Достижения и перспективы вакуумной дуговой плавки (статья) .
С середины 60-х годов существующая эффективность вакуумных дуговых печей значительно возросла за счет развития и применения печей, имеющих два плавильных места. Непроизводительное время между последовательными плавками при этом снизилось в среднем с 1—2 ч приблизительно до 30 мин. Экономическая эффективность достигается в основном за счет улучшения использования оборудования. Использование быстродействующих зажимов для электродной головки и уменьшение времени откачки вакуумными насосами позволяют сократить непроизводительное время между плавками.
Окончательная эффективность определяется размером переплавляемого слитка. Например, если длительность плавки ~-4 ч, использование двух плавильных мест на печи увеличивает к. п. д. печи с 70 до 90%. При выплавке крупных слитков, продолжающейся до 30 ч, использование двух плавильных мест увеличивает к. п. д. с 94 до 98%.
Чтобы определить минимальные потери во времени между плавками, необходимо принять во внимание число характерных операций. Продолжительность некоторых операций (изготовления головки, загрузки электрода и вакуумной откачки) может быть незначительно уменьшена при дальнейшем улучшении оборудования. Например, если возможно (и экономически оправдано) увеличение размера вакуумной системы вдвое, то это позволит выиграть на откачке объема печи несколько минут.
Некоторые операции, которые влияют на непроизводительное время, такие как дальнейшее улучшение конструкции печи или применение более эффективной технологической аппаратуры, не дают существенного увеличения производительности. Лимитирующим звеном повышения эффективности работы печи может стать время охлаждения слитка, в частности при выплавке реакционно способных металлов, когда полученные слитки некоторое время (~1 ч) охлаждаются в печи под вакуумом или инертным газом, чтобы избежать окисления.
Чтобы увеличить производительность печи, необходимо применять специальные меры для защиты слитка от окисления (например, использование специальных вакуумных объемов, которые позволяют открывать печь для разгрузки во время охлаждения слитка). Простой защитой от окисления является применение инертного газа, который напускают в печь перед разгерметизированием. Но этот способ не достаточно эффективен против контакта горячего слитка с атмосферой. Использование специальных вакуумных объемов более эффективно, но требует увеличения размеров печи и высоты перемещения электрода.
В 1968 г. фирма «Консарк» смонтировала и построила первую двухпозиционную вакуумную дуговую печь непрерывного действия для производства титана. Конструкция такой печи позволяет практически до нуля сократить время между плавками и не требует увеличения обслуживающего персонала.Для плавок реакционноспособных металлов была спроектирована печь с плавильными секциями, отделенными одна от другой, что позволило бы обслуживающему персоналу приготовлять одну секцию, пока плавление идет в другой. Каждая плавильная секция имела индивидуальный печной узел и собственную систему перемещения электрода. Обе плавильные секции обслуживались общей силовой установкой, вакуумной откачной системой, системой водяного охлаждения, гидравлической системой, компактной контрольной измерительной аппаратурой и контролирующим оператором.
Разветвленная вакуумная система позволяет приготовить одну плавильную секцию, пока плавка идет в другой. По окончании плавления системы оператор переключает с одной секции на другую, изменяя положение переключателя на пульте управления. При переключении приходят в действие гидравлическая система, система водяного охлаждения, система электропитания вместе с контрольно-измерительными приборами и другими системами, позволяющими вести плавку на второй секции. Затем подается мощность для начала новой плавки. Фактически потерь времени нет. В случае необходимости печной оператор изменяет плавильную мощность. В течение нового плавильного цикла после охлаждения слитка и его извлечения плавильная секция может быть загружена и откачана.
В таблице приведена сравнительная стоимость продукции для обычной двухсекционной печи и печи непрерывного действия.
Однако нужно отметить, что действительная эффективность двух-позиционной непрерывной плавильной печи может быть лимитирована длительностью плавильного цикла. Если длительность плавильного цикла меньше, чем время, необходимое для охлаждения его извлечения, загрузки и откачки, непроизводительный период будет существовать, пока одна секция ждет другую.
Эффективная передача мощности от одной плавильной секции к другой без потери времени достигается за счет быстродействующего высокотокового передающего выключателя. Мы рассматривали возможность использования имеющихся промышленных выключателей мощности, но взять за основу эти стандартные с воздушным охлаждением приборы, которые должны непрерывно передавать ток 20 ка и более, было бы не только дорого, но и нецелесообразно, поскольку создавало бы трудности при дальнейшем монтаже подводящих шин питания электрооборудования.
Используя эксперименты фирмы «Консарк» по применению водо-охлаждаемых медных зажимов для передачи тока с электродвигателя к головке электрода, мы сконструировали компактный прототип выключателя для непрерывной работы при силе тока 10 ка. Испытания показали, что использование гидравлического переключающего усилия примерно 2268 кГ и применение охлаждающих проходов в аппаратуре для эффективного охлаждения контактных поверхностей позволяют опытному выключателю успешно передавать ток >20 ка при частоте 60 гц. Некоторые конструктивные изменения позволили разместить выключатель вместе с небольшой гидравлической системой на высокотоковой шине, идущей между генератором и печью. Выключатели такого типа производятся для работы при силе тока до 30 ка.
Замкнутая схема черно-белого телевидения стала теперь широкоизвестной основой для дистанционного наблюдения за ванчой слитка.
Несколько лет оптическая проекционная система позволяла печному оператору на расстоянии получать изображение зоны плавления. Изображение проектировалось на экран в помещении оператора и было особенно удобно при плавлении реакционноспособных материалов, так как обеспечивало безопасность оператора. Однако, если это было необходимо, наблюдение за зоной плавления велось непосредственно через отверстие в печи. Оптическая проекционная система хорошо используется в том случае, когда изображение передается на относительно короткие расстояния (~8 м).
Внедрение автоматического контроля работы печи позволяет одновременно контролировать приборы четырех или более печей из общей диспетчерской. Диспетчерская изолирована и удобна для размещения приборов серии печей и в некоторых случаях находится на расстоянии —30 м от печи.
Замкнутая телевизионная система применялась в прошлом ограниченно и не была готова для промышленного применения по двум основным причинам:
Экономически целесообразно применение только черно-белого телевидения, в то время как цветные детали являются существенными для определения условий в зоне дуги.
Сильные магнитные поля в пространстве вокруг печи и электрическая нестабильность печной дуги затрудняют получение чистого качественного изображения.
При используемой на печах контролирующей аппаратуры нет необходимости в цветном изображении зоны дуги для операторского наблюдения. Наши ранние попытки применения замкнутой телевизионной системы не всегда были успешны, однако применение магнитной защиты и электрической изоляции в конструкции системы позволило получить хорошее изображение.Черно-белые телевизионные системы успешно применяются на четырех наших предприятиях, и мы предполагаем, что их стоимость постепенно станет такой, что они будут использоваться более широко, чем оптические проекционные системы.
Две камеры и показывающие мониторы имеются у каждой печи. Камеры расположены под углом 180° и обеспечивают полное изображение зоны плавления. Кроме того, у оператора имеется возможность регулирования контрастности изображения и фокусировки, имеется также механизированная система линз, дающая возможность обслуживающему персоналу полностью видеть поверхность ванны расплавленного металла.
В течение ряда лет изготовители и потребители вакуумных дуговых печей пытались непрерывно контролировать массу электрода по мере его оплавления. Точное определение массы оставшейся части электрода необходимо по ряду причин. Скорость плавления расходуемого электрода различна, что зависит от многих факторов. Некоторые из этих факторов можно контролировать для создания оптимальных условий плавки (сила тока и длина дуги, разрежение в печи, введение различных сочетаний инертных газов, охлаждение кристаллизатора, применение принудительного магнитного перемешивания и электрода с диаметром, соответствующим диаметру слитка). Целью всех этих операций является получение максимально возможной скорости плавки с получением высококачественного
слитка.
Скорость подачи электрода характеризует изменение скорости плавки, но определение ее при помощи приборов дает погрешность. Перемещение плунжера или скорость подачи — это разность между величинами сплавившейся части электрода и наплавившейся части
слитка.
Чтобы по величине скорости подачи судить о скорости плавки, необходимо принять во внимание ряд факторов: средний диаметр и плотность электродов, средний диаметр кристаллизатора, усадку слитка. Однако скорость подачи электрода, как критерий скорости плавки, не всегда надежна. Мгновенные изменения скорости подачи электрода или изменение эффективного расстояния между концом электрода и поверхностью ванны представляются как изменение скорости плавки. Оба эти фактора могут действовать и одновременно.
Первые попытки применить систему взвешивания электрода в промышленном масштабе были связаны с трудными проблемами.
Применение торговых весов, расположенных снаружи печи, для взвешивания системы подвески электрода приводит к ошибкам в основном вследствие разной силы трения в вакуумном
Было определено, что наилучшим местом для весового датчика является его расположение внутри печи между основанием электродного поддерживающего плунжера и зажимом электродной головки. Основная трудность была в проектировании передатчика нагрузки, который должен давать сигнал, отличающийся на микровольты, передавая изменение массы, и работать под вакуумом, когда подвергается действию изменяющихся электрических помех, тепловой радиации и выделений из металла. Передатчик, расположенный на выступе плунжера, должен проводить ток силой 40 ка.
Опытные образцы датчиков, расположенных на плунжере, были изготовлены и испытаны в промышленных условиях.
Сейчас передатчики этого типа используют на промышленных печах. Применение прибора на промышленных печах для получения слитков массой 9 т дает ошибку показаний не более 11 кг. Передатчик изготовлен из кованого хромомедного сплава, снабжен водяным охлаждением и оснащен простым противопомехным устройством и тепловой защитой.
Для повышения производительности весовая система может быть использована совместно с автоматической графической программой для тока дуги. В этой модели измерение тока в течение плавки основывается на массе оставшейся части электрода вместо тщательного контроля времени и передвижения плунжера.
Программирование, основанное на изменении массы, особенно удобно на окончательной стадии плавки, когда возможны ошибки оператора в определении количества оставшегося электрода до и в течение выведения усадки.
Были проведены эксперименты по созданию тигля, который не взаимодействует с реакционноспособным расплавленным металлом и не вызывает взрыва.
Первоначальная идея заключалась в том, чтобы охлаждать толстую стенку кристаллизатора строго контролируемым количеством воды таким образом, чтобы она полностью превращалась в пар, используя тепло для парообразования, количество которого должно быть примерно 252 кал/кг. Такое предложение уменьшало опасность взрыва, так как ограниченное количество воды находилось в контакте с кристаллизатором в течение определенного промежутка времени.
Дальнейшие эксперименты включали разработку прерывистого или пульсирующего режима охлаждения кристаллизатора. Чтобы обеспечить отсутствие воды в охлаждающих проходах во время подачи мощности, была применена прерывистая подача воды и мощности.
Эксперименты проводили на электрошлаковой установке. Небольшие плавки показали, что прерывистая подача воды в тигель обеспечивает эффективное охлаждение, что гарантировалось контролем максимальной температуры меди. В результате стало очевидно, что температура меди может поддерживаться в относительно ограниченных пределах, создавая тем самым возможность контроля скорости охлаждения слитка.