Металлургия редких металлов

ПЛАВКА МОЛИБДЕНА И ВОЛЬФРАМА

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.

Дуговая плавка

Во всех современных дуговых печах плавку ведут в ва­кууме с расходуемым молибденовым или вольфрамовым элект­родом и охлаждаемым медным тиглем - кристаллизатором (рис.20). 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 воль - , фрама 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 вытяги­
ванием 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

Ршс. 20. Схема дуговой печи с расходуемым электродом для плавки молибдена и вольфрама: 1 - механизм подачи электрода; 2 - траверса; 3 - шток; 4 - токоподводящие шнны; 5 - каме­ра расходуемого электрода; б - расходуемый электрод; 7 — смотровое окошко; 8 - плавиль­ная камера; 9 - механизм засыпки лнгатур; 10 - патрубок к вакуумной системе; И - со­леноид; 12 - слиток; 13 - поддон; 14 - ниж­ний шток; 15 - кристаллизатор; 16 - механизм вытяжки слитка

(длина дуги), которое в зависимости от режима плавки ко­леблется от 10 до 30 мм. 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 и нахо­дится в следующих пределах, %: кислород 1 • Ю-3 - Ю-4; водород 3-Ю"4 - 10"5; азот 1-Ю"3 - 10"4; углерод 2-Ю-3. 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.

Электронно-лучевая плавка

Нагревание и плавка металлов электронным пучком осно­ваны на превращении кинетической энергии электронов при

Рас. 21. Схема печн для плавки электронным пучком:

1 - катод электронной пушки; 2 - анод; 3 - патрубок к вакуумной системе; 4 - электромагнитная ка­тушка (линза); 5 - диафрагма; б - шибер; 7 - плавильная камера; 8 - электронный пучок; Р - патрубок к вакуумной системе; 10 - выплавля­емый слнток; 11 - охлаждаемый во­дой медный кристаллизатор; 12 - механизм вытягивания слитка; 13 - переплавляемая заготовка (спечен­ный штабик)
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.

На рис.21 показана принципиальная схема плавильной установки с одной электронной пушкой. 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 (в частно­сти, от примесей 0,N, C,H, Fe, Cu, Ni, Mn, Co). Для глубокой

Очистки от кислорода (до содержания «Ю-4 %) 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.