Вакуумная металлургия

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПЕЧИ МАЛОЙ ЕМКОСТИ

На фиг. 4 показана печь диаметром 525 мм с автотиглем, предназна­ ченная для получения точного литья, а на фиг. 5 эта же печь показана в положении для разливки металла. Печь имеет три нерасходуемых электрода, перемещаемых с помощью пневматического устройства. Элек­ троды состоят из массивных медных поковок, в нижней части которых укреплены вольфрамовые наконечники. Пневматическое устройство по­ зволяет быстоо поднимать электоолы после образования металлической

Фиг . 5. Печь, показанная на фиг. 4, в положении разлив ки.

ванны требуемой емкости. Корпус автотигля изготовлен из нержавею­ щей стали с покрытием из окиси циркония; при необходимости исполь­ зуются тигли с графитовой футеровкой или без нее. Печь может рабо­ тать с одним расходуемым вместо трех нерасходуемых электродов или с одновременным использованием всех электродов.

Конструкция печи дает возможность извлекать мелкие отливки без нарушения вакуума. С каждой стороны печи имеются большие отвер­ стия (в виде выступающих фланцев), предназначенные для литья в формы, передвигающиеся одна за другой с помощью движущейся цепи, или входящие и выходящие в вакуумные шлюзы, смонтированные у этих отверстий.

При такой эксплуатации печи необходимо иметь загрузочное устрой­ ство, конструкция которого позволяла бы периодически загружать сырые добавочные материалы без открывания печи. Эта печь требует до 2000 а на каждый нерасходуемый электрод. Было изготовлено две такие печи, но ни одна из них не развивала достаточной мощности, чтобы обеспечить оптимальные условия эксплуатации. Вначале эта печь имела

три небольших электрода, которые охлаждались водой при помощи гибких резиновых шлангов. В интересах безопасности от такой конструк­ ции отказались

Несмотря на то, что в описываемой печи тигель вставлялся с задней стороны, ее ручное управление осуществлялось со стороны передней стенки, что для печи с водоохлаждаемым автотиглем не рекомендуется, за исключением печей с дистанционным управлением. Охлаждалась печь

5 — головка расходуемого электрода; 6 — стопорное пневматическое устройство^конвейера.

при помощи водяной рубашки, смонтированной по периметру печи, но затем охлаждение пришлось изменить, расположив его ниже уровня жидкого титана. Внутренняя поверхность печи, непосредственно под вы­ пускным отверстием, футерована огнеупором для предохранения кожуха

и камера для заливки формы. Показано также устройство для регулиро­ вания перемещения расходуемого электрода. Электрод уравновешивается противовесом, трос от которого переброшен через два блока и подведен к наматывающей (или разматывающей) катушке, связанной с электродвига­ телем. Под действием противовеса по окончаний процесса плавки электрод возвращается в исходное положение. Для производства титановых отли­ вок пользуются расходуемым (или нерасходуемым) электродами, причем расходуемый электрод должен быть предварительно переплавлен

в другой печи. В процессе переплава в вакууме удаляется хлорид магния, так как его присутствие затрудняет или делает совершенно невозможным получение здоровых отливок.

Хотя плавка в вакуумной печи этого типа уменьшает содержание водорода в титане до очень низких значений, все жеулучшения качества отливок не наблюдается. Поскольку водород можно удалить из титана последующей термообработкой, плавка в вакууме не имеет особых пре­ имуществ. Однако этот вывод является спорным, и дальнейшие исследо­ вания покажут, насколько он соответствует действительности.

При использовании нерасходуемых электродов рекомендуется прово­ дить плавку в атмосфере аргона при давлении выше 250 мм рт. ст. Однако переплав в вакууме с расходуемым электродом проще, чем переплав в атмосфере аргона. Кроме того, при вакуумном переплаве возможно дистанционное управление.

С точки зрения улучшения качества металла использование расхо­ дуемого электрода большого диаметра в вакууме и в медном водоохлаж­ даемом тигле, по-видимому, является наиболее целесообразным. Такой метод применяется в Горном бюро США для получения отливок из титана. Электрод с большим диаметром лучше сохраняет тепло, в связи с чем отпадает необходимость в каких-либо покрытиях или экранах.

ПЕЧИ БОЛЬШОЙ ЕМКОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ

На фиг. 7 показана схема печи большой емкости с автотиглем, даю­ щей возможность получать однородные по составу слитки с низким содержанием водорода, а также точное литье даже при использовании большой доли скрапа в шихте. Печь может работать как с расходуемым, так и с нерасходуемым электродами. Технология плавки в ней анало­ гична плавке в дуговых сталеплавильных печах. Назначение и устройство основных деталей и узлов печи легко можно уяснить из схемы без какихлибо пояснений.

Такая печь может иметь либо водоохлаждаемый медный автотигель, либо тигель из нержавеющей стали, охлаждаемый за счет излучения и футерованный тонким слоем огнеупорной изоляции. Небольшой выступ на дне тигля не покрывается огнеупором для создания надежного электри­ ческого контакта. Описываемая печь работает с четырьмя (или более) нерасходуемыми электродами. Последние представляют собой массивные медные цилиндры с вольфрамовыми наконечниками. Перемещение элек­ тродов в вертикальном направлении не вызывает никаких затруднений при наклоне печи для разливки металла. Расходуемый электрод, пока­ занный в центре схемы, выполнен из губчатых брикетов, которые соеди­ няются между собой сваркой. В этой печи можно для нее же изготовить электроды. Такая операция есть не что иное, как повторное исполь­ зование в процессе некоторой доли продукции, но поскольку количество

также малы. Кроме того, исключаются прессование и сварка брикетов губки, что снижает стоимость плавки.

Расходуемый электрод укрепляется над печью в специальной шахте, в которой установлен и механизм для его перемещения. Изложницы для отливки слитков по своим геометрическим размерам не отличаются от применяемых обычно в сталеплавильной практике. Однако при плавке титана графитовые изложницы, укрепленные на массивной литой медной подставке, предпочтительнее чугунных. Описываемая конструкция печи

позволяет экономить время при черновой прокатке, поскольку обычное оборудование приспособлено скорее к прокатке квадратных сечений, нежели круглых.

Представляется возможным также изготовление точного литья. Расходуемый электрод изготовляется из чистой губки прессованием в брикеты либо отливкой. Так как в данном случае нет необходимости добавлять в электрод легирующие элементы и скрап, эта операция явля­ ется относительно простой и не требует специального оборудования.

Окружающий электроды кожух смонтирован в виде колонки и при загрузке печи снимается; по окончании загрузки он укрепляется в верхней части кожуха печи.

Та часть шихты, которая не была спрессована, а также все легирую­ щие элементы загружаются непосредственно в печь или в бункер загру­ зочного устройства. Затем печь откачивается и заполняется инертным газом. Материал, загружаемый непосредственно в тигель, расплавляется

спомощью нерасходуемых электродов, после чего электроды поднимаются

ипечь снова откачивается. Переплав расходуемого электрода осу­ ществляется только в вакууме. В течение этой операции происходит удаление водорода. Затем печь снова наполняется инертным газом и шихта поддерживается в жидком состоянии с помощью нерасходуемых электродов. Из жидкой ванны отбираются пробы для анализа, по окон­ чании которого вводятся корректирующие добавки, затем электроды поднимаются и металл выливается. В процессе первой плавки (из серии плавок), когда печь еще холодная, все операции — загрузка, установка электродного кожуха и формы — производятся на воздухе. В даль­ нейшем все эти операции выполняются без открывания печи, что исклю­ чает длительные периоды охлаждения печи, которые были бы неизбежны при осуществлении их на воздухе.

На первый взгляд кажетск, что эта печь представляет собой ради­ кально новую конструкцию, однако в действительности здесь использо­ ваны без изменения некоторые узлы и детали, которые в течение многих лет применяются в вакуумных индукционных печах: например, шлюзы загрузки шихты и подачи форм, а также приспособление для отбора проб. Возможно, печь будет оборудована вспомогательным электродом для дугового обогрева прибыльной части слитка. Такое устройство является обычным в вакуумных индукционных печах. Пробы титана можно отбирать с помощью графитовой ложки, так как в данном случае требуется определить лишь необходимость корректирующей добавки легирующих элементов, поэтому содержание углерода в об­ разце не имеет существенного значения.

КОНСТРУКЦИЯ АВТОТИГЛЯ

На фиг. 8—11 показаны различные конструкции автотиглей. На фиг. 8 представлен автотигель с радиационным охлаждением, применяемый в печи, показанной на фиг. 4 и 5. Массивная чаша из нержавеющей стали соединяется болтами с литым медным блоком и встроенной в него пробкой, изготовленной из металла, подлежащего плавке. Пробка соединяется с металлической ванной и обеспечивает непосредственный электрический контакт с дном тигля. Наличие пробки не мешает удалению корки застыв­ шего металла из тигля, когда в этом возникает необходимость при пере­ ходе выплавки одной марки сплава к другой. Кроме того, пробка пред­ охраняет от чрезмерного выделения тепла на поверхности раздела между коркой застывшего металла и тиглем. Более того, в этом случае упро­ щается регулирование дуги вследствие симметричности прохождения

тока. Хотя охлаждение тигля осуществляется главным образом за счет радиации, литой медный блок, укрепленный на дне тигля, играет роль аккумулятора тепла, который можно охлаждать водой в промежутках между плавками. Такой тип тигля используется преимущественно в печах, управляемых вручную. Печи, которые имеют дистанционное управление, оборудуются обычно водоохлаждаемыми медными автотиглями.

На фиг. 9 показан тяжелый медный автотигель, к внешней поверх­ ности которого припаян змеевик для водяного охлаждения. И в этой

7

Фиг . 8. Автотигель с радиационным охлаж­ дением (футеровка графитовая, огнеупорная или смесь графита и огнеупора).

1 — литой медный блок; 2 — пробка из Ti.

конструкции на дне тигля укрепляется тяжелый медный блок, в который завинчивается пробка из металла, предназначенного для плавки. Кроме того, второй литой медный блок монтируется с разливочной стороны тигля для аккумуляции тепла с целью поддержания титановой корки в твердом состоянии у этой части тигля в процессе разливки.

Следует отметить, что контактная пробка отделена от автотигля узким кольцевым пространством, заполненным окисью циркония, что исключает возможность приваривания пробки или корочки к тиглю в этом месте.

На фиг. 10 показан литой медный тигель более совершенной конструк­ ции. Прежде всего защитные приспособления дна и разливочный носок

На фиг. И показан автотигель с водяной рубашкой. Такой тип тигля применяется в Горном бюро (шт. Орегон). При соответствующем регу­ лировании потока воды эта конструкция тигля оказывается очень надеж­ ной для плавки с расходуемым электродом, даже при очень большой

подводимой мощности. Однако такой тип тигля не рекомендуется для печей большой емкости, если они не ограждены защитным барьером и не имеют дистанционного управления.

На фиг. 12 представлен способ монтажа вольфрамового электрода. Торированный вольфрамовый электрод диаметром 12,7 мм можно исполь­ зовать только в том случае, если ток не пре-

и при наклоне печи в процессе разливки не попадают в слиток.

При плавке в автотиглях поверхность раздела между твердой н жидкой фазой перемещается вниз, в то время как при плавке в дуговой печи с водоохлаждаемсй изложницей эта поверхность раздела переме­ щается вверх. Такой характер движения границы раздела фаз в печах с ав­ тотиглем способствует улавливанию тех включений, которые опустились на дно тигля, тогда как движение зоны плавления в противоположном направлении, т. е. снизу вверх, способствует растворению включений.

Эрозия вольфрама в процессе обычной плавки в атмосфере аргона возникает почти исключительно вследствие разбрызгивания металла. Если в металле хлорид отсутствует и ванна спокойна, эрозия вольфрама малозаметна. Добавка тория к вольфраму не имеет существенного значе­ ния и не уменьшает падения напряжения на поверхности катода, как этого следовало бы ожидать. Однако насыщение поверхности торированного вольфрама углеродом играет важную роль, особенно в процессе вакуумной плавки.

Насыщение поверхности электрода углеродом может быть достигнуто путем науглероживания его аналогично тому, как это делается при цемен­ тации стали, либо путем создания в печи атмосферы ацетилена при низком его давлении. Атмосфера ацетилена создается во время проведения пер­ вых плавок и периодически при последующих операциях. Науглерожи­ вание торированного вольфрама широко используется в электровакуум­ ной промышленности, однако, насколько известно автору данной работы, в металлургии она не применяется. Согласно теории, науглероживание приводит к образованию мономолекулярного слоя тория на поверхности вольфрама, что сопровождается уменьшением величины работы выхода электронов и уменьшением запаса энергии на поверхности. Без наугле­ роживания торированных вольфрамовых электродов в процессе вакуум­ ной плавки нельзя обеспечить надежную работу электрода. Возникает неустойчивая дуга; кроме того, науглероживание торированного вольфра­ мового электрода способствует уменьшению эрозии и исключает возмож­ ность дугового разряда, особенно при очень малых токах или при высоком давлении в печи.