Установки специального электронагрева

Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



П.В. ДОМАРОВ, А.А. МЕЛЕШКО





                УСТАНОВКИ СПЕЦИАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВА




Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия








НОВОСИБИРСК

2012

УДК 621.365(075.8)
      Д 66



Рецензенты:
Аныиаков А. С., д-р техн. наук, профессор; Хрусталёв В. А., д-р техн. наук, профессор




       Домаров П.В.
Д 66 Установки специального электронагрева: учеб. пособие /

       П.В. Домаров, А.А. Мелешко. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012.-76 с.
         ISBN978-5-7782-2189-5

          В учебном пособии «Установки специального электронагрева» рассмотрены основные виды промышленных установок, предназначенных для получения и обработки материалов, металлов и сплавов с заданными физическими свойствами, для производства изделий высокого качества. Пособие состоит из пяти глав, в каждой из которых рассматривается один из видов промышленных установок специального электронагрева. Предлагаемое пособие будет полезно студентам, изучающим курс установок специального электронагрева, и отличается от другой предлагаемой студентам литературы комплексным подходом к изложению материала, когда в одной книге собрано описание более чем одного или двух видов промышленного оборудования.


Работа выполнена на кафедре автоматизированных электротехнологических установок Новосибирского государственного технического университета





УДК 621.365(075.8)


ISBN 978-5-7782-2189-5

                    © Домаров П.В., Мелешко А.А., 2012 © Новосибирский государственный

технический университет, 2012

                      ОГЛАВЛЕНИЕ


    Введение.........................................................
    Глава 1. Вакуумные дуговые печи..................................
        1.1. Принцип действия и классификация вакуумных дуговых печей.
           1.1.1. Вакуумно-дуговые печи для плавки в кристаллизаторе.
           1.1.2. Вакуумные дуговые печи для плавки в гарнисаже......
        1.2. Рабочий процесс в дуговых вакуумных печах...............
        1.3. Дуговой разряд..........................................
        1.4. Конструкции вакуумно-дуговых печей......................
        1.5. Энергетические характеристики вакуумных дуговых печей...
        1.6. Расчет параметров и режимов вакуумных дуговых печей.....
        Контрольные вопросы..........................................
    Глава 2. Установки электрошлакового переплава....................
        2.1. Область применения......................................
        2.2. Положение электрода.....................................
        2.3. Распределение тока......................................
        2.4. Кристаллизация металла..................................
        2.5. Печи со сменой электродов...............................
        Контрольные вопросы..........................................
    Глава 3. Электронно-лучевые установки............................
        3.1. Принцип работы электронно-лучевых установок.............
        3.2. Применение..............................................
        3.3. Электронно-лучевая плавка...............................
        3.4. Электронная пушка.......................................
        Контрольные вопросы..........................................
    Глава 4. Установки плазменного нагрева...........................
        4.1. Плазма и генераторы плазмы..............................
        4.2. Способы применения плазмотронов.........................
        Контрольные вопросы..........................................

.. 5 ..7 ..7 ..8
10
12 16 19 23
26 31
32 32
35
36 38
40
42 44
44 45
47
50
52
54
54 56 59

3

    Глава 5. Лазерные технологические установки.........
        5.1. Принципиальные особенности лазерного излучения
        5.2. Понятие когерентности света................
        5.3. Устройство лазера..........................
        5.4. Оптический резонатор.......................
        5.5. Классификация технологических лазеров......
           5.5.1. Твердотельные лазеры..................
           5.5.2. Полупроводниковые лазеры..............
           5.5.3. Лазеры на красителях..................
           5.5.4. Газовые лазеры........................
           5.5.5. Волоконные лазеры.....................
           5.5.6. Редкие виды лазеров...................
        5.6. Промышленное применение лазеров............
           5.6.1. Поверхностная лазерная термообработка.
           5.6.2. Получение поверхностных покрытий......
           5.6.3. Лазерная сварка.......................
           5.6.4. Лазерная резка........................
           5.6.5. Газолазерная резка....................
           5.6.6. Термораскалывание.....................
           5.6.7. Лазерная маркировка и гравировка......
        Контрольные вопросы.............................
    Список использованной литературы....................

60
60
62
63
65
66
66
66
66
66
67
67
67
67
68
69
70
72
73
73
74
75

        ВВЕДЕНИЕ

   Появление дуговых сталеплавильных печей способствовало развитию таких отраслей промышленности, как самолетостроение, автомобилестроение, специальное машиностроение и др. Однако при дуговой плавке не всегда удается получить высоколегированные стали и сплавы с особыми свойствами по чистоте и плотности. Это объясняется вторичным окислением стали при разливке в ковш, наличием макро- и микродефектов в отлитых в чугунных изложницах слитках. Вторичное окисление и загрязнение металла футеровочными материалам происходит и при использовании внепечных способов рафинирования: при рафинировании в вакууме, при обработке специальными синтетическими шлаками, при продувке инертными газами. Получение стального слитка с минимальной неоднородностью и плотной головной частью впервые стало возможным с появлением переплава металла в охлаждаемом кристаллизаторе. Также возникла потребность в материалах, обеспечивающих надежную и долговечную работу деталей и агрегатов в самых разнообразных условиях. К таким материалам относятся тугоплавкие и высокореакционные металлы (титан, вольфрам, молибден и т. д.), а также специальные сложнолегированные стали и сплавы. Производство таких материалов стало возможно только при появлении спецэлектрометаллургии, основанной на применении печей для переплава. Такие установки позволили обеспечить получение требуемых материалов и гарантировать их высокое качество за счет резкого повышения чистоты и устранения дефектов структуры слитков.
   Установки спецэлектометаллургии используют в основном для улучшения качества металла заданного химического состава путем его переплава в какой-либо рафинирующей среде (вакуум, шлак).
   Основными элементами любой переплавной установки являются:
   - расходуемая заготовка, выполненная из переплавляемого металла;
   -    водоохлаждаемая изложница - кристаллизатор с поддоном, в котором формируется новый слиток;

5

   -     рафинирующая среда, обеспечивающая очищение жидкого металла на электроде и жидкого металла на поверхности слитка.
   Переплавные установки позволяют значительно повысить качество металла, что определяется действием следующих факторов:
   -     отсутствие контакта жидкого металла с футеровкой и воздухом позволяет исключить загрязнение металла во время переплава;
   -     пленочный характер плавления и капельный перенос способствуют интенсивному взаимодействию жидкого металла с рафинирующей средой и очистке металла от газов, примесей и неметаллических включений;
   -     одновременно и медленно протекающие процессы плавления металла и его затвердевания в водоохлаждаемом кристаллизаторе создают условия для существования жидкой ванны небольшого объема для получения мелкозернистой структуры, всплывания включений и отсутствия дефектов усадочного и ликвационного характера.
   Слитки, полученные в печах спецэлектрометаллургии, характеризуются низким содержанием примесей и неметаллических включений (в 2...5 раз ниже по сравнению с обычной электросталью) и их равномерным распределением в кристаллической структуре слитка. Повышение плотности металла и однородности структуры приводит к улучшению свойств (прочности, пластичности, жаропрочности и т. д.).
   Новыми способами повышения качества металла стали вакуумный дуговой переплав, электрошлаковый переплав, электронно-лучевая, плазменно-дуговая, вакуумная индукционная и идукционно-плазмен-ная плавка, объединенные общим названием «установки специального электронагрева».

        Глава 1. ВАКУУМНЫЕ ДУГОВЫЕ ПЕЧИ



        1.1. Принцип действия и классификация вакуумных дуговых печей

   Вакуумные дуговые печи (ВДП) предназначены для производства слитков и фасонных отливок из высокореакционных металлов (титана, циркония, молибдена, вольфрама, ниобия, тантала и т. д.), а также из специальных и жаропрочных сталей.
   Преобразование электрической энергии в тепловую в ВДП происходит в электрической дуге, горящей между электродом и жидкометаллической ванной при пониженном давлении и обеспечивающей высокие температуры, как на электродах, так и в разрядном промежутке (рис. 1.1).



Рис. 1.1. Схема печи вакуумно-дугового переплава:

1 - переплавляемый электрод; 2 - электрическая дуга; 3 - наплавляемый слиток;
4 - водоохлаждаемый кристаллизатор

   Тепло от дуги передается электроду, который расплавляется и образует на торце пленку жидкого металла. Под действием сил тяжести и электродинамических усилий появляются капли, которые, отрываясь

7

от электрода, падают на охлаждаемую поверхность и создают ванну жидкого металла. Торец электрода при правильном течении процесса обычно является плоским, что вызвано равномерным образованием капель по всей его поверхности.
   По характеру использования ванны жидкого металла ВДП разделяют на печи для получения слитков и печи для плавки в гарнисаже (литейные). В печах для получения слитков основным технологическим элементом является водоохлаждаемый кристаллизатор с поддоном. Во время плавки одновременно происходят два процесса: наплавление ванны жидкого металла и ее затвердевание (в условиях усиленного теплоотвода с помощью водоохлаждаемых стенок кристаллизатора). Это позволяет создать условия для формирования слитка заданной структуры без дефектов усадочного характера. В печах для плавки в гарнисаже тепло от дуги обеспечивает получение достаточно больших объемов жидкого металла в специальных тиглях для дальнейшей его разливки в формы.
   Металл в вакуумных дуговых установках расплавляется в дуговом разряде, а слиток формируется в медном кристаллизаторе, что обеспечивает направленную кристаллизацию и плотную структуру слитка с минимальным количеством макро- и микродефектов.

1.1.1. Вакуумно-дуговые печи для плавки в кристаллизаторе
   В вакуумно-дуговых печах для плавки в кристаллизаторе процессы плавления и затвердевания слитка осуществляются одновременно. ВДП могут работать с нерасходуемыми и расходуемыми электродами (рис. 1.2).
   В первом случае дуга горит под графитовым или вольфрамовым стержнем. При этом металл, подвергаемый расплавлению, засыпают в плавильное пространство порциями из специального бункера-дозатора. Несмотря на некоторые преимущества, связанные с возможностью переплава отходов, печи с нерасходуемыми электродами не получили широкого распространения из-за неизбежного во время плавки загрязнения выплавляемого металла материалом электрода.
   Поэтому основным видом ВДП являются печи с расходуемыми электродами.
   В качестве расходуемого (переплавляемого) электрода используют штанги круглого и квадратного сечения. Стальные электроды изготавливают из сортового проката; титановые электроды первого переплава


8