Плавка с нерасходуемым электродом

ПЛАВКА РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ

Металл в виде губки или электролитического порошка не­пригоден для изготовления компактных изделий. Прутки иодидного металла иногда используют для непосредственной обра­ботки, но диаметр даже самых больших прутков мал для изго­товления крупных изделий. Метод порошковой металлургии также не дает возможности получить изделия больших габари­тов и высокой плотности. Для получения листового металла пли каких-либо крупных конструкций необходимо переработать порошок, губку или прутки в достаточно большие заготовки. Для этого используют методы плавки.

Технология плавки очень сложна и определяется следующи­ми факторами: редкие металлы при высокой температуре пред­ставляют собой химически чрезвычайно активные вещества, ко­торые энергично взаимодействуют почти со всеми огнеупорны­ми материалами и при температуре плавления активно погло­щают газы из окружающей атмосферы. В то же время даже незначительные примеси кислорода и особенно азота и водорода резко ухудшают пластичность металла, увеличивают его хруп­кость. Например, титан, пригодный для прокатки, должен со­держать не больше 0,1% кислорода, 0,003% азота и 0,015% во­дорода. Отсюда вытекают два основных требования к процессу плавки редких металлов: она должна проводиться в вакууме или в атмосфере инертного газа и в тигле из материала, кото­рый не загрязняет расплавленного редкого металла.

Поэтому из применяемых методов плавки редких металлов (дуговая плавка, индукционная, в печах сопротивления и т. д.) самым перспективным промышленным методом считается дуго­вая плавка, так как в этом случае вопрос о материале тигля решается наиболее просто. Дуговая плавка позволяет получать слитки титана массой до нескольких тонн, циркония - свыше полутонны и т. д.

ПЛАВКА В ДУГОВОЙ ПЕЧИ

Плавка в дуговой печи может осуществляться как с нерасхо­дуемым, так и с расходуемым электродом.

Плавка с нерасходуемым электродом

Основной деталью дуговой печи с нерасходуемым электродом (рис. 88) является водоохлаждаемый электрод, на котором ук­репляется наконечник. Материал наконечника должен иметь высокую температуру плавления, низкое давление пара при ра­бочей температуре, большую теплопроводность, электропровод­ность и механическую проч­ность при температуре дуги.

Таким требованиям отвеча­ют вольфрам и торированный вольфрам. Иногда .применяют плотный графит. В печи ис­пользуют водоохлаждаемый медный тигель толщиной не менее 4-5 мм, который ока­зался наиболее пригодным для плавки редких металлов, так как теплопроводность меди на­столько велика, что расплав­ленный металл вблизи стенки затвердевает прежде, чем он сплавляется с медью, поэтому для расплава как бы обра­зуется тигель из того же са­мого металла.

Для процесса плавки необ­ходимо наличие очень чистой инертной атмосферы. Обычно плавку ведут или в вакууме, или в газовой смеси, состоящей из 20% Аг и 80% He, но чаще в вакууме, так как аргон не­обходимо тщательно очищать от примесей кислорода. Плавку с нерасходуемым электродом ведут на постоянном токе, положительный полюс подводится к изложнице, отрицательный –к электроду. При работе на переменном токе возни­кает повышенный расход материала наконечника электрода, что загрязняет слиток.

Необезгаженную титановую губку плавят в вакууме, так как она содержит большое количество сорбированных газов.

Перед плавкой в печи создают вакуум 10^-3—10^-4 мм рт.ст. При плавке давление остаточных газов в камере печи составля­ет 10^-2—10^-4 мм рт.ст., причем давление над расплавом метал­ла на порядок выше, чем в камере. В узком зазоре между электродом и расплавом находятся ионизованные пары металла, наличие которых обеспечивает горение дуги.

Рис. 88. Схема дуговой печи с не­расходуемым электродом (Основы ме­таллургии. Т. 3. 1963. рис. 29): 1 - подвод постоянного тока; 2 - откачка, подача титановой губки; 3 – смотровое окно; 4 – водоохлаждаемая крышка печи; 5 – изоляция; 6 – водоохлаждаемый электродержатель; 7- медный водоохлаждаемый тигель; 8- электрод; 9 – водоохлаждаемый поддон.

Перед зажиганием дуги на изложницу кладут немного метал­ла. Дугу зажигают, опуская электрод до контакта с металлом, находящимся на поддоне изложницы.

В процессе плавки губка подается в дугу с помощью спе­циального питателя. Слиток нарастает, причем он расплавлен только в той своей части, которая находится в пламени дуги. Процесс дуговой плавки можно рассматривать как последова­тельно перемещающуюся сварку. В тигле с внутренним диа­метром 100 мм имеется ванна расплавленного металла глуби­ной 6,35-12,7 мм. По мере увеличения слитка медный поддон опускается.

Положение дуги управляется электромагнитом. Поле соле­ноида стягивает столб дуги и предотвращает его смещение. Электромагнитное поле также вызывает вращение расплава и его перемешивание.

Иногда используют дуговые печи с тремя вольфрамовыми электродами.

В дуговых печах с нерасходуемым электродом слитки мо­гут быть загрязнены вольфрамом. Это происходит потому, что необезгаженная губка при плавке сильно разбрызгивается. Брызги попадают на электрод, образуя с вольфрамом сплав, который капает с электрода в расплавленную ванну, загрязняя переплавленный металл.

При использовании электродов из плотного графита в полу­ченных слитках наблюдается повышенное содержание углерода (-0,05%).

Печи с нерасходуемым электродом применяют в лабораторной практике, когда требуется выплавка образцов разного ших­тового состава.