Плавление тугоплавких металлов в электронных печах » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Плавление тугоплавких металлов в электронных печах

24.06.2021

Электронная плавильная установка (ЭПУ) во многом похожа на ВДП. Плавление металла осуществляется в автотигле, который формируется в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе; кроме кристаллизатора охлаждают корпус печи, механизм загрузки шихты, шток поддона кристаллизатора и ряд других деталей, находящихся вблизи горячей зоны печи. ЭПУ оборудованы высоковакуумной системой, механизмами подачи шихты и вытягивания слитка.

Наиболее существенное различие между ВДП и ЭПУ заключается в системе электропитания, электрооборудования (для ЭПУ требуется постоянный ток высокого напряжения) и в системе безопасности (в ЭПУ необходима дополнительная защита обслуживающего персонала от поражения высоковольтным током и облучения рентгеновским излучением).

Несомненные достоинства ЭПУ с электронными пушками, о чем было сказано выше, привели к преимущественному распространению в промышленности именно этой группы электронных печей. Характерными для настоящего момента являются ЭПУ с 1—4 электронными аксиальными пушками с промежуточной откачкой.

Схема электронной пушки такого типа показана на рис. 5.3.

Эмиттером электронов служит массивный вольфрамовый диск 5, нагрев которого осуществляется электронной бомбардировкой с вспомогательного катода 4. Электроны разгоняются в высоковольтном электростатическом поле, возникающем в пространстве между катодом 5 и анодом 6. Электронный луч проходит через полый анод, фокусирующую магнитную линзу 7 и первую группу диафрагм 8. Диафрагмы увеличивают сопротивление канала электронной пушки движению через него газов из рабочей камеры печи в катодную камеру пушки. Через патрубки 3 осуществляется откачка газов из катодной камеры и из промежуточной камеры пушки, где установлен вакуумный затвор 9. Наличие вакуумного затвора позволяет вскрывать пушку, не нарушая вакуум в печи. Вторая группа диафрагм, расположенная ниже промежуточной камеры, окружена электромагнитными катушками 10 для фокусировки электронного луча и управления им. Через вакуумные уплотнения 17 электронная пушка соединяется с корпусом ЭПУ. Te детали пушки, которые могут нагреваться во время ее работы блуждающими или вторичными электронами, например диафрагмы и корпус пушки, или за счет излучения основного и вспомогательного катодов, например корпус камеры катода, имеют водяное охлаждение 15. Высокое напряжение к катоду подводится через токоввод 14; анод пушки обычно заземляется. Для нагрева вспомогательного катода ток подводится через токовводы 13.

Подачу шихты в ЭПУ можно производить различными способами. По аналогии с ВДП шихта в виде спрессованного из порошка или губки стержня или в виде прутка компактного металла может вводиться в зону действия электронного луча сверху или сбоку. Капли жидкого металла, образующиеся на конце стержня или прутка в результате его плавления, падают вниз, в ванну. Для равномерного оплавления стержня предусматривается механизм, который наряду с подачей стержня в зону действия электронного луча обеспечивает его вращение. Кроме этого, ЭПУ с такой системой подачи шихты часто оборудуются несколькими электронными пушками, разогревающими стержень с разных сторон. Этот способ загрузки обеспечивает хорошее проплавление металла в слитке, но требует дополнительных затрат труда и энергии на прессование шихты. Ho, с другой стороны, его можно рассматривать как вполне удовлетворительный при переплавке слитков, полученных ранее.

Иногда кусковая шихта подается из бункера через ряд питателей непосредственно в ванну жидкого металла. При таком способе загрузки шихты трудно получить слиток с хорошей, равномерно проплавленной структурой, так как твердая шихта быстро тонет в жидком металле и может остаться нерасплавленной. Этот способ подачи материала применяется иногда для введения в металл легирующих элементов, когда основная шихта подается в виде стержня или прутка. Хорошие результаты при этом получаются, если плотность лигатуры меньше плотности жидкого металла и лигатура плавает на поверхности ванны до полного растворения.

ЭПУ более универсальное плавильное устройство, чем ВДП. Используя соответствующий способ загрузки шихты в ЭПУ, легко переплавлять слитки, губку, порошок, скрап и т.п. Так как электронный источник тепла работает независимо от системы подачи шихты, в ЭПУ легко изменять скорость плавки от нулевой до максимальной, которая определяется мощностью печи. ЭПУ поэтому можно использовать как для переплавки металла с высокой скоростью, так и для рафинировки металлов, когда скорость плавки небольшая и металл выдерживается в жидком состоянии необходимое время. Следует отметить, что вопрос о том, какой способ выплавки слитков тугоплавких металлов в ЭПУ лучше: однократный переплав металла с небольшой скоростью или многократный переплав со средней или даже высокой скоростью плавки — еще окончательно не решен. Если первый способ проще и дешевле и обеспечивает определенную степень рафинировки металла, то второй позволяет добиться более глубокой очистки металлов и получать слитки с поверхностью и структурой более высокого качества.

Таким образом, в распоряжении технолога, работающего на ЭПУ, оказываются следующие факторы воздействия на процесс плавки: 1) мощность электронного луча (определяет размеры ванны жидкого металла и температуру ее поверхности); 2) скорость подачи шихтовых и легирующих материалов (определяет скорость плавки и продолжительность пребывания металла в расплавленном состоянии); 3) интенсивность электромагнитного перемешивания жидкого металла (воздействует на размеры ванны, распределение температуры по ее объему и полноту растворения легирующих добавок).

Характер протекания физико-химических процессов в дуговых и электронных печах аналогичен. Это в полное мере относится к таким процессам, как плавление шихты, ее дегазация, растворение легирующих элементов и т.п. Однако можно считать, что особенность электронной плавки — это плавление металлов в вакууме, во многих случаях даже в высоком вакууме. Такие условия плавки вызывают интенсивное испарение металлов обычно по режиму, близкому к молекулярному, т. е. с максимальной скоростью, зависящей только от природы металла и температуры.

Испарение металла в электронной печи исключительно поверхностный процесс из-за, во-первых, поверхностного нагрева металла и, во-вторых, резкого уменьшения температуры в направлении от поверхности ванны жидкою металла в ее глубину.

С испарением связаны потери металла во время электронной плавки; но, с другой стороны, испарение — процесс, в результате которого осуществляется весьма глубокая очистка тугоплавких металлов от примесей.

Согласно первому закону Коновалова, паровая фаза над жидким сплавом должна обогащаться тем компонентом, увеличение концентрации которого в жидкой фазе приводит к повышению общего давления пара. Для двухкомпонентной системы A-B это можно записать так:

где xпар и хж — молярная доля более летучего компонента соответственно в паровой и жидкой фазах; pА0, рВ0 — упругости пара чистых компонентов.

Если отношение упругостей пара компонентов обозначить через a = pB0/pA0, то

Упругость паров металлических примесей при температуре плавления тугоплавких металлов оказывается на 3—8 порядков выше, чем упругость пара основного металла. Следовательно, коэффициент а на столько же порядков будет больше единицы, что обеспечивает исключительно эффективное удаление примесей.

За счет испарения из жидких тугоплавких металлов может удаляться кислород в виде оксидов в том случае, когда упругость пара низшего оксида основного металла превышает его собственную упругость пара или когда один из компонентов сплава тугоплавких металлов образует с кислородом легколетучий оксид. По такому механизму удаляется кислород из молибдена, вольфрама, ниобия, тантала, тория, но не из хрома, титана, ванадия. Если отношение давления пара оксида к давлению пара основного металла pMeO0/pMe0 больше единицы, то удаление кислорода по этому механизму возможно, однако для обеспечения достаточно высокой скорости этого процесса необходимо, чтобы давление пара оксида превышало упругость пара основного металла, по крайней мере, в 10 раз.

Из некоторых тугоплавких металлов, например из молибдена или тантала, по такому же механизму может удаляться азот.

Удаление кислорода возможно также в результате его взаимодействия с углеродом и образования газообразного диоксида углерода, легко покидающего ванну жидкого металла. Скорость этого процесса контролируется, очевидно, диффузией атомов кислорода и углерода в жидком металле. Надо отметить, что углерод взаимодействует с кислородом только в тех металлах, сродство которых к этим элементам сравнительно низкое. К числу таких металлов относятся вольфрам, молибден, тантал, для которых равновесное содержание кислорода и углерода при температуре плавки в электронных печах составляет менее 0,0001 %. Снизить содержание кислорода до величин менее 10 % с помощью углерода в титане, цирконии, гафнии невозможно, а из ванадия кислород удаляется до содержания 0,03 % (теоретическая оценка).

При использовании этого способа уменьшения концентрации кислорода в тугоплавких металлах величина добавки углерода должна строго соответствовать количеству кислорода, так как избыток углерода, сохраняющийся в твердом растворе, ухудшает свойства тугоплавких металлов.

Используется раскисление тугоплавких металлов титаном, цирконием, церием, лантаном, т. е. металлами, которые более активны по отношению к кислороду и образуют прочные оксиды, удаляющиеся из металла в шлак или же остающиеся в металле в виде неметаллических включений, менее вредных, чем кислород в твердом растворе внедрения. Многие из перечисленных металлов-восстановителей являются также легирующими элементами, что позволяет проводить процесс раскисления при избытке металла-восстановителя.

Очистка тугоплавких металлов от водорода происходит как в результате уменьшения его растворимости вследствие повышения температуры металла, так и в результате снижения парциального давления газа над поверхностью металла.

Растворимость водорода в тугоплавких металлах резко уменьшается с повышением температуры. Уже при нагреве до 1000—1200 °С растворимость водорода в ванадии и ниобии снижается в 100; в титане, цирконии, тории — в 10; в вольфраме и молибдене — в несколько раз. Можно предположить уменьшение растворимости водорода и во время дальнейшего нагрева и особенно при плавлении металлов.

В условиях электронной плавки большое значение приобретает и второй фактор, вызывающий снижение содержания водорода в металле, так как парциальное давление водорода в рабочей камере печи составляет исчезающе малую величину. Содержание же водорода (сH2) в металле должно быть в равновесных условиях еще меньше, так как оно определяется законом Сивертса, если раствор водорода в металле можно рассматривать как разбавленный:

где rH2 — постоянная Генри, численно равная растворимости водорода под давлением 101 кПа; рH2 — парциальное давление водорода.

Таким образом, при плавке в электронных печах достигается глубокая рафинировка тугоплавких металлов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: