Вакуумна плавка
При плавленні металів у вакуумі виділяється значна кількість газів, які повинні видалятися за допомогою вакуумних насосів. Початковий нагрівання металу до 300-400 ° С супроводжується активним! десорбцією газів, а також випаровуванням та розкладанням забруднень на поверхні металу. При подальшому нагріванні до 700-1000 ° С (для сталі) практично повністю виділяється водень і частково кисень. Після остаточного розплавлення виділяються у великій кількості кисень, азот, окис вуглецю. Процес складається зі стадій нагріву, розплавлення та рафінування, під час якого видаляються залишки газу.
В електричній індукційній печі матеріал нагрівається струмом, що збуджується всередині заготовки. Заготівля вміщена в індукторі (соленоїді), що живиться струмом промислової або підвищеної частоти (рис. 160). При розрахунку індукційних вакуумних плавильних пері потрібно враховувати специфіку процесу: тепло виділяється безпосередньо в самому металі, який, у свою чергу, нагріває тигель і футерування течі. Перевага індукційного методу нагріву полягає у можливості нагріву металу з великою швидкістю, а також у наявності вихрових ків у розплавленому металі. Цей спосіб дає дуже рівномірне нагрівання металу.
Метал може нагріватися безпосередньо при протіканні по котушці змінного струму (рис. 161, а) або побічно теплом випромінювання та теплопродністю від допоміжного концентрично розташованого металевого циліндра, що піддається індукційному нагріванню (рис. 161, б). В останньому випадку тепловій обробці може бути підданий і не електропровідний матеріал; крім того, тут простіше нагрівання зразка нециліндричної форми.
Великі промислові індукційні печі для плавлення металів мають нерухому жорстко закріплену вакуумну камеру,якої розміщена індукційна котушка з тиглем. Кришка камери разом з індуктором та тиглем може відсуватися. Одна з печей такого типу показана на рис. 162. Кришка камери з індукційною котушкою та тиглем тритонної індукційної печі фірми Херауес (ФРН) показана на рис. 163. Положення тигля та котушки може змінюватись на різних стадіях процесу (рис. 164).
Граничний тиск у подібних печах становить 5 10 -4 мм рт. ст., швидкість відкачування повітря до 20 л.с при тиску 10 -3 мм рт. ст. Габаритні розміри камери: діаметр від 2800 до 4500 мм; довжина від 2200 до 3000 мм; розміри індуктора: внутрішній діаметр від 570 до 900 мм; висота - від 700 до 1200 мм; середній об'єм тигля – від 80 до 350 л.
Приклад застосування індукційної печі – отримання сплаву бронзи І з дисульфідом молібдену. Цю антифрикційну речовину можна застосовувати в умовах високого вакууму та низьких температур. Плавильна піч у цьому випадку має вакуумний прес.
Метал тут нагрівається електричним струмом, що проходить через нього. Печі опору зазвичай застосовують для тугоплавких металів. Електроустаткування цих печей дешевше, ніж індукційних. Гріючий елемент повинен мати якомога більший питомий опір. Греючими елементами можуть бути вугілля, графіт, крип-тол (зернисте вугілля), карборунд, тугоплавкі метали. У таких печах нагрівають та плавлять будь-які речовини; необхідно тільки, щоб речовини, що нагріваються, або продукти їх взаємодії не виділяли парів, що руйнують нагрівачі.
Тут можна спікати металокерамічні сплави, плавити малолеткі метали і т. п. На рис. 165 показано вакуумну піч опору для плавки цирконію з графітовим нагрівачем. Вакуумні печі опору для роботи при температурах до 1200 ° С та тиску 10 -3 - 10 -4мм рт. ст. з футеровкою з шамота-легковаги застосовують також для термічної обробки магнітних сплавів, корозійностійких і жароміцних сталей, титану, цирконію, сплавів на основі титану і цирконію, для спікання композицій на основі заліза, нікелю, міді, для паяння твердими.
Дугові печі дозволяють у невеликому обсязі виділити одночасно більшу кількість тепла та швидше, ніж у печах інших типів, досягти високої температури. Плавку в дугових електропечах застосовують головним чином у виробництві металів, що мають велику хімічну активність при високих температурах (молібден, тантал, ті-1ан, цирконій та ін.). Особливо хороші результати отримані з так званою залежною дугою, коли між електродом і самим металом, що нагрівається, створюється дуга. Графітові електроди при плавці застосовувати небажано, оскільки це може спричинити додаткову домішку вуглецю в металі. Зазвичай використовують електроди з вольфраму. У багатьох випадках електрод роблять з того ж металу, який плавлять у дуговій печі, причому він поступово оплавляється (витратний електрод).
Практика показала, що плавка в печах з електродом, що витрачається, дає можливість отримувати метали і сплави високої якості. Характерною особливістю печі є рівномірне виділення газів протягом усього циклу.
Схема вакуумної дугової печі з витрачається електродом дана на рис. 166. Схема печі фірми Дегусса (ФРН) для виплавки спеціальних сталей із завантаженням 400 кг наведено на рис. 167. На Іжорському заводі пущено потужну піч вакуумно-дугового переплаву. Пекти видає злиток надчистої сталі масою 37 т.
На рис. 168 показана дугова вакуумна піч фірми Ульвак (Японія) з витрачається електродом продуктивністю 25 т за одне завантаження. Продуктивністьтаких печей від 2 кг до 30 т. Піч придатна для рафінування та плавлення активних металів та металів з високою точкою плавлення.
Плавка у високовакуумній печі з електронно-променевим нагріванням дає можливість отримувати метал високої чистоти. Рафінування металу відбувається як чисто зонним очищенням (завдяки відмінності в розчинності домішок у твердому і рідкому) металі), так і дегазацією металу у вакуумі та випаровуванням домішок з більш високою пружністю пари, ніж у металу, що очищається. Для розплавлення можливе нагрівання за допомогою електронної гармати, яка служить катодом і бомбардує вихідний метал (анод). Метал, що плаває, стікає у водоохолоджувану виливницю, де підтримується в розплавленому стані за допомогою електронного бомбардування від іншої гармати. При виробництві таким методом пластичного ніобію отримували злиток завдовжки 1,2 м та діаметром близько 80 мм. При цьому швидкість плавки ніобію досягала В5-7 кг/год, а при повторному переплаві-36 кг/год.
Плавка за допомогою електронного бомбардування у вакуумі має переваги перед вакуумною дуговою плавкою: форма зразка, що застосовується для плавки, не має значення; витрата електроенергії значно нижча, тому що для підтримки дуги при дуговій плавці необхідні великі струми та низька напруга, а для живлення електронних гармат — висока напруга та низькі струми; застосування більш високого вакууму, ніж у печах інших типів; якість одержуваного металу вища, ніж у вакуумній дуговій печі.
Переваги електронного нагріву дають підстави вважати цей метод перспективним для таких металів, як тантал, молібен, ніобій, берилій, і навіть спеціальних і корозионностойких сталей.
Мал. 167. Схема високовакуумної дугової печі для розплавлення спеціальнихсталей із завантаженням 400 кг (фірма Дегусса, ФРН)
Схема печі показано на рис. 169. Футерування в такій печі відсутнє, а виділення газів рівномірно протягом усього циклу. Для нормальної роботи таких печей необхідна підтримка високого вакууму, тому вихідний матеріал пред'являють підвищені вимоги щодо вмісту газів. Вихідний матеріал, призначений для плавки у печах електронним нагріванням, попередньо плавиться у вакуумних індукційних або дугових печах.
Уфірма Ульвак (Японія) випускає печі серії FME для плавки електронним променем тугоплавких металів: Та, Nb, Ti, Zr, W. Для роботи в надвисокому вакуумі фірма пропонує печі на базі відкачувального надвисококуумного агрегату EBD-400.
Такі печі, що приєднуються до надвисоко-вакуумного агрегату своїм нижнім фланцем, показано на рис. 170. На рис. 170 а показана піч для зонної плавки і рафінування тугоплавких (W, Та, Mo, Nb) і активних металів (Ti, Zr), а також напівпровідникових матеріалів (Ge, Si) при тисках порядку 10 -9 мм рт. ст. При таких тисках плавлення відбувається в абсолютно чистому та сухому середовищі. У печах можна обробляти сталь, нікель та інші метали. Граничний тиск у печі без завантаження після прогрівання всієї системи протягом 6 годин до 250°С становить 1*10 -9 мм рт. ст.
Мал. 171. Схема надвисококовакуумної печі з нагріванням електронним променем і з системою, що відхиляє (фірма Ульвак, Японія)
Рівноважний тиск при зонному плавленні танталу та швидкості проходу 0,1 мм/хв близько 10 -8 мм рт. ст. Розміри зразка: діаметр 4-7 мм, довжина 200 мм. Ефективна довжина при плавленні становить 120 мм. Максимальна потужність електричної гармати 5 кВт. Витратна потужність при безперервній роботі 3 кВт. Потужність,витрачається системою відкачування, 10 кВт; Витрата води 20 л/с. Швидкість проходу електронної гармати може змінюватися в широких межах з метою створення оптимальних умов плавлення та рафінування. Зразок може обертатися зі швидкістю від 1 до 8 об/хв. Тут застосовується електростатична електронна гармата з кільцевим катодом.
На рис. 170 б показана піч EBD-400, забезпечена електронною гарматою потужністю 6 кВт проникаючого типу і водоохолоджуваної мідною виливницею. Зливки одержують двох видів: або напівкруглої форми (у виливниці 8x5 мм), або У-подібної форми виливниця довжиною 200 мм, шириною 23 мм і глибиною 15 мм. Тиск печі при плавленні танталу та граничний тиск ті самі, що й у попередньому випадку. Електронна гармата, забезпечена системою, що відхиляє, має максимальну потужність 6 кВт при прискорюючій напрузі від 0 до 20 кВ. Діапазон згинання променя 200 мм у напрямку X, 23 мм у напрямку Y. Автоматична розгортка можлива для спрямування X та Y. Потужність системи відкачування 10 кВт; витрата води 25 л/хв. Пристрій печі EBD-400 EBM показано на рис. 171.