Funktionsprinzipien und Merkmale des Vakuum-Lichtbogenofens (VAR)

Funktionsweise und Merkmale des Vakuum-Verbrauchselektroden-Lichtbogenofens (VAR)

Die Welt’s erste Vakuum-Verbrauchselektroden-Lichtbogenofen (VAR) wurde 1950 in den Vereinigten Staaten eingeführt. Diese Art von Elektroofen nutzt elektrische Lichtbogenenergie, um Metalle in einer Vakuumkammer zu schmelzen. Er wird hauptsächlich zum Schmelzen von reaktiven und hochschmelzenden Metallen wie Titan, Zirkonium und Molybdän sowie zur Herstellung von hitzebeständigen Stählen, rostfreien Stählen, Werkzeugstählen und Lagerstählen eingesetzt. Seit seiner frühen Anwendung in den 1950er Jahren zum Umschmelzen von Superlegierungen hat das VAR-Verfahren eine hervorragende Leistung gezeigt und sich als entscheidende Methode zum Umschmelzen von Hochtemperaturlegierungen und Spezialstählen etabliert.

1. Funktionsprinzip des VAR-Ofens

Während des Betriebs bilden sich geschmolzene Tropfen am unteren Ende einer Verbrauchselektrode und fallen in ein Schmelzbad. Während dieses Tropfenbildungs- und -übertragungsprozesses finden spezifische physikalische und chemische Reaktionen statt, die die Entfernung bestimmter gasförmiger Verunreinigungen ermöglichen. Ein Hauptmerkmal des VAR ist, dass das Schmelzen in einem wassergekühlten Kupfertiegel (Kristallisator) stattfindet. Diese Konstruktion eliminiert Verunreinigungen, die durch Wechselwirkungen zwischen dem geschmolzenen Metall und feuerfesten Auskleidungen entstehen können. Gleichzeitig erstarrt das geschmolzene Metall unter intensiver Wasserkühlung, was zu einem gleichmäßigen, dichten Block ohne Schwindungsporosität führt.

Das VAR-Verfahren wird mit einem Gleichstrom (DC)-Lichtbogen durchgeführt, der bei niedriger Spannung und hohem Strom betrieben wird. Ein Lichtbogen wird zunächst zwischen der Spitze der Verbrauchselektrode und der Basis des Tiegels gezündet, wodurch eine Hochtemperatur-Lichtbogenplasmazone zwischen der Elektrode und dem Schmelzbad entsteht. Diese extreme Hitze schmilzt die Elektrodenspitze. Nichtmetallische Einschlüsse innerhalb der Elektrode, wie Oxide und Nitride, werden entweder unter der kombinierten Wirkung von Vakuum und hoher Temperatur dissoziiert oder reduziert, wodurch eine weitere Reinigung erreicht wird.

Da das VAR-Verfahren Gase, nichtmetallische Einschlüsse und bestimmte schädliche Verunreinigungen mit niedrigem Schmelzpunkt effektiv entfernt, weisen die resultierenden Materialien eine deutlich verbesserte Warm- und Kaltverformbarkeit, Plastizität, mechanische Eigenschaften und physikalische Eigenschaften auf. Insbesondere wird die Anisotropie (Unterschied zwischen Längs- und Quereigenschaften) reduziert, was für die Gewährleistung der Stabilität, Konsistenz und Zuverlässigkeit der Materialleistung entscheidend ist.

2. Hauptmerkmale des VAR-Verfahrens

Zusammenfassend bietet der Vakuum-Verbrauchselektroden-Lichtbogenofen folgende Vorteile:

(1) Hochreines Schmelzen: Der Prozess findet unter Vakuum ohne Schlacke oder Fremdmaterialien zwischen der Elektrode und dem erstarrenden Block statt, wodurch Verunreinigungen während des Umschmelzens verhindert werden.

(2) Effektive Entgasung: Das geschmolzene Metall ist direkt dem Vakuum ausgesetzt, was eine hervorragende Entfernung von Gasen wie Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff ermöglicht.

(3) Einschlusskontrolle: Nichtmetallische Einschlüsse neigen aufgrund ihrer geringeren Dichte dazu, an die Oberfläche des Schmelzbades zu schwimmen, was zu einer sehr reinen inneren Blockstruktur beiträgt.

(4) Schnelle Erstarrung: Die Verwendung eines wassergekühlten KupferTiegels gewährleistet sehr schnelle Abkühlraten, was zu einer gleichmäßigen Blockstruktur mit minimaler Segregation führt.

(5) Legierungsflexibilität: Die Vakuumumgebung ermöglicht die Zugabe erheblicher Mengen an Legierungselementen, was die Herstellung von hochwertigen legierten Stählen erleichtert.

(6) Erhöhte Produktivität: Kurze Abstichzeiten tragen zu einer höheren Geräteproduktivität und reduzierten Produktionskosten bei.

Derzeit sind VAR-Öfen mit Kapazitäten von 15 bis 200 Tonnen erhältlich. Prozesse wie Erhitzen, Entgasen und Legierungsanpassung werden kontinuierlich unter Vakuum durchgeführt. Das vollständig geschlossene Design, oft in Verbindung mit Dampfstrahl-Vakuumpumpen, bietet einen sauberen Schmelzbetrieb ohne Umweltverschmutzung. 

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