Спецэлектрометаллургия сталей и сплавов

 

 

 

 

 

Рис.31. Схема конструкции вакуумной дуговой печи с расходуемым электродом:

I- механизм перемещения  электрода; 

2 - шток;

3 – вакуумное  уплотнение;

4 - вакуум-камера;

5 - электрододержатель;

6 - головка электрода; 

7 - расходуемый  электрод;

8 - кристаллизатор;

9 - слиток;

10 - подвод и  отвод охлаждающей воды;

11- к системе вакуумных насосов.

 

 

Медный цилиндр кристаллизатора вставлен в кожух из немагнитной стали, и в пространство между ними подают воду для охлаждения. Поверх кожуха может быть намотан соленоид, по которому пропускают ток, чем создается продольное (аксиальное ) магнитное поле, которое компенсирует внешние магнитные поля (от рабочего тока) и уменьшает движение металла в жидкой ванне. Кроме того, обеспечивается сжатие дуги и уменьшается возможность разряда на стенку. Вакуумно-дуговые печи специализируют для переплава конкретного материала (титана, ниобия, стали, тугоплавких металлов), что отражается в маркировке таких печей для переплава:

титана – ДТВ, ниобия – ДЖВ, стали и сплавов на основе никеля  - ДСВ, тугоплавких металлов (W, Mо ) - ДДВ

Общая компоновка основных узлов установки ВДП приведена  на рис. 32.

 

 

 

 

 Рис.32 Компоновочная схема установки ВДП:

I - рабочая камера;

2 - кристаллизатор;

3 - поддон;

4 - механизм  подъема электрода; 

5 - вакуумная  система;

6 - узел крепления  электрода к штоку; 

7 - шток электрододержателя

8 - подвеска  штока.

 

 

 

7.2. Особенности электрического дугового разряда в вакууме

 

 

Электрическая дута в  вакууме характеризуется некоторыми особенностями по сравнению с  дугой, горящей в воздухе или в среде инертного газа:

-основное количество  энергии при дуговом разряде  (80-85%) выделяется на катоде, что способствует быстрому плавлению электрода, т.к. катодом служит конец переплавляемого электрода;

-выделение энергии  дуги па катоде сосредоточено в  участках небольшого размера, (т.н. катодных пятнах) где резко повышается температура, вызывая вскипание и испарение металла. Поэтому дуговой разряд в установке ВДП фактически происходит в разреженных металлических парах;

-общее падение напряжения в электрической дуге складывается из катодного и анодного, при этом  катодное падение напряжения составляет около 19 В, а анодное - 1,0 - 1,5 В. В самом столбе дуги падение напряжения очень мало, поэтому четкого анодного пятна нет и оно занимает практически всю поверхность жидкой ванны под электродом, что определяет её равномерный обогрев;

-поскольку при горении  дуги в вакууме основная доля  энергии выделяется на катоде, в самом столбе дуги выделяется  только небольшая доля мощности, и светимость дуги при этом невелика.

В реальных условиях плавки зависимость скорости плавления  электрода от величины тока дуги имеет  сложный характер (рис.34). До некоторого значения тока I₀ дуга существует, но электрод не плавится, т.к. выделяемая мощность при этом меньше потерь тепла. При дальнейшем возрастании тока скорость плавления электрода  растет пропорционально увеличению тока дуги. Зависимость скорости плавления электрода от напряжения подводимого тока довольно сложная. С ростом напряжения увеличивается длина дуги. При длинной дуге резко возрастают тепловые потери за счет увеличения излучения на стенки кристаллизатора. Эти потери превышают ожидаемое увеличение скорости переплава за счет увеличения мощности дуги, связанной с ростом напряжения. Поэтому переплав стараются вести при оптимальных значениях длины дуги 25 - 45 мм. Напряжение питающего тока составляет 20 - 50 В.

Рис.3 3. Зависимость скорости плавления электрода (Q) от величины тока дуги (Iд)

 

Напряжение на дуге ( ) можно определить по эмпирической формуле:

Где:  сумма катодного и анодного падения напряжения(20.5B)

  , - длина дуги и диаметр электрода, м;

  -ток дуги

 

Например: = 20,5 в ; = 0,035 м ;   =0,4 и ;  = 8000 А

Тогда:

= 20,5 + 2·10^-3(0,035/0,4) ·  8000 = 21,9 В

7 .3.  Некоторые характеристики установок ВДП

 

В качестве основного  размера печи ВДП принимают внутренний диаметр кристаллизатора, который  незначительно превышает диаметр  слитка. Соотношение между диаметром  электрода и диаметром кристаллизатора должно обеспечить достаточное расстояние между ними К. Во избежание перехода дуги на стенки кристаллизатора нужно соблюдать соотношение:

 

При малом значении К  возможен переброс дуги на стенку кристаллизатора  и его проплавление.

Важными характеристиками установок ВДП являются производительность

(g , кг/мин), ток дуги ( ,  кА ), напряжение дуги ( В), плотность тока на электроде ( ,А/см ²), отношение диаметра электрода к диаметру кристаллизатора  (dэл/Dкр).

Изменение этих характеристик  при увеличении диаметра электрода  показано на рис.5 Для электродов большого диаметра характерное значительно увеличение производительности (g) и тока дуги ( ) при одновременном снижении плотности тока ( ).

 

 

 

Рис.34. Изменение основных характеристик ВДП в зависимости от диаметра кристаллизатора (Dкр): g - производительность;   - ток дуги; Ug, - напряжение дуги;  - плотность тока на электроде; dэл/Dкр  -  отношение диаметра электрода к диаметру кристаллизатора.

 

7.4. Системы электропитания  и вакуумирования установок ВДП

 

Установки ВДП питаются постоянным (выпрямленным) током. Обычно используется "прямая" полярность, тогда переплавляемый электрод является катодом. Дуга горит при малых длинах (20-50 мм) и низких напряжениях (25 - 40В). Это приводит к тому, что в мощных установках ВДП протекают значительные токи (до 50 кА).

Современные источники  питания установок ВДП снабжаются энергией от сети 6 - 10 кВ и используют для создания выпрямленного тока  выпрямители, подключенные через понизительные трансформаторы.Ток от источника питания до печи подводится жесткими шинами, а непосредственно к штоку, поддону и кристаллизатору - гибкими водоохлаждаемыми кабелями.

Удельный расход электроэнергии при ВДП составляет 1400 -1600 кВт*ч/т с учетом расхода электроэнергии на вспомогательные операции (100 - 500 кВт*ч/т). Основной расход электроэнергии вспомогательных операций приходится на работу вакуумных насосов.

Процесс ВДП ведут обычно при разрежении от 10^-2 до 1 Па, поэтому система вакуумирования должна быть достаточно производительной, чтобы обеспечить создание требуемого разрежения спустя 10 -20 мин после закрытия печи, а также для надежного и быстрого удаления всех газов, выделяющихся при плавлении электрода.

Схема системы вакуумирования установок ВДП  на небольших печах  обычно включает пароструйный масляный насос в комбинации с механическими форвакуумными насосами; для более крупных печей в систему вакуумирования дополнительно включают двухроторные насосы, обладающие высокой скоростью откачки.

Главную роль в создании высокого вакуума играет пароструйный масляный («бустерный») насос.

 

7.5. Технология  процесса ВДП

 

Технологический цикл ВДП  состоит из нескольких этапов: подготовительные и вспомогательные операции, вакуумирование рабочего объема установки и проверка натекания, собственно переплав. Подготовительные операции включают выплавку исходного металла, изготовление и подготовку электродов, чистку кристаллизатора, установку электрода в печь и закрепление его в электрододержателе.

Вакуумирование печи производят для удаления воздуха  и создания рабочего разрежения в плавильном пространстве еще до включения тока. Важно не только создать рабочее разрежение в печи, но и обеспечить ее герметичность, которая характеризуется величиной натекания. Различают внутреннее натекание, которое вызывается десорбцией газов с внутренних стенок кристаллизатора и камеры печи, и внешнее, связанное с поступлением воздуха в печь через неплотности в соединениях отдельных узлов установки ВДП. Внешнее натекание происходит с постоянной скоростью. При большом значении натекания необходимо выявить место неплотности и обеспечить его герметичность.

Процесс переплава включает три основных периода: начальный (или период "разведения" ванны), основной переплав и завершающий период (или период выведения усадочной раковины). В начальный период, после возбуждения дугового разряда между торцом электрода и затравочной шайбой, укладываемой на поддон, производят 'кратковременный прогрев электрода малым током. С, началом плавления электрода ток постепенно увеличивают до значения в 1,5-2 раза больше номинального для быстрого образования жидкой ванны и формирования качественной донной части слитка. Длительность начального периода обычно не превышает 10 % общего времени переплава.

В начале основного периода  рабочий ток снижают до номинального или рабочего значения. Величину рабочего тока выбирают с учетом диаметра кристаллизатора, химического состава переплавляемого металла и склонности его к ликвации.

Ориентировочно величину рабочего тока( )можно определить по уравнению: 

- диаметр кристаллизатора, м. Продолжительность переплава электрода составляет основную долю продолжительности плавки и на печах разной вместимости составляет от  3 до 20 часов. В завершающий период плавки постепенно снижают рабочий ток, чтобы уменьшить объем жидкой ванны и соответственно снизить объем усадочной раковины. Электрический режим переплава показан на рис. 35 В ряде случаев бывает трудно соблюсти режим, представленный на рис. 35а, и тогда переплав ведут по более простому режиму (рис.35.б).

 

Рис.35 Электрический режим ВДП. Зависимость величины тока дуги ( ) от времени переплава:

а - начальный  период ( ), основной период ( ), период вывода усадочной раковины ( );

б - начальный период ( ), основной период ( ), период вывода усадочной раковины ( )

 

После отключения тока слиток охлаждают в вакууме до полной кристаллизации металла в верхней его части. Затем напускают воздух, охлаждают слиток до темно-красного цвета. Происходящая при этом усадка слитка облегчает извлечение его из кристаллизатора.  После выгрузки слитка вакуумную камеру, кристаллизатор и поддон очищают от конденсата и готовят для следующей плавки.

 

7.6. Процесс кристаллизации металла и формирование слитка при ВДП

 

Высокое  качество слитка, получаемого методом ВДП, связано  не только с повышенной чистотой металла  по вредным примесям за счет их удаления в вакууме, но определяется также особыми условиями формирования слитка, существенно отличающимися от условий затвердевания в обычных изложницах или в кристаллизаторах и зонах вторичного охлаждения МНЛЗ.

Затвердевание слитка при  ВДП происходит при непрерывном поступлении на поверхность жидкой ванны капель металла с торца плавящегося электрода.  Одновременно поверхность жидкой ванны обогревается электрической дугой, а сам слиток интенсивно охлаждается с боковой поверхности стенками водоохлаждаемого кристаллизатора и со дна - водоохлаждаемым поддоном. Такие условия обеспечивают направленное затвердевание слитка и высокий температурный градиент в жидкой фазе у фронта затвердевания при  сравнительно малой глубине жидкой ванны. В этом случае уменьшается протяженность двухфазной зоны, что снижает развития ликвации.

Глубина и форма металлической  ванны при ВДП, которая определяет физическую, структурную и химическую неоднородность слитка, зависит в основном от величины тока дуги и диаметра слитка (рис36). При одинаковом диаметре кристаллизатора с ростом тока дуги значительно увеличивается глубина жидкой ванны. При одном и том же токе дуги увеличение диаметра кристаллизатора приводит к уменьшению глубины жидкой ванны.

 

 

 

Рис.36. Зависимость глубины ванны от  величины тока дуги и диаметра кристаллизатора а, б –( )₁<( )₂.

 

Получение более мелкой ванны благоприятно влияет на формирование структуры слитка, однако при этой снижается производительность процесса. Поэтому для каждой марки стали и диаметра слитка выбирают оптимальное значение тока дуги, при котором достигается наибольшая производительность установки без ухудшения качества внутреннего строения слитка.

Слитки ВДП имеют  плохую поверхность вследствие того, что в процессе переплава в вакууме на стенках кристаллизатора выше уровня жидкого металла конденсируются пары .металла и намерзают мелкие брызги. Конденсат и брызги образуют так называемую "корону" (рис.37) толщиной несколько миллиметров и высотой 15-20 см над уровнем ванны. При последующем повышении уровня жидкого металла "корона" частично сплавляется со слитком, а частично в неизменном виде сохраняется на его поверхности, образуя неровную корку. Эту грубую пористую корку перед горячей деформацией слитка необходимо полностью удалить. Поэтому слитки ВДП перед ковкой или прокаткой обтачивают на токарных станках на глубину до 10 мм для удаления дефектного поверхностного слоя.

В структуре слитков  ВДП, в зависимости от их состава, условий получения и электрического режима плавки, иногда обнаруживаются внутренние дефекты. Характерными дефектами являются "послойная кристаллизация" и "светлый контур". Послойная кристаллизация проявляется в виде тонких, с пониженной травимостью слоев металла, которые в сечении слитка повторяют профиль жидкой металлической ванны (рис.37). Светлый контур представляет собой широкую светлую полосу, параллельную образующей слитка и расположенную на расстоянии 20-60 мм от поверхности. На поперечных  темплетах  эта полоса повторяет контур сечения кристаллизатора. Послойная кристаллизация вызывается кратковременными остановками затвердевания. Она обычно обнаруживается в слитках, наплавляемых медленно, при малой глубине жидкой металлической ванны. Короткие остановки затвердевания в этих условиях могут вызываться нестабильностью электрического режима дуги, механическими колебаниями ванны из-за газовыделения, падения кусков короны, вибрации оборудования и др. Поскольку послойная кристаллизация не сопровождается значительным изменением содержания примесей в этих участках, считается, что эта особенность структуры не ухудшает свойств металла. Поэтому ее не причисляют к браковочным признакам.