Проблема получения вакуума

Современные дуговые печи работают обычно при давлении порядка нескольких микрон. В инертной атмосфере при давлениях выше 20 мм рт. ст. плавятся только те металлы, которые обладают высокой упругостью пара. В этом случае достигается более высокая скорость плавки при стабильной дуге и в то же время уменьшается опасность появления блуждающего разряда. Эти вопросы подробно освещены Джонсоном, Смитом и Грубером в работе [2].

Кролль и некоторые другие исследователи сомневаются в возможности достижения давления ниже 1 мм рт. ст. в зоне дуги. Они, в частности, считают, что при плавке титановой губки в вакууме происходит испарение MgCl₂, Mg или NaCl₂, а также металлического натрия и титана, поэтому в зоне дуги создаются условия, аналогичные тем, которые имеют место при переплаве в инертной атмосфере при давлении порядка нескольких мм рт. ст. [3]. Однако есть основания сомневаться в справедливости подобного утверждения. Давление в зоне дуги может, видимо, достигать 0,1 мм рт. ст. даже и при переплаве губки титана. В доказательство этого положения можно привести следующие аргументы:

• 1. Дуговой разряд в вакууме существенно отличается от такового при давлении в несколько мм рт. ст. В частности, как упоминалось выше, градиент напряжения при дуговом разряде в вакууме почти в 10 раз меньше, а скорость движения дуги во вращающемся магнитном поле при низких давлениях очень мала, в то время как при больших давлениях наблюдается очень быстрое вращение дуги.

• 2. Так называемый тлеющий разряд, возникающий при давлении около 0,5 мм рт. ст., никогда не наблюдается в вакуумных печах, оборудованных мощными откачными системами.

• 3. Испарение металлов и их соединений, обладающих высокой упругостью пара (например, Mg или MgCl₂), а также выделение газов, содержащихся в губке, не может создать давление выше 0,5 мм рт. ст. при условии достаточно высокой скорости откачки.

В качестве подтверждения высказанной выше точки зрения можно сослаться на результаты измерения давления в печи на заводе в Ханау. В печь вдоль стенки изложницы, диаметр которой составлял 250 мм, помещали титановую трубку диаметром 12,7 мм и длиной около 1 м (фиг. 5). Верхний конец трубки соединялся с манометром Пирани, с манометром Кнудсена [4] и с манометром Мак-Леода. На фиг. 6 представлена кривая изменения давления для плавки титановой губки, спрессованной в квадратный электрод (100×100 мм), при скорости плавления 3,6 кг/мин.

Правда, с помощью такого устройства можно определять давление только тех газов, которые не конденсируются при комнатной температуре. Поскольку выделяющийся газ состоит главным образом из водорода, то манометр Пирани дает завышенные результаты, в то время как манометр Кнудсена при давлении выше 5 • 10^-2 мм рт. ст. показывает заниженные отсчеты и завышенные результаты при давлении ниже 5 10~² мм рт. ст. Манометр Мак-Леода дает правильные показания во всем диапазоне давлений. Нижняя кривая (см. фиг. 6) показывает, что давление в печной камере в течение всей плавки не превышает 10^-2 мм рт. ст. В среднем давление в печи составляет 5 — 10^-2 мм рт. ст.

Для решения вопроса о том, не является ли увеличение давления в процессе плавки следствием возгонки летучих компонентов (Mg, MgCl₂), необходимо знать соотношение между количеством газов, растворенных в металле, и парами летучих компонентов. Подсчеты показывают, что в зоне дуги содержание паров летучих компонентов тем больше, чем выше процентное содержание газов, выделяющихся из металла [2, 4].

Таким образом, истинное давление в печи при комнатной температуре должно быть в два раза больше давления конденсируемых газов, растворенных в металле, а с учетом температуры дуги — примерно в 5 раз, т. е. если в зоне дуги давление газа составляет 5 • 10“² мм рт. ст., то истинное давление (с учетом летучих компонентов), видимо, не превышает 5 • 10”¹ мм рт. ст. Эти данные позволяют примерно установить существующее давление в печи.

Так, например, для того чтобы в зоне дуги давление газов не превышало 5 • 10^-2 мм рт. ст., необходимо в камере печи иметь давление не более 10^-2 мм рт. ст. (для электрода и изложницы упомянутых размеров). Производительность и тип вакуумных насосов должны выбираться таким образом, чтобы обеспечить удаление выделяющихся газов при давлении не выше 10^-2 мм рт. ст. Для этой же цели рекомендуется применять масляные диффузионные эжекторные насосы типа KS фирмы «Консолидэйтид электродайнемикс корпорейшн» или высоковакуумные насосы типа воздуходувки Рута. Оба типа насосов используются в дуговых печах фирмы «Хераус» для раздельной или параллельной работы. О преимуществах параллельного включения можно судить по кривой скорости откачки, показанной на фиг. 7, откуда видно, что относительно высокой скорости откачки можно достичь при разрежении от 1 мм и до 5 • 10^-2 мм рт. ст. Преимущества применения воздуходувок Рута или одной воздуходувки, работающей параллельно с масляным диффузионным эжекторным насосом, будут рассмотрены ниже при обсуждении вопросов техники безопасности.