Для производства крупных заготовок (200-3000 кг), предназначенных для проката листов больших размеров, вытяжки труб и производства изделий методом литья освоена плавка молибдена и вольфрама, а также сплавов на их основе в дуговых и электронно-лучевых печах.
Схема дуговой печи с расходуемым электродом для плавки молибдена и вольфрама:
1 - механизм подачи электрода; 2 - траверса; 3 - шток; 4 - токоподводящие шины; 5 - камера расходуемого электрода; 6 - расходуемый электрод; 7 - смотровое окошко; 8 - плавильная камера; 9 - механизм засыпки лигатур; 10 - патрубок к вакуумной системе; 11 - соленоид; 12 - слиток; 13 - поддон; 14 - нижний шток; 15 - кристаллизатор; 16 - механизм вытяжки слитка
Во всех современных дуговых печах плавку ведут в вакууме с расходуемым молибденовым или вольфрамовым электродом и охлаждаемым медным тиглем — кристаллизатором. Металл плавится в дуге, возникающей между верхним (расходуемым) электродом и нижним электродом – расплавленным металлом в медном кристаллизаторе. Плавку ведут большей частью на постоянном токе при полярности: расходуемый электрод – катод, расплав – анод. Однако для вольфрама в случае плавки на переменном токе дуга вполне устойчива (в отличие от плавки менее тугоплавких металлов).
Наиболее распространены печи, в которых расходуемый электрод предварительно приготовляют из спеченных молибденовых или вольфрамовых штабиков. Стыковой сваркой штабики соединяют в электрод длиной 1 – 2,5 м. Затем их объединяют в пакет (4 – 16 штабиков и больше в зависимости от размеров кристаллизатора).
Перемещение расходуемого электрода при плавке и подвод к нему тока большей частью осуществляют с помощью штанги, на конце которой укреплен электрод. Плавку ведут вытягиванием слитка путем опускания поддона. Перед плавкой на дно кристаллизатора помещают диск из металла, подлежащего плавке. Плавку осуществляют в вакууме (0,13 – 0,013 Па) в рабочей камере печи. В зоне дуги давление примерно на два порядка выше. Постоянство напряжения дуги (30 – 60 В) поддерживается автоматически за счет регулирования расстояния между электродами.
Для регулирования формы дуги и исключения побочных дуг (например, дуг между электродом и стенкой кристаллизатора) кристаллизатор окружен электромагнитной катушкой (соленоидом).
Для раскисления металлов (содержание кислорода в плавленых молибдене и вольфраме не должно превышать 0,002 %) в состав электрода при его изготовлении вводят небольшие количества углерода, циркония, титана или их карбидов.
Легирующие добавки можно вводить в состав расходуемого электрода или вносить в зону дуги (в форме таблеток, крупного порошка). Так как при дуговой плавке в расплавленном состоянии находится кратковременно небольшая доля металла, легирующие добавки распределяются неравномерно. Для получения однородного по составу слитка обычно проводят повторную плавку.
После вакуумной дуговой плавки с раскислением содержание примесей в молибдене и вольфраме снижается. Получающиеся слитки имеют крупнокристаллическую структуру, что усложняет обработку давлением. С целью получения слитков с мелкозернистой структурой иногда используют гарниссажную дуговую плавку с разливом металла в изложницу.
Схема печи для плавки электронным пучком:
1 - катод электронной пушки; 2 - анод; 3 - патрубок к вакуумной системе; 4 - электромагнитная катушка (линза); 5 - диафрагма; 6 - шибер; 7 - плавильная камера; 8 - электронный пучок; 9 - патрубок к вакуумной системе; 10 - выплавляемый слиток; 11 - охлаждаемый водой медный кристаллизатор; 12 - механизм вытягивания слитка; 13 - переплавляемая заготовка (спеченный штабик)
Нагревание и плавка металлов электронным пучком основаны на превращении кинетической энергии электронов при их соударении с поверхностью металла в тепловую энергию. При разгоняющих напряжениях до 30 - 35 кВ, используемых в установках электронно-лучевой плавки, подавляющая часть энергии электронов превращается в тепловую энергию и лишь малая доля - в энергию рентгеновского излучения и энергию электронов вторичной эмиссии.
Электронная пушка, являющаяся источником пучка электронов, состоит из катода, полого ускоряющего анода, фокусирующей электромагнитной катушки (линзы) и диафрагмы. Катодом служат подогреваемые массивные вольфрамовые или танталовые диски. Электронный пучок выводится в плавильную камеру через сложные диафрагмы, создающие значительное газодинамическое сопротивление, что позволяет поддерживать в пушке более высокое разрежение, чем в рабочей камере, с помощью независимой вакуумной системы.
В более мощных печах, предназначенных для плавки крупных слитков, применяют несколько электронных пушек.
В отличие от дуговых вакуумных печей при плавке электронным лучом можно осуществить значительный (контролируемый) перегрев жидкого металла и поддерживать его в жидком состоянии заданное время. Это обстоятельство, а также возможность проведения плавки при очень низком остаточном давлении, создает условия для более полной дегазации и удаления примесей, чем при дуговой плавке. Дополнительное преимущество состоит в возможности переплавки металла в любом виде (штабики, таблетки из порошка, стружка), тогда как при дуговой плавке необходимо приготовление расходуемого электрода.
Успешная плавка в электронно-лучевых печах возможна при обеспечении высокой скорости откачки и остаточном давлении в плавильной камере порядка 0,0013 Па. Высокое разрежение необходимо для того, чтобы пучок электронов на пути к нагреваемому телу потерял возможно меньше энергии на столкновение с атомами и молекулами газов, а также для удаления из расплавленного металла испаряемых в условиях плавки примесей.
В результате электронно-лучевой плавки молибден и вольфрам очищаются от подавляющей части примесей. Для глубокой очистки от кислорода необходимо введение раскислителей.
Вследствие высокой чистоты слитки после электроннолучевой плавки имеют крупнокристаллическую структуру, и пластическая деформация их (особенно вольфрама) затруднительна. Поэтому вольфрамовые (а иногда и молибденовые) слитки после электронно-лучевой плавки переплавляют в дуговой печи.
Источник: Зеликман А.Н., Коршунов Б.Г. "Металлургия редких металлов", 1991
