2.7.1. Конструкции печей вакуумно-дугового переплава

Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) является одним из основных процессов про­мышленной спецметаллургии, он позволяет получать высококачественные металлы (сталь, различные сплавы, титан, цирконий, ниобий, молибден, тантал, вольфрам, ванадий, бериллий и др.) для специальных отраслей техники. Высокое качество металлов достигается в результате протекания плавки в вакууме, при которой из металла удаляются растворенные в нем газы и твердые неметаллические включения, испаряются примеси цветных металлов. Кроме того, в результате затвердевания в водоохлаждаемом кристаллизаторе получают плотный (без пор) слиток, с малой по высоте усадочной раковиной и с однородной кристаллической структурой и малой ликвацией (при переплаве сталей и сплавов).

В качестве исходного материала используют различные продукты металлурги­ческого передела. Например, исходным материалом при плавке титана и циркония служит губка. В результате обжатия ее на мощных прессах или частичного сплав­ления получают расходуемые электроды. При плавке ниобия, молибдена, тантала и некоторых других металлов исходным материалом являются штабики размером от 10x10x600мм до 25x25x800мм, полученные методом порошковой металлургии. Электроды из штабиков изготовляют сваркой их в пакеты. При переплаве сталей применяют литые, кованые и прокатанные заготовки (штанги).

Отечественные заводы электротермического оборудования освоили серию печей ВДП. Эта серия включает печи типов: ДСВ — для плавки стали; ДТВ — для плавки титана; ДДВ — для плавки молибдена и других тугоплавких металлов; ДНВ — для плавки ниобия.

Условные обозначения для этих типов печей, например типа ДТВ-14-Г26, озна­чают: Д — дуговая, Т — для плавки титана, В — вакуумная, 14 — диаметр кри­сталлизатора 1400 мм, Г — с глухим кристаллизатором, 26 — максимальная масса слитка 26 т; ДДВ-2,5В-0,6: Д — дуговая, Д — для плавки тугоплавких металлов, В — вакуумная, 2,5 — диаметр кристаллизатора 250 мм, В — вытягивание слитка, 0,6 — максимальная масса слитка 0,6 т. Техническая характеристика некоторых печей ВДП приведена ниже:

Основными элементами печей ВДП (рис. 2.108) являются герметичная вакуумная рабочая камера, присоединяемый к ней снизу водоохлаждаемый кристаллизатор, система электропитания и система вакуумных насосов (на рисунке не показаны), обеспечивающих вакуум в камере и в кристаллизаторе в течение процесса переплава.

Сверху в вакуумную камеру через вакуумное сальниковое уплотнение 11 введен подвижный шток (электрододержатель) 8, на котором крепится электрод 5 из пере­плавляемого металла.

Суть процесса заключается в том, что под воздействием высоких температур электрической дуги, возникающей под нижним концом электрода, металл электрода в этом месте расплавляется и каплями падает в находящуюся под дугой жидкую ванну, которая под воздействием охлаждения кристаллизатора непрерывно снизу затвердевает, образуя слиток. По мере плавления электрода его опускают вниз, а высота затвердевшего слитка увеличивается.

Наиболее распространены печи с расходуемым электродом и среди них печи с глухим кристаллизатором (рис. 2.108, а) и с вытягиванием слитка (рис. 2.108, б). Чаще используют печи первого вида, а печи с вытягиванием слитка применяются в основном для плавки тугоплавких металлов, качество которых сильно зависит от величины давления выделяющихся в процессе плавки газов. Для улучшения отсоса газов уровень расплава поддерживается постоянно в верхней части кристаллизатора. В этих печах вытягиваемый слиток поступает в камеру охлаждения.

Реже применяются печи с нерас - ходуемым электродом (угольным), так как переплавляемый металл загрязня­ется материалом электрода.

Применяются также гарниссажные печи, где металл расплавляют в тигле и затем сливают в форму, что позволя­ет получать отливки сложной конфигу­рации.

Вакуумные камеры делают охлаж­даемыми с помощью водяных рубашек или змеевиков. Кристаллизатор совре­менных печей выполняют разборным. Он состоит из медной рабочей гиль­зы и стального кожуха. В пространстве между ними циркулирует охлаждаю­щая вода, которая подводится снизу, а отводится сверху кристаллизатора. Толщину гильзы для малых печей при­нимают равной 8-10 мм, а для круп­ных — 15-20 мм.

Часто кристаллизатор оборудован расположенным снаружи соленоидом 3 (рис. 2.108), создающим аксиальное магнитное поле для стабилизации горения дуги и предупреждения ее переброса на стенки кристаллизатора.

Все печи ВДП, независимо от их конструкции и типа, работают на по­стоянном токе. В качестве источника питания служат тиристорные выпря­мительные агрегаты. Рабочий ток пе­чей колеблется в пределах 12-50 кА, а напряжение — 28-70 В. Ток подается к верху электрододержателя (отрицательный полюс) и к поддону (положительный полюс).

На рис. 2.109 показана схема типовой печи ВДП для выплавки титановых слитков.

Печь установлена в защитной камере 23. Рабочая (вакуумная) камера 7 водо­охлаждаемая, она жестко закреплена в каркасе защитной камеры 23 и присоединена к вакуумной системе трубопроводом 19. Кристаллизатор 10 снабжен соленоидом 11. Электрододержатель 3 введен в камеру 7 через вакуумное сальниковое уплотнение 6; он является водоохлаждаемым и состоит из двух соосных труб — наружной силовой

из стали и медной внутренней, по которой подводят ток и охлаждающую воду. К верху электрододержателя подсоединен гибкий токоподвод 4-

Перед цачалом плавки закрытый поддоном 13 кристаллизатор с помещенным в него расходуемым электродом с помощью тележки 12 и гидроцилиндра 15 подают под рабочую камеру 7. Электрод 9 соединяют с электрододержателем посредством зажима 8, поднимают вверх и затем, включая подъемный стол поднимают кристал­лизатор, прижимая его верхним фланцем к фланцу камеры 7, между которыми помещено вакуумное уплотнение.

Разводку ванны, как правило, ведут при ручном управлении двигателем меха­низма перемещения электрода, а затем переключают на автоматическое управление.

Для повышения быстродействия системы управления механизм перемещения элек­трода снабжен противовесом 22. Наблюдение за процессом проводят с электропуль­та 20 через перископ 21 и окно 5.

После выплавки слитка стол 18 опускается вместе с кристаллизатором и слитком. Кристаллизатор опирается своими упорами на тележку 12, выкатывается за пределы печи и посредством крана транспортируется на специальный стенд для извлечения слитка. На этом стенде также установлено устройство для чистки внутренней поверх­ности кристаллизатора. В ряде случаев разборка и сборка кристаллизатора осуществ­ляется на столе 17, при этом открывают площадку Ц с помощью гидроцилиндра 16.

К числу основных механизмов печей относятся механизмы подачи электрода и вы­тягивания слитка. В небольших печах для подачи электрода применяют винтовые механизмы с электромеханическим приводом, а в крупных — механизмы с цепной подвеской и аналогичным приводом.

Скоротечность процессов в дуговом промежутке, малая длина дуги (20-50 мм) и, в то же время, небольшая скорость подачи электрода при сплавлении вызывают не­обходимость изменять скорость механизма: для нормального режима — миллиметры в минуту, а в момент ликвидации короткого замыкания — метры в минуту.

Наиболее распространенным приводом механизмов подачи является электриче­ский привод с дифференциальным редуктором. Для реализации рабочей скорости служит двигатель постоянного тока 1, для маршевой — двигатель переменного тока 2. (Подробнее такой привод показан на рис. 2.114).

Требования к механизмам вытягивания слитков аналогичны; они также должны иметь две скорости: рабочую с диапазоном регулирования 2-20 мм/мин и марше­вую — в пределах 1,5-3 м/мин. Чаще применяют механизмы с винтовой и реже с гидравлической передачами.

Конструкции и расчет печей электронно-лучевого переплава (ЭЛП)

Для получения особо чистых металлов и сплавов применяют метод электронно­лучевого переплава (ЭЛП). Этот метод сочетает в себе возможность плавки металла в глубоком вакууме (1,3 • 10-2 Па) с нагревом до высокой температуры. Электронно­лучевой переплав эффективнее, чем ВДП, так как имеет независимый источник нагрева, что позволяет в широких пределах регулировать температуру расплава. Принцип метода состоит в том, что пучок электронов, бомбардирует шихту или металлическую заготовку, которые расплавляются в водоохлаждаемом кристалли­заторе. Пучок электронов создают электронно-лучевые нагреватели (электронные пушки).

Печи предназначены для плавки и рафинирования черных, цветных и редких металлов и сплавов на их основе, включая ниобий, тантал, молибден, вольфрам и химически устойчивые в вакууме тугоплавкие соединения.

Распространение получили печи с радиальными и аксиальными пушками (рис. 2.110).

В печах, снабженных радиальными пушками (рис. 2.110, о), сплавляемая заго­товка подается сверху, что является недостатком печей, так как их высотные га­бариты вдвое больше, чем печей с горизонтальной подачей и аксиальными пуш­ками (рис. 2.110,6). В последние годы применяют печи с промежуточной емкостью (рис. 2.110, е). Благодаря увеличению поверхности расплава ускоряется процесс ра­финирования, за счет чего возрастает производительность печей. Наряду с пере­плавом металла в таких печах можно переплавлять кусковую шихту, загружая ее в емкость 11.

В нашей стране широко применяют печи У-270М конструкции Института элек­тросварки им. Е. О. Патона (рис.2.111).

Печь оборудована радиальными пушками 11 (4-10 шт.) и откачивающим диффе­ренциальным устройством. К печи через патрубки подсоединены вакуумные агрега­ты 2 и 4- Камера печи 13 охлаждаются водой, для чего на ее поверхности наварены змеевики 18 из стальных труб, разрезанных вдоль оси. На камере с двух сторон установлены смотровые гляделки 12. Загрузка электрода 10 и выгрузка слитка 15 осуществляются через люк камеры манипулятором 16, расположенным на рабочей площадке 1. Вода к кристаллизатору 14 подается через ось 3.

Механизмы вытягивания слитка 19 и опускания электродов 6, однотипны. Они имеют винтовую передачу и электромеханические приводы с двухскоростными ре­дукторами 5 и 21. Для вытягивания, например, слитка вниз, электродвигатель (на рисунке не показан) через двухскоростной редуктор 21 и зубчатую коническую передачу 22 вращает винт 19 а, что вызывает вертикальное перемещение каретки 20 с гайкой и, тем самым, штока 17 и слитка.

На подвижной траверсе механизма подачи электрода установлен механизм его вращения 7. Охлаждающая вода подается к штоку 9 через специальное уплотнение 8. Водой охлаждаются также шток 17 и поддон слитка. Штоки введены в камеру через специальные вакуумные уплотнения, изготовленные из фторопласта и вакуумной резины. Печи серии У-270 предназначены для выплавки слитков небольшой массы (до 200 кг)ч

Отличительной особенностью крупных промышленных печей ЭЛП является рас­положение механизма вытягивания слитка на выкатной тележке или поворотной колонне, что позволяет достичь полной механизации разгрузки слитка и загрузки новой заготовки. Кристаллизатор в этих печах размещен снаружи и стыкуется с камерой печи через вакуумное уплотнение. Слиток в процессе плавки извлекается в водоохлаждаемую камеру механизма вытягивания.

В последних конструкциях крупных печей применяют боковую подачу заготовки. С двух сторон печи устанавливают герметичные откатные камеры для заготовок. Между камерами и печью предусмотрены шлюзовые затворы, дающие возможность загружать новую заготовку без разгерметизации печи.

Исполнительные механизмы печей ЭЛП незначительно отличаются от механиз­мов печей ВДП, в особенности механизмы вытягивания слитка. В малых печах при­меняют в основном винтовые механизмы, а в крупных — гидравлические. Винтовыё механизмы выполняют двухвинтовыми или же одновинтовыми с консольным прило­жением усилия к штоку (через каретку 20 к штоку 17) или соосным расположением винтовых пар. При соосном расположении винт размещен внутри полого штока

слитка. Механизмы должны обеспечивать две скорости: рабочую, регулируемую в пределах 0,002-0,020 м/мин, и маршевую — свыше 1,0 м/мин.

При расчете механизмов вытягивания слитка независимо от их конструкции необходимо знать величину усилия сопротивления вытягиванию слитка из кристал­лизатора. В вакуумных печах величина усилия в основном зависит от влияния корки, образующейся на стенках кристаллизатора вследствие разбрызгивания и испарения металла. Корка, удерживаясь прочно на кристаллизаторе, сваривается со слитком и препятствует его вытягиванию. Приближенно величина этого усилия (Н)

Р — 29,30(1 + 10D),

где D — диаметр слитка, см.

Сопротивление в вакуумных уплотнениях штоков (МН)

Ру = 7Г • d ■ h ■ f ■ р,

где d — диаметр штока, м; h — высота уплотнения, м; / — коэффициент трения, / = 0,1 - г - 0,2; р — радиальное удельное давление (р — 0,6 -7 1,0 МПа).

В механизмах подачи заготовки печей ЭЛГ1 применение гибких передач (ка­натов, цепей) затруднено необходимостью вращения заготовки для равномерного оплавления конца. Поэтому в печах с вертикальной подачей заготовки применяют преимущественно винтовые механизмы (одновинтовые консольные и двувинтовые), а в печах с горизонтальной подачей — винтовые и гидравлические.

Особенность конструкций кристаллизаторов печей ЭЛГ1 состоит в том, что они предназначены для процесса с вытягиванием слитка, поэтому их изготовляют корот­кими и сквозными. Поскольку максимальная тепловая нагрузка падает на узкий поя­сок контакта жидкого металла с гильзой в верхней части кристаллизатора, требуется более интенсивное охлаждение рабочей гильзы. Для этого между кожухом и гильзой вставляют обойму с винтовой канавкой, по которой направленно со скоростью 5 м/с циркулирует вода.