Вакуумно-дуговой переплав, особенности технологического процесса, перспективы развития

Введение

Новым способом получения высококачественной стали служит вакуумно-дуговой переплав (ВДП). Отличительной чертой печей ВДП является отсутствие источников загрязнения металла, к которым относят шлак, футеровки и др. Направленная кристаллизация ВДП обеспечивает получение плотных слитков.
Принцип действия данных печей основан на использовании тепловой энергии. Эта энергия выделяется при горении электрической дуги между металлическим электродом и поддоном кристаллизатора в вакууме, который охлаждается водой. Наиболее широко в металлургии применяют печи ВДП с расходуемым электродом. Они работают на постоянном токе и обеспечивают стабильность горения электрической дуги. Процесс осуществляется следующим способом. В камере печи крепят расходуемый электрод и затравку, или металлическую шайбу, затем печь уплотняют и включают вакуумные насосы. Далее устанавливают необходимый вакуум от 0,13 до 1,33 Па, включают печь и опускают расходуемый электрод к затравке до зажигания дуги. Электрическая дуга, которая при этом возникает, выделяет тепло. От выделяемого тепла плавится торец расходуемого электрода и металл падает на затравку, образуя слиток. Этот слиток кристаллизуется и растет вверх, тогда как, расходуемый электрод непрерывно оплавляется. После того как процесс завершается, печь выключают и подвергают разгерметизации. После этого извлекают готовый слиток [4].
 
1. Вакуумно-дуговой переплав и его особенности
1.1. Основное оборудование и технологические схемы вакуумно-дугового переплава

Сущность процесса вакуумно-дугового переплава заключается в переплаве металла в вакуумной дуговой печи в результате его нагрева и плавления электрической дугой большой мощности. При этом происходит капельный перенос электродного металла и обеспечивается последовательное затвердевание металла в кристаллизаторе, который охлаждается водой. Получение отливок электродуговой плавкой был предложен изобретателем дуговой сварки Н.Г. Славяновым в 1892 году. В. Болтон применил процесс ВДП в 1903 году в Германии. В СССР первые результаты промышленного использования ВДП были получены в 1960 году. Промышленное и интенсивное применение ВДП было вызвано бурным развитием атомной энергетики и авиации [7].
При процессе ВДП качество металла повышается из-за действия следующих факторов:
1. Кристаллизация слитка направлена снизу вверх.
2. Обработка металла вакуумом обеспечивается на трех стадиях его существования в жидком виде.
3. Высокая температура металла.
4. Значительное развитие поверхности реагирования, что способствует активному протеканию физико-химических процессов.
Специалисты отмечают, что качество металла, переплавленного в вакуумной дуговой печи значительно выше качества металла, который выплавляется традиционными методами, в частности, в мартеновской печи, в конверторе и др. Слиток, получаемый путём ВДП более плотный и однородный. В нём меньше дефектов кристаллизационного происхождения. При таком переплаве значительно снижается содержание газов и неметаллических включений. При этом также становится гораздо меньше содержание вредных примесей цветных металлов, таких как свинца, сурьмы, цинка, висмута, олова, меди и др. Пластические характеристики металла, такие как относительное удлинение, относительное сжатие, ударная вязкость, гораздо выше. Эксплуатационные свойства изделий при этом становятся намного лучше. Лучше при этом и обрабатываемость изделий, выше ресурс работы изделий из металла и они менее склонны к образованию трещин [8].

При этом очевидно, что определённого рода недостатки тоже имеются. К таким недостаткам относят:
-необходимость в сложном и дорогостоящем оборудовании, таком как высоковакуумные насосы большой производительности и уникальные источники постоянного тока;
-возможность проведения процесса плавки только на постоянном токе;
-препятствия для получения слитков большого диаметра и др.
При данном методе нельзя улучшить качество сталей, легированных марганцем и азотом, поскольку они могут просто все удалиться. Качество поверхности слитка может быть достаточно низким, что ухудшает экономическую эффективность ВДП.
Производится данный процесс в вакуумно-дуговой печи. Они получают всё большее распространение, поскольку бурно развиваются такие отрасли как ракетостроение, атомная энергетика, авиастроение и др. Эти печи используют для плавки высококачественных и высоколегированных сталей, конструкционных и нержавеющих. Процесс вакуумно-дуговой плавки приведён на рисунке 1.