Как уже указывалось, существуют две разновидности дуговой плавки — плавка с нерасходуемым электродом и с расходуемым электродом.
Типичная конструкция печи с нерасходуемым электродом показана на рис. 89.
При плавке катод 17, представляющий собой водоохлаждаемый стержень, изготовленный из вольфрама или графита, не плавится, а создает дугу, которая плавит шихту, помещаемую или подаваемую в кристаллизатор обычно в виде медной водоохлаждаемой плиты с лунками для кристаллизации металлов. В лунке помещается шихта для плавки в виде спрессованных заготовок. Таким образом, не нарушая герметичности печи, можно выплавить несколько слиточков. В целях лучшего проплава слиточков наворачиваются и производится их второй переплав, На дуговых печах с нерасходуемым электродом выплавляются небольшие биточки весом 50—150 г, диаметром 25—35 мм н высотой 8 - 15 мм. В качестве защитной атмосферы, а также для создании минимально допустимого давления, обеспечивающего стабильное пне дуги, применяется аргон, гелий или смесь аргона с гелием. Давление газа в печи составляет 300—350 мм рт. ст,, при чём заполнение печного пространства инертным газом производится после одинарного или двойного вакуумирования.
Печи с нерасходуемым электродом в настоящее время для промышленных целей не применяются и используются главным образом для выплавки небольших слиточков в лабораторно условиях.
Наиболее широкое применение в промышленности получили ваакумные электродуговые печи с расходуемым элоктродом.
Существует несколько конструкций вакуумных дуговых печей с расходуемым электродом, но принцип их действия один и тот же, а именно электрод, изготовленный из расплавляемого металла или сплава, оплавляется в электрической дуге, а образующийся жидкий металл стекает в кристаллизатор, где и происходит формирование слитка. Конструктивно эти печи состоят из следующих основных элементов:
1) плавильной камеры;
2) механизма подачи электрода;
3) кристаллизатора;
4) механизма вытяжки слитка;
5) вакуумного блока.
Плавильная камера представляет собой цилиндрический или прямоугольный стальной кожух. Обычно камеру изготовляют из нержавеющей стали, так как она должна быть немагнитной и коррозиестойкой.
Размеры камеры должны быть такими, чтобы было удобно разместить механизм подачи электрода и кристаллизатор. Цилиндрическая форма камеры более удобна в эксплуатации, ее легче чистить и она прочнее. Камера имеет люк, позволяющий проникать внутрь для очистки и установки электрода. Внутренняя ее поверхность должку быть гладкой, без выступов, чтобы не сконцентрировать заряды. Обычно плавильная камера имеет смотровые окна или вводы для приборов наблюдения. Рабочие камеры промышленных печей большой мощности имеют охлаждаемые водяные рубашки.
Расходуемый электрод переплавляемого металла крепится к штоку, имеющему водяные охлаждения. Шток вводится в печь через верхние втулки с подвижным вакуумным уплотнением.
Механизм подачи электродов может быть роликовый или цанговый. Наиболее надежной является цанговая подача; при роликовой подаче может быть проскальзывание электрода и ограничен размер электродов. На крупных печах в целях обеспечения центровки электрода применяется гибкая подвеска электрода.
Кристаллизатор представляет собой цилиндрический медный кожух с водоохлаждаемой рубашкой с толщиной стенки 6—8 мм. Применяются два типа кристаллизаторов: глухие на полную высоту слитка и низкие проходные для вытягивания слитков. На кристаллизаторе размещают соленоид для фокусировки дуги и перемешивания металла в ванне. Число ампервитков соленоида можно регулировать.
Охлаждение кристаллизатора осуществляется подачей воды в межрубашечное пространство через зазор в 2—10 мм. В ряде конструкций кристаллизаторов охлаждение производится через зазор между стенкой и рубашкой в 40—60 мм.
Для вытяжки слитка из кристаллизатора применяется механизм, состоящий из траверсы на двух синхронно вращающихся винтах. Такой механизм гарантирует достаточную скорость вытягивания, исключает перекосы и вибрацию штока.
В настоящее время в промышленности применяются несколько типов электродуговых вакуумных печей.
На вакуумных дуговых печах широко применяется автоматизация, охватывающая собой автоматическое регулирование процесса горения дуги,, длины дуги, а также вытягивания слитка. Все это обеспечивает получение качественного слитка.
При выплавке сплавов используются печи, оборудованные бункерами, посредством которых легирующие добавки вводятся непосредственно в ванну жидкого металла. Под бункером устанавливается ленточный питатель и количество подаваемых легирующих добавок или раскислителей регулируется движением ленты питателя, а также шириной разгрузочной щели у бункерного затвора.
Основные процессы, происходящие при вакуумной дуговой плавке
При плавке металлов в вакуумных дуговых печах происходят следующие процессы:
1) плавление металла;
2) удаление газовых летучих примесей, диссоциация неустойчивых соединений при высоких температурах в вакууме;
3) конденсация летучих компонентов на более холодной части печи или удаление их из печного пространства;
4) восстановление и раскисление металлов;
5) кристаллизация металла.
Рафинирование ниобия и других тугоплавких металлов от газов, неметаллических и металлических примесей происходит главным образом за счет испарения примесей и диссоциации соединений. Скорость испарения зависят от степени над расплавленным металлом, продолжительности выдержки его в этом состоянии и ряда других факторов.
При плавке на дуговых печах с расходуем электродом в глубоком кристаллизаторе создается значительное сопротивление газовыделению из расплава, что способствует местному повышению давления в зоне плавления на 2-3 порядка.
Эффективность удаления газов и примесей путем испарения снижается в связи с ограниченным временем нахождения металла в расплавленном состоянии. Это связано с весьма высокими скоростями плавки на дуговых печах с расходуемым электродом, которые не могут быть снижены из-за сравнительно высокого значения минимально необходимой силы тока для поддержания дуги в стабильном состоянии.
По этим причинам рафинирование в дуговых вакуумных печах за счет испарения примесей затруднено. Но, несмотря на это, очистка ниобия при плавке в вакуумных дуговых печах может происходить за счет испарения низшего окисла, так как упругость паров NbO в 10 раз превышает упругость пара ниобия, а также за счет выделения СО при наличии в металле углерода.
Для того чтобы рафинирование проходило наиболее полно, при плавке необходимо соблюдать следующие условия:
1) ври выбранном размере кристаллизатора рекомендуется брать электроды наименьшего поперечного сечения, удовлетворяющие требованиям, необходимым для ведения плавки в данном кристаллизаторе;
2) режимы плавки должны быть такими, которые бы обеспечивали минимальную скорость плавления электрода;
3) давление в печи над зоной плавки должно быть по возможности более низким. Последнее, обеспечивается применением возможно коротких вакуумных присоединений и использованием вакуумных насосов высокой производительности.
Рафинирование металла происходит в процессе нагрева электрода, а также при стекании капель металла в кристаллизатор и во время пребывания его в жидком состоянии.
При образовании капель создается большая реакционная поверхность и, следовательно, создаются более благоприятные условия испарения. В жидкой же ванне испарение происходит с поверхности, но оно сдерживается давлением образующихся газов.
Примеси в результате диффузии и конвекции в жидком металле переносятся к поверхности. Скорость их перехода W может быть выражена уравнением
Раскисление идет тем полнее, чем меньше концентрация окисла раскислителя в ванне и чем больше концентрация в ней самого раскислителя. Однако большое содержание раскислителя может отрицательно сказываться на свойствах раскисляемого металла.
Исходя из этого для раскисления ниобия целесообразно применять высокоактивные в химическом отношении раскислители, которые способствуют рафинированию металла от примесей, образуя с ними летучие химические соединения.
Возможность образования химических соединений оценивается в первую очередь величиной изменения свободной энергии. В условиях дуговой плавки, когда диффузионные и кинетические ограничения реакции раскисления начинают играть меньшую роль, изменения свободной энергии могут характеризовать не только направление реакции, но и позволяют с достаточным приближением судить о составе конечных продуктов реакции.
В табл. 71 представлены рассчитанные по имеющимся в литературе уравнениям состояния стандартные величины изменения свободной энергии при 3000° К В результате образования окислов, карбидов и нитридов для некоторых элементов, применяемых в качестве раскислителей ниобия.
Как известно, многие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, образуют с ним прочные окислы, а церий, титан, торий и цирконий связывают азот в нитриды, очень незначительное число элементов отнимает от ниобия углерод.
Известна, например, возможность раскисления ниобия цирконием. Вполне удовлетворительные результаты получаются при раскислении с помощью углерода, причем наилучшие результаты достигаются при соблюдении соответствующего стехиометрического состава. Однако при раскислении углеродом в слитках появляется микропористость. В случае необходимости наряду с удалением кислорода можно удалить и азот, применяя для этой цели элементы с высоким химическим сродством к азоту, — хром, марганец, церий и др. В практике для раскисления ниобия используют лигатуры ниобия с этими элементами.
Хорошие результаты в качестве раскислителей дают церий и иттрий. Они имеют высокое химическое сродство к кислороду и азоту и дают летучие низшие и тугоплавкие высшие окислы.
При добавлении церия и лантана чистота и пластичность слитков ниобия, полученных дуговой вакуумной плавкой, значительно улучшаются. При добавлении лантана твердость ниобия снижается на 50%, содержание кислорода снижается с 0,38 до 0,004%. При раскислении церием было установлено, что образующийся СеО2 отделяется от расплава и сосредоточивается в значительных количествах на поверхности слитка.
