Вакуумный дуговой переплав

Сущность процесса ВДП состоит в переплаве металла в вакуумной дуговой печи в результате его нагрева и плавления электрической дугой большой мощности, капельном переносе электродного металла и последовательном затвердевании металла в водоохлаждаемом кристаллизаторе.

Принципы получения отливок электродуговой плавкой металлургических электродов сформулированы изобретателем дуговой сварки Н.Г. Славяновым в 1892 г. В 1903 г. В. Болтон применил процесс ВДП в Германии. На его печи, усовершенствованной О.А. Симпсоном, в 1904 г. получена первая тонна литого тантала. В 1909 г. Вайс и Штиммельмайер переплавляли вольфрам в атмосфере водорода, азота, а также в вакууме.

Первые результаты промышленного использования ВДП в СССР получены к 1960 г., а еще через четыре года начал действовать первый специализированный цех вакуумных дуговых печей для выплавки сталей и сплавов.

Интенсивное развитие и промышленное применение ВДП вызвано бурным развитием атомной энергетики, авиации и стало возможным с появлением достаточно производительного вакуумного оборудования.

При ВДП качество металла повышается в результате действия следующих основных факторов:

1) направленной снизу вверх кристаллизации слитка;

2) обработки металла вакуумом на трех стадиях его существования в жидком виде (на торце оплавляемого электрода в виде тонкой пленки, в процессе формирования капли и протекания ее с торца электрода в ванну кристаллизатора, в ванне кристаллизатора);

3) достаточно высокой температуры металла и значительного развития поверхности реагирования, что способствует протеканию физико-химических процессов.

Качество металла, переплавленного в вакуумной дуговой печи, значительно выше качества металла, выплавленного традиционными методами (в дуговой печи, конверторе, мартеновской печи) и отлитого в чугунные изложницы:

1) слиток ВДП более плотен и однороден, в нем значительно меньше развиты дефекты кристаллизационного и ликвационного происхождения;

2) содержание газов и неметаллических включений при переплаве значительно снижается, неметаллические включения и избыточные фазы (карбидные, боридные и т.д.) диспергированы и распределены более равномерно;

3) меньше содержание вредных примесей цветных металлов (свинца, сурьмы, цинка, висмута, олова, меди и т.д.);

4) выше пластические характеристики металла (относительное удлинение, относительное сжатие, ударная вязкость) в поперечном направлении при комнатной и рабочих температурах, что повышает изотропность металла;

5) выше технологическая пластичность металла при температурах деформации;

6) лучше обрабатываемость изделий и их эксплуатационные свойства (полируемость, ресурс работы изделий, склонность к образованию трещин, усталостные характеристики и т.п.).

Анализ технико-экономических показателей ВДП и качества вакуумного дугового металла показывает, что метод ВДП имеет ряд серьезных недостатков:

1) сравнительно сложное и дорогостоящее оборудование (высоковакуумные насосы большой производительности, уникальные источники постоянного тока);

2) проведение плавки только на постоянном токе снижает электротехнические возможности ВДП. Трехфазные печи переменного тока, созданные фирмами «Лектромелт» и «Титанизм Метлз» в 1965 г., не получили распространения вследствие серьезных недостатков;

3) наличие жесткой связи источника нагрева и переплавляемой заготовки при малых диапазонах варьирования параметров плавки затрудняет в ряде случаев получение слитков без дефектов. Указанное обстоятельство является принципиальным препятствием при получении слитка большого диаметра (больше 1,5 м);

4) методом ВДП нельзя улучшать качество сталей, легированных марганцем и азотом вследствие удаления последних при переплаве;

5)  низкое качество поверхности слитка ухудшает экономическую эффективность ВДП;

6) сложность производства слитков квадратного или прямоугольного сечения. Круглые слитки ВДП перед прокаткой необходимо перековывать на квадратную или прямоугольную заготовку, что усложняет схему передела и повышает себестоимость металла.

Отсутствие крупных печей, работающих по принципу переплава двух и более электродов, не позволяет исключить при производстве крупных слитков методом ВДП дефект типа зональной ликвации, который органически присущ переплавляемому электроду.