница; 5 — механический форвакуумный насос; в — загру­ зочная тележка; 7 — механизм подачи; 8 — цепь; 9 — штанга электрода; 10 — подвод воды и тока; 11 — сальник; 12 — камера печи; 13 — присоединение электрода к штанге; 14 — штабик из титановой губки с электродом; 15—расходуемый электрод; 26—панель;

17 — самопишущий прибор; 18 — пульт управления.

Первые слитки могут слегка привариваться к изложнице, но они легко извлекаются с помощью цепи. Вследствие сравнительно большого расстояния между направляющими в уплотнении и ввиду жесткости конструкции последнего отпадает необходимость в дополнительном центрировании электрода.

Недостатком такой конструкции электрододержателя является его скользящая подача в вакуум. Однако этот недостаток был устранен использованием специального уплотнения, представляющего собой ряд отдельных вакуумных шлюзов, через которые проходит электрододержатель. Ввиду того, что ток подводится к верхней части электрододержа-

U - Ф

Проблема получения вакуума

Современные дуговые печи работают обычно при давлении порядка нескольких микрон. В инертной атмосфере при давлениях выше 20 мм рт. ст. плавятся только те металлы, которые обладают высокой упру­ гостью пара. В этом случае достигается более высокая скорость плавки при стабильной дуге и в то же время уменьшается опасность появления блуждающего разряда. Эти вопросы подробно освещены Джонсоном, Смитом и Грубером в работе [2].

Кролль и некоторые другие исследователи сомневаются в возмож­ ности достижения давления ниже 1 мм рт. ст. в зоне дуги. Они, в част­ ности, считают, что при плавке титановой губки в вакууме происходит испарение MgCl2, Mg или NaCl2, а также металлического натрия и титана, поэтому в зоне дуги создаются условия, аналогичные тем, которые имеют место при переплаве в инертной атмосфере при давлении порядка несколь­ ких мм рт. ст. [3]. Однако есть основания сомневаться в справедливости подобного утверждения. Давление в зоне дуги может, видимо, достигать 0,1 мм рт. ст. даже и при переплаве губки титана. В доказательство этого положения можно привести следующие аргументы:

1.Дуговой разряд в вакууме существенно отличается от такового при давлении в несколько мм рт. ст. В частности, как упоминалось выше, градиент напряжения при дуговом разряде в вакууме почти в 10 раз меньше, а скорость движения дуги во вращающемся магнитном поле при низких давлениях очень мала, в то время как при больших давлениях наблюдается очень быстрое вращение дуги.

2.Так называемый тлеющий разряд, возникающий при давлении около 0,5 мм рт. ст., никогда не наблюдается в вакуумных печах, оборудо­ ванных мощными откачными системами.

3.Испарение металлов и их соединений, обладающих высокой упру­ гостью пара (например, Mg или Mg012), а также выделение газов, содер­ жащихся в губке, не может создать давление выше 0,5 мм рт. ст. при условии достаточно высокой скорости откачки.

Вкачестве подтверждения высказанной выше точки зрения можно сослаться на результаты измерения давления в печи на заводе в Ханау.

Впечь вдоль стенки изложницы, диаметр которой составлял 250 мм, поме­ щали титановую трубку диаметром 12,7 мм и длиной около 1 м (фиг. 5). Верхний конец трубки соединялся с манометром Пирани, с манометром Кнудсена [4] и с манометром Мак-Леода. На фиг. 6 представлена кривая изменения давления для плавки титановой губки, спрессованной в квад­ ратный электрод (1р0х100 мм), при скорости плавления 3,6 кг/мин.

Правда, с помощью такого устройства можно определять давление только тех газов, которые не конденсируются при комнатной температуре.

Поскольку выделяющийся газ состоит главным образом из водорода, то манометр Пирани дает завышенные результаты, в то время как мано­ метр Кнудсена при давлении выше 5 • 10~2 мм рт. ст. показывает зани­ женные отсчеты и завышенные результаты при давлении ниже 5 10“ 2 мм рт. ст. Манометр Мак-Леода дает правильные показания во всем диапа­

впроцессе плавки следствием возгонки летучих компонентов (Mg, MgCl2), необходимо знать соотношение между количеством газов, растворенных

вметалле, и парами летучих компонентов. Подсчеты показывают, что в зоне дуги содержание паров летучих компонентов тем больше, чем выше

процентное содержание газов, выделяющихся из металла [2, 4]. Таким образом, истинное давление в печи при комнатной температуре должно быть в два раза больше давления конденсируемых газов, растворенных

вметалле, а с учетом температуры дуги — примерно в 5 раз, т. е. если

взоне дуги давление газа составляет 5 • 10“2 мм рт. ст., то истинное давление (с учетом летучих компонентов), видимо, не превышает 5 • 10"1 мм

рт. ст. Эти данные позволяют примерно установить существующее

Фиг. 7. Скорость откачки вакуумной системы дуговой печи.

1 — вакуумная система; 2 — масляный диффузионный насос; 3 — воз­ духодувка Рута (механический бустерный насос) R 6000; 4 — воздухо­ дувка типа RG 1000; 5 — водокольцевой эжекторный насос W 500; в — воздуходувка типа Рута RG 350.

давление в печи. Так, например, для того чтобы в зоне дуги давление газов не превышало 5 • 10-2 мм рт. ст., необходимо в камере печи иметь давление не более 10-2 мм рт. ст. (для электрода и изложницы упомяну­ тых размеров). Производительность и тип вакуумных насосов должны выбираться таким образом, чтобы обеспечить удаление выделяющихся газов при давлении не выше 10-2 мм рт. ст. Для этой же цели рекомен­ дуется применять масляные диффузионные эжекторные насосы типа KS фирмы «Консолидэйтид электродайнемикс корпорейшн» или высоко­ вакуумные насосы типа воздуходувки Рута. Оба типа насосов исполь­ зуются в дуговых печах фирмы «Хераус» для раздельной или параллельной работы. О преимуществах параллельного включения можно судить по кривой скорости откачки, показанной на фиг. 7, откуда видно, что относи­ тельно высокой скорости откачки можно достичь при разрежении от 1 мм и до 5 • 10-2 мм рт. ст. Преимущества применения воздуходувок Рута или одной воздуходувки, работающей параллельно с масляным диффу­ зионным эжекторным насосом, будут рассмотрены ниже при обсуждении вопросов техники безопасности.

Техника безопасности

В случае прогорания медной Еодоохлаждаемой изложницы и попадания воды в металл, нагретый до температуры свыше 1600°, вследствие выделе­ ния водорода возможно образование гремучей смеси. Опасность взрыва усугубляется подачей значительной мощности (до 500 кет) в зону горения

щитная стальная дверь: 8 — расходуемый электрод; 9 — водяная рубашка изложницы; 10 — загрузочная тележка; Л —яма для электродов; 12 — предохранительный клапан; 13 — труба для выхлопа из предохранительного клапана; 14 — отражательная стенка.

дуги на сравнительно небольшую площадь. В литературе описано не­ сколько случаев взрывов дуговых печей [2, б]. Для обеспечения безопас­ ности работы необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:

1. Длина дуги должна быть возможно более короткой. Для умень­ шения опасности возникновения дугового разряда между электродом и изложницей длина дуги должна быть меньше, чем расстояние между элек­ тродом и стенкой. Автоматика обеспечивает выполнение этого условия.

2. При плавке в вакууме давление в зоне дуги должно составлять около 10-1 мм рт. ст., что ниже критического давления, при котором возможно возникновение тлеющего разряда. Учитывая градиент давления по оси изложницы, о котором уже упоминалось, давление в печи должно быть не менее 10-2 мм рт. ст. Следует заметить, что все известные автору взрывы дуговых печей произошли при давлении в камере вы­ ше 0,1 мм рт. ст. или в печах с инертной атмосферой, в которых давление было не ниже нескольких мм рт. ст. Разумеется, некоторые сплавы, обла­ дающие высокой упругостью паров, могут быть переплавлены только при более высоком давлении.

3.Рекомендуется также устанавливать предохранительный клапан, который открывается в случае резкого увеличения давления в печи. Этот клапан должен автоматически срабатывать и после выпуска излиш­ него газа из печи плотно закрываться для того, чтобы исключить возмож­ ность попадания кислорода внутрь печи. Давление, при котором откры­ вается предохранительный клапан, должно быть в несколько раз выше атмосферного. Автор считает совершенно бесперспективной попытку изготовить печь, способную выдержать водородный взрыв, так как такая печь подобна бсмбе. Креме того, при этом возникает ряд трудноразреши­ мых технических проблем.

Необходимо подчеркнуть, что предохранительный клапан при водо­ родном взрыве может оказаться неэффективным, так как взрывная волна движется со скоростью звука. Иными словами, прежде чем взрывная волна дойдет до клапана и разорвет предохранительные диски, давление

впечи в течение нескольких миллисекунд может достичь критического значения. Кроме того, через предохранительный клапан с разрываю­ щимися дисками после взрыва может проникать воздух.

4.Эксперименты показывают, что в случае прорыва воды внутрь печи нужно поддерживать давление возможно более низким. Целесо­ образно откачивать систему с помощью воздуходувки Рута со ско­ ростью откачки около 112 м3/мин, так как насосы этого типа могут

поддержать в печи давление порядка нескольких миллиметров даже при прогорании изложницы и попадании воды в печную камеру. По со­ общению фирмы «Ютика дроп фордж энд стил корпорейшн», взрыв стехиометрической смеси водорода и кислорода при давлении ниже 40 мм рт. ст. не представляет серьезной опасности для правильно сконструированной вакуумной камеры.

5. Несмотря на различные технологические приемы и усовершенство­ вания, нельзя полностью избежать возможности взрыва, поэтому вакуум­ ные дуговые печи устанавливают во взрывобезопасных железобетонных ячейках. Одно из таких сооружений показано на фиг. 8.

ДУГОВЫЕ ПЕЧИ, РАБОТАЮЩИЕ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Одним из возможных путей уменьшения опасности прогорания изложницы является применение одноили многофазных печей перемен­

Однако весьма сомнительно, чтобы в будущем удалось разрешить проблему всех неполадок, связанных с работой дуговых печей на пере­ менном токе. В частности, такая печь должна иметь два или даже три электрода, причем угол между электродами должен быть совершенно определенным, так как только в этом случае зажигается дуга на концах электродов. Более того, эти электроды должны быть несколько большей длины для слитка данного веса, поскольку коэффициент заполнения для многоэлектродной печи ниже, чем для однофазной. Вызывает также сомнение возможность передачи излучением металлу тепла в достаточном количестве для его плавки.

Однофазные или многофазные дуговые печи переменного тока, в кото­ рых изложница [2, 7] или ванна расплавленного металла соединены с ней­ тралью печи, имеют лишь незначительные преимущества по сравнению с дуговыми печами, работающими на постоянном токе. Преимущество трехфазных печей на переменном токе [2] состоит лишь в том, что стоимость электрооборудования для питания печи ниже. Кроме того, в этих печах можно получить слитки прямоугольного сечения, которые, однако,