Принцип действия установок ВДП

При реализации этого метода переплава под действием высоких температур, возникающей в зоне электрической дуги, горящей между электродом и поддоном кристаллизатора в вакууме, металл расплавляется, и капли его падают в кристаллизатор. В водоохлаждаемом кристаллизаторе из капель металла формируется слиток. Электрод в этом процессе может быть расходуемым (тогда он и переплавляется) и не расходуемым (тогда переплавляются порошок или губчатый металл). До начала плавки установка вакуумируется до , далее вакуумная система работает в течение всей плавки. Таким образом, капли металла падают в жидкую лунку расплава, находящуюся поверх кристаллизуемого слитка, через разрежённое пространство. Кристаллизация расплава в водоохлаждаемом кристаллизаторе имеет выраженный направленный характер – вдоль направления теплоотвода. Схема процесса с расходуемым электродом рассмотрена на рисунке 5.2.

 

 

1 – источник питания; 2 - слиток; 3 – ванна расплава; 4 – кристаллизатор; 5 –электрод; 6 – герметизированная камера

Рисунок 5.2 - Схема вакуумного дугового переплава

 

При этом обеспечивается весьма полное очищение металла от газов, оксидных неметаллических включений и примесей некоторых цветных металлов. Слиток в этом процессе получается плотным. В результате переплава механические характеристики металла улучшаются и становятся почти изотропными.

Конструктивно-технологические особенности.

Технологическое оборудование вакуумной дуговой плавки представляет собой достаточно сложную конструкцию. Схема конструкции и электропитания печи ВДП представлена на рисунке 5.3.

 

 

1 - выключатель-предохранитель; 2 - дроссели насыщения; 3 - регулятор напряжения; 4 - трансформатор; 5 - выпрямители; б - амперметр; 7 - механизм перемещения электрода; 8 - шток; 9 - вакуумное уплотнение; 10 - вакуум-камера; 11 - электрододержатель; 12-головк электрода; 13 - расходуемый электрод; 14 -отвод воды; 15 - кристаллизатор; 16- слиток; 17 - ввод воды; 18 - вывод к вакуумным насосам

Рисунок 5.3 - 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 электродержателя 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^-2мм 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 (рисунок 5.4) и равномерного распределения тока по контакту верхнего.

 

а - с токоподводом к поддону; б - с токоподводом к камере; в - с токоподводом к штоку

Рисунок 5.4 - Схемы печей ВДП с различным токоподводом

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 (рисунок 5.5).

 

 

а - стационарная; б - съемная; в – поворотная с одноколонная верхней частью

поворотная с двухколонной верхней частью

Рисунок 5.5 – Основные виды печей ВДП

 

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 (рисунок 5.5а). 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. (рисунок 5.5в). Их портал поворачивают вручную. Более крупные печи имеют две колонны - поворотную и поддерживающую, оснащенную механизмом поворота (рисунок 5.5г). Основание поворотной колонны объединено с входным патрубком вакуумной системы. Печь автоматически присоединяется к системе, 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 специальная головка, которая либо изготовляется отдельно и приваривается в вакууме к торцу электрода, либо протачивается 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 оплавления 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.

Стоимость электродов составляет значительную долю затрат на ВДП. На раннем этапе его освоения их изготовляли только из деформированного металла. Теперь кованые или катаные электроды применяют лишь в случаях, когда переплав литого металла затруднителен. Например, при ВДП инструментальных (быстрорежущих) и подшипниковых сталей от литых электродов откалываются куски, поэтому к электродам ВДП предъявляются повышенные требования в отношении однородности химического состава по длине, отсутствия крупных экзогенных НВ, газовых пор и раковин, трещин. Поэтому подготовка электродов к ВДП предусматривает тщательную обработку их поверхности: кислотное травление, дробеструйная очистка, обдирка на абразивных и токарных станках.