Для обеспечения нормальных условий плавки и получения качественного слитка необходимо в каждом отдельном случае в зависимости от чистоты металла и состава сплава подбирать соответствующие режимы плавки, зависящие от длины дуги, от силы тока и других факторов.
При большой длине дуги могут образовываться побочные дуги («паразитные» разряды), которые перебрасываются на стенку кристаллизатора и приводят к его прожогу. Применение излишне длинной дуги приводит также к распылению металла, получению плохо проплавленных слитков с поверхностными дефектами и, кроме то¬го, вызывает снижение коэффициента полезного действия печи.
Практически установлено, что дуга может перебрасываться на стенку кристаллизатора в том случае, если длина последней превышает размер, равный зазору между боковой поверхностью электрода и стенкой кристаллизатора.
Плавка на короткой дуге приводит к уменьшению размера жидкой ванны и увеличивает вероятность короткого замыкания между электродом и расплавом. Слишком короткая дуга способствует образованию настылей и может привести к неоднородности кристаллической структуры слитка и в некоторых случаях к появлению «паразитных» разрядов.
При плавке ниобия промышленной чистоты и некоторых его сплавов, как показывают опытные данные, длину дуги следует поддерживать в пределах 13—19 мм.
При плавке в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом устойчивость горения дуги в значительной степени зависит не только от ее длины, но и от применяемой силы тока. С увеличением силы тока, устойчивость горения дуги повышается.
Однако при этом возрастает температура электрода и жидкой ванны и, следовательно, увеличивается испаряемость. В результате повышается концентрация ионизированных паров и там, где эта концентрация выше, возникают побочные разряды и поэтому также нарушается стабильность горения дуги. Следовательно, при плавке металлов в вакуумных дуговых печах необходимо выбирать оптимальную величину силы тока конкретно ддя каждого переплавляемого материала.
Обычно плавка в вакуумных дуговых печах ведется на постоянном токе, что обеспечивает более устойчивую дугу. При применении переменного тока температура катода нестабильна, что затрудняет процесс горения дуги и делает ее менее устойчивой. При переходе тока через нулевое значение и перемене полярности в начале и конце каждого периода дуга гаснет и температура дугового промежутка снижается.
Но, несмотря на указанные трудности, плавка тугоплавких металлов, в том числе ниобия, на переменном токе возможна. В этом случае должны быть обеспечены достаточно большая плотность тока и непрерывным выход электронов для поддержания устойчивости дуги.
Рассмотрим тепловые процессы, происходящие во время плавки.
Во время плавки в расходуемом электроде протекают два противоположных тепловых процесса. Во-первых, выделяющееся при горении электрической дуги и образующееся от прохождения электрического тока в электроде тепло повышает теплосодержание электрода. Во-вторых, теплоотдача с боковой поверхности электрода и его оплавление приводят к уменьшению его тепло-содержания. В результате через определенный промежуток времени устанавливается тепловое равновесие, характеризующееся (существованием температурного поля, которое, не изменяясь относительно нижнего торца электрода, будет перемещаться вверх по электроду по мере его расплавления.
Величина этого температурного поля оказывает существенное влияние на вероятность возникновения «паразитных» разрядов между электродом и стенкой кристаллизатора. Если температура электрода превышает определенную величину, то вероятность возникновения «паразитных» разрядов значительно возрастает. Капли металла, переходящего с электрода на слиток, имеют температуру несколько выше температуры плавления металла, темп. жидкой ванны в результате электронной бомбардировки еще несколько повышается, но это повышение относится большому участку поверхности слитка. Наибольшая темпе-ра достигается в зоне анодного пятна; она, как показали исследования, при атмосферном давлении выше точки кипения
переплавляемого металла. При плавке ниобия температура анодного пятна возрастает почти вдвое по сравнению с температурой плавления. Однако следует указать, что эти данные несколько завышены, так как они определены по кратковременному горению дуги между массивными электродами. Кроме того, температура анодного пятна видимо, значительно снижается в связи с тем. что при плавке в дуговых вакуумных печах с водоохлаждаемым кристаллизатором большая доля тепла уносится водой.
Тепловые потери в рабочей зоне приводятся на схеме рис. 88.
Как видно из этой схемы, потери тепла состоят из потерь на излучение с перегретого участка слитка и потерь теплопроводностью по телу электрода в направлении штока печи. Через фронт кристаллизации проходит большой поток тепла, образуемый в результате постоянного нагрева поверхности жидкого металла электрической дугой и резкого охлаждения слитка стенками водоохлаждаемого кристаллизатора. Потери тепла за счет излучения его с поверхности слитка в основном идут на нагрев конструкции печи.
Структура слитка и степень рафинирования металла при плавке в вакуумных дуговых печах в значительной степени зависят от состояния жидкого металла. Жидкий металл не находятся в состоянии покоя, а под влиянием разности температур на периферии и в центральной части происходит конвективное (плавучее) движение металла.
Перемешивание металла приводит к улучшению качества слитка: способствует выделению газов, получению плотного слитка и выравниванию состава по высоте и сечению слитка. Для получения более равномерного состава и мелкозернистой структуры в слитках, кроме естественного перемешивания в печи применяется искусственное перемешивание путем наложения внешнего электромагнитного поля.
Указанное поле создается соленоидом, надетым непосредственно на кристаллизатор. Кроме того, поле соленоида оказывает воздействие на форму электрической дуги и ее горение. Внешние магнитные поля, вызываемые соленоидом, должны быть определенной напряженности. Если соленоид создает недостаточную напряженность магнитного поля, то не будет обеспечено хорошее качество поверхности слитка, ухудшится дегазация и горение дуги будет неравномерное. В случае употребления соленоида большой напряженности магнитного поля образуются высокая корона металла и дополнительные его потери.
Для плавки тугоплавких металлов на постоянном токе можно применять прямую и обратную полярность. Однако при плавке ниобия в вакууме обратную полярность применять не рекомендуется, так как катодное пятно в этих условиях может переместиться на стенку кристаллизатора.
плавка с расходуемым электродом, плавка ниобия
