Яндекс.Метрика


Вакуумные электропечи

Вакуумные электропечи получили широкое распространение в связи с возникновением таких отраслей промышленности, как атомная, ракетная и пр. Вакуумная плавка металлов и сплавов в печах позволяет значительно снизить содержание газов и количество неметаллических включений, обеспечить высокую однородность и плотность слитка за счет направленной кристаллизации жидкого металла, значительно улучшить физикомеханические свойства металла.


По принципу устройства и назначения вакуумные электропечи делятся на следующие типы: дуговые, индукционные, электроннолучевые и печи сопротивления.
Вакуумные дуговые печи используются для выплавки качественных сталей − нержавеющих, конструкционных, электротехнических, шарикоподшипниковых, жаропрочных сплавов, тугоплавких и высокореакционных металлов. Основные особенности конструкции печи приводятся ниже. Расходуемый электрод крепится на штоке, к которому присоединен отрицательный полюс источника постоянного тока. Шток электрода вводится в вакуумное пространство печи. Между концом электрода и прокладкой поддона кристаллизатора возникает электрическая дуга. Материал электрода под влиянием тепла дуги расплавляется и стекает в кристаллизатор, где затвердевает и из него постепенно формируется слиток. Электрод, служащий одним полюсом дуги, может быть расходуемым и нерасходуемым. Нерасходуемый электрод участвует в процессе только как проводник тока. Другой принципиально отличный тип вакуумной дуговой печи - печь для плавки в гарнисаже, особенностью которой является наличие водоохлаждаемого тигля, заполненного металлом. Стенки тигля покрыты коркой застывшего металла, отделяющего жидкий металл от стенок тигля. Благодаря этой корке (гарнисажу) выплавляемый металл не контактирует с материалом тигля и поэтому не загрязняется им. В плавильном пространстве при помощи системы вакуумных насосов (форвакуумных ротационных и либо бустерных, либо высоковакуумных паромасляных, соединенных последовательно с бустерным) поддерживается давление порядка 10−10^-1 Па [7].
Вакуумные индукционные печи применяются для плавки и разливки различных металлов и сплавов, причем наибольшее распространение получили плавильные печи с наклоняемым тиглем внутри стационарного кожуха [7, 8]. Принцип работы печей заключается в том, что в огнеупорном тигле, установленном в вакуумной камере, при помощи высокочастотного индуктора расплавляют твердую шихту (отходы специальной заготовки, чистые металлы и ферросплавы) и рафинируют жидкий металл; печи могут работать и на жидкой садке. Печи откачиваются диффузионными насосами, обеспечивающими достаточно низкие остаточные давления − меньше 10 Па. В последние годы ведутся интенсивные разработки по созданию промышленной вакуумной плазменно индукционной печи. Применение плазмотрона ускоряет процесс расплавления шихты и позволяет более рационально организовать его, так как появляется возможность поддержания постоянной мощности печи, не зависящей от габаритов и плотности укладки шихтовых материалов. Электронно-лучевые печи применяются для получения особо чистых металлов. В печах этого типа нагрев осуществляется благодаря бомбардировке поверхности нагреваемого предмета быстро движущимися электронами. Так как создать направленный поток электронов и сообщить ему достаточную энергию можно только в условиях высокого вакуума, в электронно-лучевых печах поддерживается давление порядка 10^-3−10^-4Па. Основным элементом печи является нагревательный элемент или пушка, снабженная электромагнитным фокусирующим устройством и системой развертки луча, что позволяет получить пятно диаметром 5−10 мм на расстоянии 1,5−2м от катода и перемещать его по поверхности слитка. Следует отметить, что электронно-лучевые печи используются не только для плавки, но и для различных процессов, связанных с нагревом материалов, например, при выращивании и зонной очистке монокристаллов, термической обработке ленточных и проволочных материалов, испарение металлов с целью нанесения покрытий, для сварки, литья и т.д. Вакуумные электропечи сопротивления являются наиболее универсальными, так как имеют много областей применения, например, их используют для нагрева длинномерных изделий, больших и тяжелых садок, деталей в подвешенном состоянии для предохранения их от деформации, для отжига трансформаторной стали и пр. Принцип устройства печей заключается в наличии герметичной, теплоизолированной камеры, внутри которой расположены нагревательные элементы, выделяющие тепло за счет протекания по ним электрического тока. Печи откачиваются диффузионными насосами, обеспечивающими остаточные давления менее 10^-7 Па [8, 9]. По типу вакуумные электропечи сопротивления делятся на садочные и методические. В садочных электропечах садка остается неподвижной в течение всего времени нагрева и в них нельзя произвести очередную загрузку, предварительно не разгрузив печь. Эти печи отличаются относительно низкой производительностью. Наибольшее распространение получили такие садочные вакуумные электропечи, как камерные, шахтные, колпаковые, элеваторные. Высокопроизводительные методические вакуумные электропечи включают в себя загрузочную и разгрузочную шлюзовые камеры, камеры нагрева и охлаждения, систему устройств для перемещения садки в печи и откачную систему. По принципу перемещения садки применение нашли следующие разновидности методических печей: толкательные, печи с шагающим подом, многокамерные печи с перекатной тележкой ипечи для термической обработки ленты и проволоки.
Назначение вакуумных электропечей сопротивления:
• для термообработки, отжига, закалки и пайки;
• для спекания и дегазации;
• для нагрева под обработку давлением;
• для специальных химикотехнологических процессов.
Отжиг в вакууме (при давлении 10^-1−10^-3 Па) − термовакуумный процесс обработки металлов и сплавов, состоящий в их нагреве, выдержке и охлаждении для снятия наклёпа, повышения пластичности, изменения структуры в нужном направлении, придания определенных электрических, магнитных и других свойств, а также для очистки отгазовых и неметаллических включений. В вакууме подвергаются отжиг улисты, проволока, заготовки для последующей обработки давлением, детали из различных металлов. Например, отжиг тантала и ниобия рекомендуется проводить в течение одного часа при 1300−1400°С и давлении не более 10^-3 Па [10]. Ниобий обрабатывается методом вакуумной прокатки при 1100−1250°С, а после разрушения литой структуры легко обрабатывается давлением при комнатной температуре. После отжига при 1700−1730°С в вакууме твердость металла по Бриннелю возрастает до 800−900 Н/мм^2 , предел прочности до 300−400 Н/мм^2, относительное удлинение 30%. Различают следующие виды отжига: высокотемпературный, обезгаживающий, обезуглероживающий, рекристаллизационный и пр. Например, при производстве ртутных выпрямителей осуществляется в печах обезгаживающий отжиг деталей, изготавливаемых изнизкоуглеродистых сталей. Он обеспечивает обезгаживание и получение светлой поверхности, что при разогреве деталей во время эксплуатации исключает образование или отслаивание окисной пленки и уменьшает газовыделение, благодаря чему предотвращается замыкание и пробой. Высокотемпературный отжиг в печах улучшает магнитныесвойства и повышает процент выхода высших марок трансформаторной стали [10].
Закалка в вакууме − термовакуумный процесс обработки сталии некоторых сплавов (например, латуни, бронзы и др.) путем нагрева и затем быстрого охлаждения. Закалка вызывает резкое изменение свойств металла: у стали − получение чистой светлой поверхности без науглероживания или обезуглероживания, повышение упругости, прочности, твердости при пониженной вязкости, уменьшение деформации и коробления и пр.; у некоторых сталей и сплавов закалка приводит только к повышению вязкости. Например, широко применяется закалка рельсов из бессемеровской стали, обеспечивающая высокие пластические свойства и ударную вязкость даже при температурах вплоть до 50°С при малой чувствительности к старению. Электропечи для вакуумной закалки подразделяют на печи для закалки в газе и для закалки в жидких средах. Закалка в газе после нагрева в вакууме проводится в шахтных и камерных печах. Эти печи широко применяются для закалки крупных изделий, медицинского и точного инструмента, деталей приборов и пр. В России впервые была создана шахтная вакуумная печь для закалки в циркулирующем инертном газе металлорежущего инструмента из легированных и быстрорежущих сталей, прессформ, фильер и деталей шариковых подшипников. Предварительный нагрев изделий осуществляется при остаточном давлении в печи 0,1 Па [11]. Печи, предназначенные для проведения закалки в масле, снабжаются закалочным баком. Применяются различные схемы компоновки закалочных баков и нагревательных камер: закалочный бак не отделён от нагревательной камеры затвором и находится под ней, нагревательная камера расположена под закалочным баком и отделена от него вакуумным затвором и пр. Применение закалки в вакууме позволяет устранить последующую механическую обработку и повысить качество изделий.