Конструктивно-технологические особенности печи ВДП

Источником теплоты при ВДП служит электрическая дуга постоян­ного тока. Ее питают либо от электромашинных преобразовательных агрегатов, либо с помощью выпрямительных устройств от трехфазной сети (рис. 2.8).

Рис.2.8. Схема конструкции и электропитания печи ВДП:

Камера печи 10, представляющая собой сварной цилиндр, жестко соединена с водоохлаждаемым кристаллизатором 15. Снизу кристаллизатор плотно закрывается водоохлаждаемым поддоном при помощи вакуумного уплотнения . Во многих случаях кристаллизатор снабжен соленоидом. Электрод 13 вакуумной дуговой печи при помощи переходника и замка электрододержатедя 11 крепится к водоохлаждаемому штоку 8_, который представляет собой охлаждаемую водой полированную стальную трубу. Часто шток состоит из двух труб - из наружной стальной, которая несет механическую нагрузку, и внутренней медной, по которой протекает ток. Шток вводится в камеру через вакуумное уплотнение 9. Перемещение штока вместе с электродом осуществляется посредством дифференциального электропривода. ВДП проводится при остаточном давлении 0,655 - 6,55 Н/м² (5∙10^-3-5∙10^{-2 мм.рт.ст.). Откачка воздуха осуществляется через патрубок 18 вакуумными насосами. Наблюдение за плавкой осуществляется через специальные окна с использованием перископов или телевизионных систем.}

Для повышения энергетической эффективности переплава расходуемый электрод подключают к отрицательному полюсу источника питания (прямая полярность). В камере печи поддерживают разрежение 0,13-1,3 Па (10^-3-10^{-2 мм рт. ст.).}

Электрическая дуга горит между торцом электрода и поверхностью металлической ванны, соединенной с положительным полюсом источника питания по цепи слиток - кристаллизатор. Место подсоединения токоведущих шин к кристаллизатору имеет очень большое значение. При неблагоприятной схеме подключения электромагнитное взаимодействие тока дуги и тока, проходящего через жидкий металл, вызывает вращение ванны со скоростью 0,08-0,1 с^-1, нестабильность горения дуги (переход дугового в тлеющий разряд) и ее смещение относительно устойчивого положения. Это приводит к ухудшению качества поверхности и тела слитка, к опасности переброса дуги на стенку кристаллизатора и его прожога.

Вредное влияние магнитных полей при переплаве устраняют за счет коаксиального токоподвода (рис. 2.9) и равномерного распределения тока по контакту верхнего фланца кристаллизатора с камерой печи.

Рис.2.9. Схемы печей ВДП с токоподводом к поддону (а), частично коаксиальным (б) и максимальной степени коаксиальности (в)

Иногда для стабилизации дуги при ВДП применяют соленоид, располагаемый между охлаждаемым кожухом и внутренней стенкой кристаллизатора. Однако включение соленоида интенсифицирует вращение и перемешивание металлической ванны, что увеличивает количество дефектов в слитках сталей и сплавов, склонных к ликвации. Поэтому применение соленоида ограничено ВДП титана и сплавов на его основе.

Для сокращения межплавочных простоев печи ВДП оснащают несколькими кристаллизаторами. Смена их осуществляется по-разному, в зависимости от конструктивных особенностей печи. В СССР построены печи со стационарной верхней частью (вакуум-камерой) и подвижной нижней частью, в которой устанавливается кристаллизатор (рис. 2.10, а). Современные печи ВДП выполняют также двухпозиционными, но поворотными. В этих печах верхняя часть (портал) поворачивается вокруг стационарной колонны. В портале расположены вакуум-камеры, шток и механизм его перемещения. В колодце ниже уровня пола устанавливают два водоохлаждаемых кожуха, в которые помещают кристаллизаторы.

Существуют две модификации поворотных печей. Агрегаты с одной колонной рассчитаны на получение слитков массой до 7 т. (рис.2.10, в). Их портал поворачивают вручную. Более крупные печи имеют две колонны - поворотную и поддерживающую, оснащенную механизмом поворота (рис.2.10, г). Основание поворотной колонны объединено с входным патрубком вакуумной системы. Печь автоматически присоединяется к последней, когда фланец вакуум-камеры опускается на кристаллизатор. Такие печи компактнее и проще, чем печи со стационарной верхней частью.

Надежное удержание и электрический контакт многотонного электрода со штоком осуществляются электрододержателем. В нем зажимается инвентарная головка, которая либо изготовляется отдельно и приваривается в вакууме к торцу электрода, либо протачивается с помощью токарного станка на одном из концов электрода. Существуют различные конструкции электрододержателей, в том числе и автоматических, позволяющих в несколько секунд освободиться от огарка.

Скорость опускания электрода по мере его сплавления регулируется на основании контроля электрического режима процесса, массовой скорости переплава, а также наблюдения оператора за характером дугового разряда.

Величину дугового промежутка контролируют регуляторами напряжения дуги. Однако за рубежом такой контроль признается неполноценным, поскольку зависимость величины напряжения от длины дуги в вакууме выражена слабо. Более надежным инструментом контроля считают высокочастотную составляющую напряжения дуги, вызванную короткими замыканиями при стекании капель с электрода в ванну, а также переходом дугового разряда в тлеющий.

Рис.2.10. Схема печей ВДП со стационарной (а), съёмной (б), по­воротной одноколонной (в) и двухколонной (г) верхней частью

Непрерывное взвешивание электрода стало возможным после разработки тензометрических датчиков, изготавливаемых на любую грузоподъёмность. Точность контроля массовой скорости плавления электрода достаточна высока.

Для наблюдения за ходом процесса применяют оптические проекционные системы. Первая позволяет получать качественное изображение плавильного пространства на относительно коротких расстояниях от печи (до 8 м). Введение автоматического телевизионного контроля дает возможность одновременно следить за работой нескольких печей из одной диспетчерской, удаленной на расстояние до 30 м.

Разработка надежных средств контроля процесса ВДП позволила перейти к АСУ переплавом по заданной программе с помощью ЭВМ. Все изготавливаемые за рубежом печи ВДП оснащаются микропроцессорами. Главное достоинство АСУ - воспроизводимость высокого качества металла от плавки к плавке.

Технологический цикл ВДП состоит из нескольких этапов: подготовительные и вспомогательные операции, вакуумирование и проверка натекания, собственно переплав.

При рассмотрении технологии переплава в широком плане к подготовительным операциям относят выплавку исходного металла, изготовление и подготовку электродов, чистку кристаллизатора, установку электрода в печь и укрепление его в электрододержателе, а также другие необходимые мероприятия. Способ выплавки исходного металла и подготовка электрода к плавке оказывают большое влияние на качество переплавленного металла.

Вакуумирование печи предусматривает эвакуацию воздуха и создание рабочего разряжения в плавильном пространстве до включения тока, а также непрерывное откачивание газов и поддержание вакуума во время переплава. В связи с особенностями вакуумного оборудования сначала в печи с помощью форвакуумных насосов создается предварительное разряжение, а затем включаются высоковакуумные насосы.

Для переплава важно не только создать рабочее разряжение в печи, но и обеспечить ее герметичность, которую характеризуют величиной натекания. Натекание различают внутреннее, вызванное десорбцией газов с внутренних стенок кристаллизатора и камеры печи, и внешнее, связанное с поступлением воздуха в печь через неплотности. Уменьшить натекание до установленной нормы позволяют специальные мероприятия.

Переплав разделяют на три периода (рис.2.11).

Рис.2.11. Зависимость величины тока дуги от времени ВДП стали в кристаллизатор диаметром 500 мм

После возбуждения дугового разряда между торцом электрода и затравочной шайбой (или стружкой), укладываемой на поддон, производят кратковременный прогрев электрода малым током. С началом плавления электрода ток увеличивают до значения, примерно в 1,5 раза превышающего номинальное. Это необходимо для быстрого образования жидкой ванны и формирования качественной донной части слитка. Затем ток уменьшают до рабочей величины. Продолжительность первого периода обычно не превышает 10 % общего времени переплава.

Электрический режим для условий квазистационарного процесса (второй период) выбирают, учитывая диаметр кристаллизатора, химический состав металла и его склонность к ликвации.

В третьем периоде переплава поддерживают электрический режим, обеспечивающий минимальную головную обрезь слитка. Основная цель третьего периода - уменьшение объёма усадочных дефектов - достигается постепенным снижением вводимой мощности. Это, однако, не означает, что режим выведения усадочной раковины обязателен и одинаков во всех случаях ВДП. В зависимости от технико-экономических и металлургических особенностей третий период может либо вообще отсутствовать, либо иметь другой характер изменения электрического режима. Последнее относится также и к основному периоду плавки.

После отключения тока слиток охлаждают в вакууме. Продолжительность выдержки (от четверти часа до нескольких часов) устанавливают с учетом объёма ванны при окончании переплава, склонности металла к образованию трещин, опасности значительного окисления поверхности слитка при раннем извлечении его из кристаллизатора.

Охлажденные слитки обдирают на токарных или абразивных станках на глубину 5-0 мм. Необходимость обдирки вызвана неудовлетворительным качеством поверхности слитков ВДП.

Кроме описанной конструктивно-технологической схемы ВДП разрабатывались и опробовались различные модификации дугового переплава электродов. Это вызывалось и вызывается недостатками канонической схемы переплава электродов в вакууме дугой постоянного тока.

Один из наиболее существенных недостатков использования постоянного тока при ВДП - взаимодействие электромагнитного поля дуги постоянного тока с полями токов, индуцируемых в массах металла, расположенных вблизи плавильной зоны. Достаточно отметить два негативных последствия этого явления: привязка дуги к стенке кристаллизатора, следовательно, прожог последнего и создание аварийной ситуации, а также интенсивное перемешивание жидкого металла в ванне, которое приводит к образованию макросегрегации в слитке. На раннем этапе развития ВДП к существенным недостаткам использования постоянного тока причисляли также сложность, ненадежность и высокую стоимость источников питания.

Перечисленные особенности обусловили проведение исследований в части переплава электродов в вакууме дугой переменного тока. Основную трудность при этом вызывает неустойчивость дугового разряда. Переплав вольфрама и молибдена дугой переменного тока не создает особых затруднений, связанных с её неустойчивым горением, так как термоэлектронная эмиссия обеспечивает легкость повторного поджига дуги в каждый полупериод. Попытка осуществить ВДП титана, стали, сплавов на основе железа и никеля с помощью переменного тока предпринимались давно, но только в 1965 г. появились сообщения о работе вакуумной дуговой трехфазной печи для переплава стальных электродов. Для устойчивого горения дуги в металлургическую ванну добавляли легкоионизируемые соли: хлористый калий и хлористый натрий.

Использование трехфазной схемы при ВДП имеет определенные и весьма существенные достоинства. Подключение к источнику питания трех электродов исключает из электрической цепи кристаллизатор и, следовательно, предупреждает его прожог. В зоне плавления отсутствуют несбалансированные магнитные поля, значит, нет и интенсивного перемешивания жидкого металла. Равномерное распределение теплоты по поверхности ванны делает ее мельче, меньше по объёму и с плоским дном, что создает возможность выплавки не только цилиндрических, но и плоских слитков (слябов). Производительность переплава примерно в три раза выше. Нет необходимости в выпрямительных устройствах.

Однако американские исследователи отмечают, что переплав в цилиндрическом кристаллизаторе сразу трех электродов создает значительные трудности. Применение цилиндрических электродов уменьшает коэффициент заполнения кристаллизатора, и для получения полновесного слитка их длина должна быть в 3-4 раза больше, чем при переплаве одного электрода. Даже при использовании трех секторных (в поперечном сечении) электродов длина каждого из них в 1,5-2,5 раза превышает необходимую длину одного электрода.

Кроме увеличения затрат на производство и подготовку секторных электродов к плавке, трехфазная схема ВДП требует раздельного, а значит, и более сложного привода подачи электродов, увеличения габаритов печи. Невозможность сбалансировать фазные токи в электродах приводит к разной скорости их плавления. Это означает либо невозможность выплавки полновесного слитка, либо необходимость еще более увеличить длину электродов. Но в обоих случаях после переплава будут оставаться большие неиспользованные части (огарки) одного или двух электродов. Следует отметить также, что несмотря на перечисленные преимущества, в слитках, полученных путем ВДП по трехфазной схеме, не ликвидируется пятнистая сегрегация.

В лабораторных опытах, проведенных отечественными исследователями, доказана возможность поддержания устойчивого горения дуги переменного тока в вакууме при переплаве одного электрода из титана или стали без применения стабилизаторов дуги (осцилляторов и легкоионизируемых солей). Положительные результаты получены за счет использования управляемых параметрических источников питания. Установлено, что при плавке титана дуга возбуждается в оба полупериода, а при переплаве стального электрода имеет место однополупериодное выпрямление переменного тока промышленной частоты. Для повторного возбуждения разряда напряжение холостого хода источника питания должно в 2-7 раз превышать величину падения напряжения на дуге. Количество теплоты, выделяемой при таком характере разряда, недостаточно для осуществления переплава. Дуговой разряд удаётся поддерживать, но электрод не плавится.

Другим серьезным недостатком канонической схемы ВДП является интенсивное испарение элементов с высокой упругостью пара. Наряду с требующейся дисталляцией расплава от вредных примесей оно приводит к уменьшению содержания легирующих элементов. При переплаве сталей это в основном касается трудно контролируемых потерь марганца, испарение которого чревато и другими существенными недостатками: ухудшением поверхности слитка и повышенной трудоёмкостью его обдирки.

Избежать указанных неблагоприятных последствий можно повышением давления в печи либо при переплаве, либо только при длительном выведении усадочной раковины. Основные затруднения реализации дугового переплава при повышенном давлении — изменение характера дугового разряда и ухудшение его устойчивости. Переход разряда из диффузного в вакууме в отшнурованный при повышении давления сопровождается разбрызгиванием металла и падением образовавшегося на стенке кристаллизатора слоя конденсата и брызг («короны») в металлическую ванну. Повысить устойчивость дуги удалось лишь в проточной атмосфере аргона при давлении 6-12 кПа (50-100 мм рт.ст.). Слиток, полученный в таких условиях, характеризуется меньшими потерями марганца и лучшим качеством поверхности. Однако следует отметить, что ухудшение вакуума при ВДП противоречит требованию рафинирования металла от вредных примесей. Металл, переплавленный в атмосфере аргона, более загрязнен азотом и НВ, чем в случае ВДП.

Дуговой переплав электродов в вакууме обычно осуществляют в цилиндрическом кристаллизаторе. Этого требуют особенности получения электродов и подготовки их к переплаву, условия безопасности ВДП и ряд других причин. Дальнейший передел цилиндрических слитков прокаткой на лист или сорт, особенно в случае крупных слитков, имеет ряд недостатков: круглые слитки прокатываются с нарушением технических требований к эксплуатации оборудования, уменьшается производительность и увеличивается брак при прокатке. Понятно, что получение прямоугольного слитка при ВДП целесообразно с технической и экономической точки зрения. Основное затруднение при этом вызывает ухудшение качества поверхности слитка в углах прямоугольного кристаллизатора.

Исследования показали, что получение прямоугольного слитка ВДП с качественной микроструктурой и хорошей поверхностью возможно лишь при определенных условиях. Кристаллизатор должен иметь достаточно большой радиус закругления углов (10-30 % длины стороны кристаллизатора). Лучшие результаты получаются при использовании электродов, поперечное сечение которых соответствует конфигурации кристаллизатора. Повышенное внимание следует уделять центровке электродов. Масштабы промышленного применения такой схемы ВДП ограничены сложностью производства прямоугольных расходуемых электродов, а также большей трудоемкостью подготовки их к переплаву. Кроме того, после оснащения печи ВДП прямоугольным кристаллизатором на ней нельзя получить полновесный слиток, поскольку коэффициент заполнения такого кристаллизатора меньше, чем цилиндрического.

Иногда, например, при производстве труднодеформируемых жаропрочных сплавов на никелевой основе, весьма склонных к ликвидации, ВДП необходимо осуществлять при минимальной глубине металлической ванны. По ряду причин выполнить это требование при традиционной схеме переплава не удается. Детали из таких сплавов изготовляют методом горячего изостатического прессования предварительно полученного металлического порошка.

Потенциальный альтернативой порошковой металлургии назвали процесс VADER (Vacuum Arc Double Electrode Remelting) (рис.2.12). Он отличается от обычного способа ВДП тем, что дуга постоянного тока горит между двумя расходуемыми электродами, расположенными горизонтально. Капли металла падают в кристаллизатор (тигель), который не подключен к электрической цепи. При этом поверхность металлической ванны не обогревается, почти вся теплота расходуется на плавление электродов, капли металла за время падения значительно охлаждаются.

В таких условиях скорость плавления электродов примерно в три раза выше, а расход энергии на 40 % меньше, чем при обычном ВДП. Металл в каплях не имеет перегрева над температурой ликвидуса и в кристаллизаторе быстро затвердевает. Поэтому слиток имеет мелкозернистую структуру. Меньше образуется конденсата на стенках кристаллизатора.

Рис. 2.12. Схема двойного вакуумного переплава:

1 – расходуемые электроды,

2 – кристаллизатор,

3 – слиток

Обладая определенными преимуществами, VADER, вероятно, найдет применение для формирования слитков специальных сплавов. Но он вряд ли составит конкуренцию каноническому ВДП. Поскольку низкая температура капель и отсутствие металлической ванны исключает рафинирование при переплаве, для реализации процесса VADER требуется особо чистый электродный металл. Формирование качественной поверхности слитка при этом проблематично. Зона плавления в плане представляет собой узкий зазор, и равномерное распределение капель по периферии кристаллизатора возможно только при его вращении. Кроме того, способом дугового переплава горизонтально расположенных электродов, находящихся за верхним срезом кристаллизатора, можно получать сравнительно короткие слитки. С увеличением глубины кристаллизатора возрастает опасность значительного охлаждения и несплавления капель. Это ограничение исчезает, если формируемый слиток вытягивать из кристаллизатора по аналогии с непрерывной разливкой стали. Этот технологический прием, применяющийся при ВДП тугоплавких металлов, опробовался и при переплаве сталей.

Как известно, ВДП в глуходонный кристаллизатор имеет ряд недостатков: неравномерный вакуум по высоте кристаллизатора, невозможность увеличения коэффициента заполнения до единицы, высокая стоимость и низкая стойкость медных глуходонных кристаллизаторов, трудность визуального контроля зоны плавления. Наличие узкой кольцевой щели значительной высоты (более 4 м в крупных печах), заполненной газами и парами примесей, существенно ухудшает условия рафинирования металла, увеличивает опасность возникновения боковой дуги, способствует образованию короны.

Вытягивание слитка из короткого кристаллизатора, разумеется, устраняет эти недостатки. Однако применение такой схемы ВДП сдерживается неудовлетворительным качеством поверхности слитков. Прочное сцепление короны со стенкой кристаллизатора, а затем жидкого металла с короной создает значительное сопротивление вытягиванию слитка. На его поверхности возникают глубокие трещины, возможен и полный разрыв тела слитка. Поскольку возвратно-поступательное перемещение слитка при ВДП требует усложнения системы контроля и регулирования длины дуги, используют колебания кристаллизатора. Благодаря этому усилия сопротивления вытягивания слитка уменьшаются в несколько раз, что позволяет получить слитки некоторых сталей и сплавов с качественной поверхностью. Однако в каждом конкретном случае необходим подбор оптимальной амплитуды и частоты колебаний, что усложняет промышленное применение такой схемы ВДП.

Желание избавиться от неблагоприятных факторов, присущих канонической схеме ВДП, или приспособить его к особенностям производства, явилось причиной апробации этого способа и с другими изменениями технологии. В специальной литературе опубликованы результаты исследований переплава сталей в атмосфере азота, при об­ратной полярности дуги, с форсированным режимом наплавления слитка, с управлением интенсивностью затвердевания металла путем подачи гелия в зазор между слитком и стенкой кристаллизатора.

Однако перечисленные модификации ВДП, как и некоторые другие, либо нашли ограниченное промышленное применение, либо не вышли за рамки лабораторного или опытно-промышленного опробования. Традиционная схема ВДП, усовершенствование которой шло преимущественно по пути улучшения контроля и автоматизации процесса, занимает и в настоящее время главные позиции при получении слитков сталей и сплавов на основе железа, никеля, титана.