Электротехнологические установки (стр. 15 из 32)

Рис. 6.12. Схема короткой сети рудно-термической печи:

1 - трансформатор; 2 - гибкие компенсаторы; 3 - пакет трубчатых шин; 4 - неподвижный башмак; 5 - гибкие ленты; в – подвижный башмак; 7 - электроды

Наиболее мощные РТП с прямоугольной ванной имеют шесть электродов, расположенных в линию, и питаются либо двумя трехфазными, либо тремя однофазными трансформаторами. В этом случае каждый трансформатор питает два соседних электрода.

Электрические характеристики РТП определяются особенностями распределения тока в рабочем пространстве печи я соответствующей этому схемой электрического питания.

ВАКУУМНЫЕ ДУГОВЫЕ ПЕЧИ 7.1. Области применения и устройство вакуумных дуговых печей

Для повышения качества металла, полученного в других установках (например, в ДСП), его переплавляют при низком давлении в вакуумных дуговых печах (ВДП), в результате чего в металле уменьшается содержание вредных примесей и растворенных газов. ВДП применяют в основном для выплавки слитков высокореакционных металлов (титана, ниобия, вольфрама, циркония, тантала, молибдена), а также для переплава специальных высококачественных сталей, в результате чего они не только очищаются, но и приобретают более плотную структуру. Рабочее давление в камере печи может составлять 1,0-0,001 Па в зависимости от требований к получаемому металлу. С помощью современных ВДП получают слитки массой от нескольких сотен килограммов до 50-60 т.

Рис. 7.1. Схема ВДП с глухим кристаллизатором (а) и с вытягиванием слитка (б):

1 - электрод: 2 - холодильник; 3 - вакуумное уплотнение штока: 4 - тянущий шток: 5 - поддон; 6 - слиток: 7 - кристаллизатор; 8 - соленоид

В качестве материалов электродов в ВДП используются различные продук-

ты металлургического передела. Так, при плавке титана круглые электроды изго- товляют прессованием титановой губки. При переплавке вольфрама, молибдена и ниобия электроды изготовляют из штабиков путем стыковой сварки и сборки электродов-пакетов. При переплавке сталей в качестве электродов применяют прокат или специальные штанги, полученные методом непрерывной разливки или ковки. В некоторых установках применяют нерасходуемые электроды, а переплавляемый металл кусками подается в кристаллизатор. Каждый из этих способов, в свою очередь, может быть осуществлен по двум схемам: плавка в глухой кристаллизатор (рис. 7.1, а) и плавка с вытягиванием слитка (рис. 7.1, б). Основной частью печи является рабочая камера, к которой присоединена вакуумная система. Электрод 1 подвешен к подвижному штоку. Шток проходит через вакуумное уплотнение, расположенное в верхней части камеры. К нижней части рабочей камеры присоединяется водоохлаждаемый кристаллизатор 7 с рубашкой водяного охлаждения. К электроду подается отрицательный, а к кристаллизатору положительный полюс источника питания. В печи, работающей по схеме с вытягиваемым слитком (рис. 7.1, б), имеется проходящий через вакуумное уплотнение 3 шток 4 для вытягивания слитка. Металл наплавляется на поддон 5 и по мере роста слитка 6 опускается вниз. Процесс вакуумной плавки начинается с создания вакуума в рабочей камере печи и опускания электрода до крайнего нижнего положения. После короткого замыкания или пробоя межэлектродного промежутка возникает дуга. Под действием выделяющейся теплоты электрод расплавляется и металл небольшими каплями перетекает на слиток.

Объем кристаллизатора и размеры электрода, как правило, согласованы. В конце плавки весь электрод переходит в расплав, а испаряющиеся примеси и газы откачиваются вакуумной системой. Такая печь называется печью с расходуемым электродом.

В практике широко применяются ВДП с расходуемыми электродами, поскольку при работе с нерасходуемыми есть опасность загрязнения переплавляемого металла материалом электрода.

Основные элементы печи. К ним относятся: рабочая камера, штокэлектрододержатель, расходуемые электроды, кристаллизатор, поддон, соленоид.

Рабочая камера представляет собой водоохлаждаемую сварную конструкцию цилиндрической формы. В верхней части рабочей камеры установлены подсветы и смотровые окна, позволяющие наблюдать за горением дуги и наплавлением слитка. Для дистанционного наблюдения за ходом процесса к гляделкам пристраиваются специальные перископы, проектирующие изображение рабочей зоны на экран. К нижнему фланцу камеры прикреплен кристаллизатор.

Шток - электрододержатель служит для закрепления и перемещения расходуемого электрода и подвода к нему тока. Он состоит из нескольких коакси- ально расположенных труб, причем медная наружная труба является токоведущей. Внутренние стальные трубы обеспечивают механическую прочность конструкции штока. Между трубами имеются полости для прохода охлаждающей воды. Расходуемые электроды могут быть прикреплены к штоку различными способами. Они могут быть приварены к огарку, который крепят к хвостовику штока с помощью резьбы, могут удерживаться с помощью специального клиновидного или цангового зажима. Перемещение штока и расходуемого электрода обеспечивается электрическим или гидравлическим приводом. Кристаллизатор состоит из внутренней гильзы и наружного стального немагнитного кожуха. Между ними имеется полость для охлаждающей воды. Гильзу изготовляют из материала с хорошей теплопроводностью, не смачивающегося жидким металлом.

Поддон закрывает низ кристаллизатора, входит внутрь или примыкает к торцу его гильзы. Основа поддона - массивный медный диск, снабженный стальной рубашкой водяного охлаждения. Для предотвращения возможного прожога медного диска электрической дугой в начале плавки на него укладывают темплет из переплавляемого металла толщиной 50-100 мм.

Соленоид устанавливают на боковой поверхности кристаллизатора. Он создает аксиальное с ним магнитное поле. Взаимодействие поля соленоида с током дуги и током, растекающимся в ванне расплавленного металла, приводит к повышению напряжения на дуге (для стали с 19-20,5 до 24-25 В), предотвращает переброски дуги на стенку кристаллизатора, стабилизирует дугу. При этом возникает вращение жидкого металла в ванне, что улучшает структуру переплавляемого металла. Питание соленоида производится от полупроводниковых выпрямителей, позволяющих при необходимости производить резкое увеличение и реверсирование тока намагничивания. Для литья в вакууме существуют специальные вакуумные дуговые печи, которые подразделяют на две группы: печи с разливкой при горящей дуге и печи с разливкой после отключения дуги.

Рис. 7.2. Схема вакуумной дуговой печи для фасонного литья:

1 - тигель; 2 - электрод; 3 - камера; 4 - форма

Такая печь (рис. 7.2) состоит из камеры 3, в которой размещены собственно плавильный агрегат, включающий тигель 1, и электрод 2. Расплавленный металл сливается в форму 4.

7.2. Особенности дугового разряда в вакуумной дуговой печи

Особые свойства дугового разряда в ВДП обусловлены тем, что электродная система образуется концентрически расположенными стержневым электродом и кристаллизатором. При этом электрическая дуга горит в парах переплавляемого металла при низком давлении в камере ВДП в присутствии осевого магнитного поля.

Плавка с электродом-катодом называется плавкой с дугой прямой полярности, а с электродом-анодом - с дугой обратной полярности.

В зависимости от давления в рабочей камере в ВДП наблюдается три формы дугового разряда.

1. Диффузный, при давлении 0,0133-13,3 Па, представляющий собой слабосветящийся столб, распределенный по всему электроду.

2. Отшнурованный разряд при давлении более 133 Па, представляющий

собой яркосветящийся столб небольшого диаметра.

3. Разряд переходной формы, наблюдающийся при давлении 13,3-2660 Па. Такой разряд имеет признаки диффузного разряда, но занимающего лишь часть торца электрода.

Разряд неустойчив и быстро перемещается в пространстве. Длину дуги, т. е. расстояние между электродами, выбирают такой, при которой ток проходил бы

через ванну, а утечка электронов на стенку кристаллизатора была минимальной.

Такие условия создаются, если зазор между электродом и боковой стенкой камеры больше расстояния между электродом и поверхностью ванны расплава.

Следовательно, ВДП необходимо работать при коротких дугах. В действующих

печах при этом режиме длина дуги составляет около 30-50 мм.

При слишком короткой дуге капли, стекающие с расходуемого электрода, начинают замыкать дуговой промежуток. Вследствие сильного тепловыделения

мостик взрывообразно испаряется. На осциллограмме наблюдаются кратковремен ные броски тока и напряжения. Такой режим не соответствует рабочему. Его прекращают разведением электродов, при этом расстояние между торцом расходуемого электрода и зеркалом ванны расплава должно быть больше длины капли.

При увеличении длины дугового промежутка или при повышении давления в рабочей камере резко уменьшается концентрация паров металла. Катодное пятно

в этом случае переходит с торца электрода на его боковую поверхность и быстро

(со скоростью до 50 м/с) устремляется вверх по электроду. Длина дуги увеличивается и появляется общее свечение газов в камере. Ток дуги при этом