Электрическая дуговая печь: принцип работы, история и применение.

Введение

Тип печи

Электродуговая печь (EAF) – это печь, нагревающая материал посредством электрической дуги. Промышленные электродуговые печи варьируются в размерах от небольших установок емкостью около одной тонны (используемых в литейных цехах для производства чугунных изделий) до примерно 400 тонн, применяемых для вторичной металлургической переработки стали. Электродуговые печи, используемые в исследовательских лабораториях и стоматологических клиниках, могут иметь емкость всего в несколько десятков граммов. Температура в промышленных электродуговых печах может достигать , а в лабораторных установках может превышать . В электродуговых печах загружаемый материал (материал, помещаемый в печь для нагрева, не следует путать с электрическим зарядом) непосредственно подвергается воздействию электрической дуги, и ток от электродов проходит через загружаемый материал. Электродуговые печи отличаются от индукционных печей, в которых нагрев заряда происходит за счет вихревых токов.

История

В XIX веке ряд исследователей использовали электрическую дугу для плавления железа. Сэр Хамфри Дэви продемонстрировал это экспериментально в 1810 году, Пеппис изучал сварку в 1815 году, Пиншон пытался создать электротермическую печь в 1853 году, а в 1878–79 годах сэр Уильям Сименс запатентовал электрические печи дугового типа. Первая успешная и функционирующая печь была изобретена Джеймсом Берджессом Ридманом в Эдинбурге, Шотландия, в 1888 году и запатентована в 1889 году. Она предназначалась специально для производства фосфора. Дальнейшие разработки электрических дуговых печей принадлежат Полю Эруолу из Франции, а в 1907 году было построено коммерческое предприятие в Соединенных Штатах. Братья Сандерсон основали компанию Sanderson Brothers Steel Co. в Сиракузе, штат Нью-Йорк, и установили первую в США электрическую дуговую печь. Эта печь сейчас экспонируется на Стейшн-сквер в Питтсбурге, штат Пенсильвания. Изначально "электрическая сталь", производимая в электрической дуговой печи, была специализированным продуктом, используемым для изготовления, например, станков и пружинной стали. Дуговые печи также применялись для получения карбида кальция, необходимого для карбидных ламп. Электрическая печь Стассано – это печь дугового типа, которая обычно вращается для перемешивания расплава. Печь Жиро аналогична печи Эруола. Хотя EAF широко использовались во время Второй мировой войны для производства легированных сталей, расширение производства электрической стали началось лишь позднее. Низкая капиталоемкость мини-заводов – около 140–200 долларов США за тонну годовой установленной мощности по сравнению с 1000 долларов США за тонну годовой установленной мощности для интегрированного металлургического комбината – позволила быстро строить заводы в разрушенной войной Европе, а также успешно конкурировать с крупными американскими сталелитейными компаниями, такими как Bethlehem Steel и U.S. Steel, за недорогие "длинные продукты" из углеродистой стали (конструкционная сталь, сортовой прокат, проволока и крепеж) на рынке США. Когда Nucor – ныне один из крупнейших производителей стали в США – вышла на рынок длинных стальных изделий в 1969 году, она использовала мини-завод с EAF в качестве сталеплавильной печи, за ней вскоре последовали и другие производители. В то время как Nucor быстро расширялась в восточной части США, компании, последовавшие за ней в области мини-заводов, сосредоточились на местных рынках длинных продуктов, где EAF позволяла заводам варьировать производство в соответствии с местным спросом. Эта модель была распространена во всем мире: производство стали с использованием EAF в основном предназначалось для длинных продуктов, в то время как интегрированные заводы, использующие доменные и кислородно-конвертерные печи, доминировали на рынках "плоских продуктов" – листовой стали и толстого листа. В 1987 году Nucor вышла на рынок плоских продуктов, продолжая использовать метод производства EAF.

In the 19th century, a number of people had employed an electric arc to melt iron. Sir Humphry Davy conducted an experimental demonstration in 1810; welding was investigated by Pepys in 1815; Pinchon attempted to create an electrothermic furnace in 1853; and, in 1878–79, Sir William Siemens took out patents for electric furnaces of the arc type. The first successful and operational furnace was invented by James Burgess Readman in Edinburgh, Scotland, in 1888 and patented in 1889. This was specifically for the creation of phosphorus. Further electric arc furnaces were developed by Paul Héroult, of France, with a commercial plant established in the United States in 1907. The Sanderson brothers formed The Sanderson Brothers Steel Co. in Syracuse, New York, installing the first electric arc furnace in the U. S. This furnace is now on display at Station Square, Pittsburgh, Pennsylvania. Initially "electric steel" produced by an electric arc furnace was a specialty product for such uses as machine tools and spring steel. Arc furnaces were also used to prepare calcium carbide for use in carbide lamps. The Stassano electric furnace is an arc type furnace that usually rotates to mix the bath. The Girod furnace is similar to the Héroult furnace. While EAFs were widely used in World War II for production of alloy steels, it was only later that electric steelmaking began to expand. The low capital cost for a mini mill—around US$140–200 per ton of annual installed capacity, compared with US$1,000 per ton of annual installed capacity for an integrated steel mill—allowed mills to be quickly established in war ravaged Europe, and also allowed them to successfully compete with the big United States steelmakers, such as Bethlehem Steel and U. S. Steel, for low cost, carbon steel "long products" (structural steel, rod and bar, wire, and fasteners) in the U. S. market. When Nucor—now one of the largest steel producers in the US — entered the market for long steel products in 1969, they used a mini mill with an EAF as its steelmaking furnace, soon followed by other manufacturers. While Nucor expanded rapidly in the Eastern US, the companies that followed them into mini mill operations concentrated on local markets for long products, where the EAF allowed the plants to vary production according to local demand. This pattern was followed globally, with EAF steel production primarily used for long products, while integrated mills, using blast furnaces and basic oxygen furnaces, cornered the markets for "flat products"—sheet steel and heavier steel plate. In 1987, Nucor expanded into the flat products market, still using the EAF production method.

Плотность энергии

Для производства тонны стали в электрической дуговой печи требуется приблизительно 400 киловатт-часов (1,44 гигаджоуля) на короткую тонну или около 440 кВт-ч (1,6 ГДж) на тонну. Теоретический минимум энергии, необходимый для плавления тонны стального лома, составляет 300 кВт-ч (1,09 ГДж) (температура плавления). Следовательно, 300-тонная EAF мощностью 300 МВА потребует около 132 МВт-ч энергии для плавления стали и приблизительно 37 минут времени работы дуги (время, в течение которого сталь плавится электрической дугой). Электродуговая сталеплавильная технология экономически целесообразна только при наличии обильного и надежного электроснабжения, а также хорошо развитой электросети. На многих предприятиях плавка осуществляется в периоды минимальной нагрузки, когда у энергоснабжающих компаний есть избыточные генерирующие мощности и более низкие тарифы на электроэнергию. Это значительно выгоднее, чем среднее энергопотребление при мировом производстве стали всеми способами, которое оценивается примерно в 5555 кВт-ч (20 ГДж) на тонну (1 гигаджоуль равен приблизительно 270 кВт-ч).

Операция

Металлолом подается в отвалочную площадку, расположенную рядом с плавильным цехом. Обычно лом поступает двух основных марок: измельченный (бытовая техника, автомобили и другие изделия из аналогичной тонколистовой стали) и крупнокусковой лом (большие плиты и балки), а также некоторое количество прямовосстановленного железа (DRI) или чугуна для обеспечения химического баланса. Некоторые печи переплавляют почти 100% DRI. Лом загружается в большие ковши, называемые корзинами, с дверями типа "раковины". При загрузке лома в корзину соблюдается слоистость для обеспечения оптимальной работы печи: крупнокусковой лом укладывается поверх тонкого защитного слоя измельченного лома, на который затем добавляется еще измельченный лом. Эти слои должны присутствовать в печи после загрузки. После загрузки корзина может быть направлена в предварительный подогреватель, использующий отходящие газы печи для нагрева лома и рекуперации энергии, повышая эффективность установки. Затем корзина с ломом доставляется в плавильный цех, крыша печи отводится в сторону, и лом из корзины загружается в печь. Загрузка лома – одна из наиболее опасных операций для операторов ДСП (электродуговых печей). Падение тонн металла высвобождает значительную потенциальную энергию; любой жидкий металл в печи часто вытесняется вверх и наружу твердым ломом, а жир и пыль на ломе воспламеняются, если печь горячая, что приводит к выбросу огненного шара. В некоторых двухкорпусных печах лом загружается во второй корпус, пока первый расплавляется, и предварительно нагревается отходящими газами из активного корпуса. Другие операции включают непрерывную загрузку – предварительный нагрев лома на конвейере, который затем выгружает лом непосредственно в печь, или загрузку лома из шахты, расположенной над печью, с направлением отходящих газов через шахту. В другие печи можно загружать горячий (расплавленный) металл из других процессов. После загрузки крыша возвращается на место над печью, и начинается плавка. Электроды опускаются на лом, поджигается дуга, а затем электроды устанавливаются для проплавления верхнего слоя измельченного лома. На этой первой стадии операции выбираются более низкие напряжения для защиты крыши и стенок от чрезмерного нагрева и повреждений от дуги. После того, как электроды достигнут крупнокускового лома в основании печи и дуги защищены ломом, напряжение можно увеличить и немного поднять электроды, удлинив дуги и увеличив мощность плавления. Это позволяет быстрее сформировать расплавленный бассейн, сокращая время между разливками. Кислород продувается в лом, сжигая или разрезая сталь, а дополнительное химическое тепло обеспечивается кислородно-топливными горелками, установленными на стенках. Оба процесса ускоряют плавление лома. Сверхзвуковые сопла позволяют струям кислорода проникать через пенообразующуюся шлаку и достигать жидкой ванны. Важной частью сталеплавильного процесса является образование шлака, который плавает на поверхности расплавленной стали. Шлак обычно состоит из оксидов металлов и служит местом для окисленных примесей, теплоизоляционным слоем (предотвращающим чрезмерные теплопотери) и помогает снизить эрозию огнеупорной футеровки. Для печей с основным типом огнеупорной футеровки, включая большинство печей для производства углеродистой стали, обычными шлакообразователями являются оксид кальция (CaO, в виде негашеной извести) и оксид магния (MgO, в виде доломита и магнезита). Эти шлакообразователи либо загружаются вместе с ломом, либо продуваются в печь во время плавки. Еще одним важным компонентом шлака ДСП является оксид железа, образующийся при сгорании стали с вдуваемым кислородом. Позже в процессе нагрева в этот слой шлака вводится углерод (в виде кокса или угля), который реагирует с оксидом железа, образуя металлическое железо и монооксид углерода, что приводит к пенообразованию шлака, повышая тепловую эффективность, а также устойчивость и электрическую эффективность дуги. Шлаковый слой также покрывает дуги, предотвращая повреждение крыши и боковых стенок печи от теплового излучения. После расплавления первоначальной загрузки лома в печь можно загрузить еще один ковш лома, хотя развитие ДСП направлено на конструкции с однократной загрузкой. Процесс загрузки и плавления лома может повторяться столько раз, сколько необходимо для достижения требуемого веса расплава – количество загрузок зависит от плотности лома; лом с меньшей плотностью требует большего количества загрузок. После того, как все загрузки лома полностью расплавлены, проводятся операции рафинирования для проверки и корректировки химического состава стали и перегрева расплава выше температуры застывания в подготовку к разливке. Добавляются дополнительные шлакообразователи и продувается больше кислорода, выжигая примеси, такие как кремний, сера, фосфор, алюминий, марганец и кальций, и удаляя их оксиды в шлак. Удаление углерода происходит после выгорания этих элементов, поскольку у них более высокая аффинность к кислороду. Металлы с меньшей аффинностью к кислороду, чем у железа, такие как никель и медь, не могут быть удалены окислением и должны контролироваться только химическим составом лома, например, путем добавления прямовосстановленного железа и чугуна, упомянутых ранее. На протяжении всего процесса поддерживается пенообразующаяся шлака, которая часто переливается через печь и вытекает через шлаковую дверь в шлаковую яму. Отбор проб температуры и химический анализ проводятся с помощью автоматических копировальных устройств. Кислород и углерод могут быть автоматически измерены с помощью специальных датчиков, погружаемых в сталь, но для всех остальных элементов анализируется "холодный" образец – небольшой затвердевший образец стали – на спектрометре эмиссионного анализа. После достижения правильной температуры и химического состава сталь разливается в предварительно нагретый ковш путем наклона печи. Для печей для производства обычной углеродистой стали, как только при разливке обнаруживается шлак, печь быстро наклоняется обратно к стороне удаления шлака, минимизируя его попадание в ковш. Для некоторых специальных марок стали, включая нержавеющую сталь, шлак также заливается в ковш для обработки на ковшовой печи с целью извлечения ценных легирующих элементов. Во время разливки в металлическую струю добавляются некоторые легирующие добавки, а на поверхность ковша добавляются дополнительные флюсы, такие как известь, для начала формирования нового шлакового слоя. Часто в печи остается несколько тонн жидкой стали и шлака для образования "горячей пятки", которая помогает предварительно нагреть следующую загрузку лома и ускорить его плавление. Во время и после разливки печь "переворачивается": шлаковая дверь очищается от затвердевшего шлака, видимая огнеупорная футеровка проверяется, а компоненты водяного охлаждения проверяются на наличие утечек, и электроды проверяются на наличие повреждений или удлиняются путем добавления новых сегментов. После завершения разливки отверстие для разливки заполняется песком. Для 90-тонной печи средней мощности весь процесс обычно занимает около 60–70 минут от разливки одной плавки до разливки следующей (время от разливки до разливки). Печь полностью очищается от стали и шлака на регулярной основе, чтобы можно было провести осмотр огнеупорной футеровки и при необходимости выполнить более крупный ремонт. Поскольку огнеупорная футеровка часто изготавливается из кальцинированных карбонатов, она чрезвычайно восприимчива к гидратации от воды, поэтому любые подозрения на утечку из компонентов водяного охлаждения рассматриваются с особой серьезностью, помимо непосредственной обеспокоенности потенциальными взрывами пара. Чрезмерный износ огнеупорной футеровки может привести к прорывам, когда жидкий металл и шлак проникают в огнеупорную футеровку и корпус печи и вытекают в окружающую среду.

Scrap metal is delivered to a scrap bay, located next to the melt shop. Scrap generally comes in two main grades: shred (whitegoods, cars and other objects made of similar light gauge steel) and heavy melt (large slabs and beams), along with some direct reduced iron (DRI) or pig iron for chemical balance. Some furnaces melt almost 100% DRI. The scrap is loaded into large buckets called baskets, with "clamshell" doors for a base. Care is taken to layer the scrap in the basket to ensure good furnace operation; heavy melt is placed on top of a light layer of protective shred, on top of which is placed more shred. These layers should be present in the furnace after charging. After loading, the basket may pass to a scrap pre heater, which uses hot furnace off gases to heat the scrap and recover energy, increasing plant efficiency. The scrap basket is then taken to the melt shop, the roof is swung off the furnace, and the furnace is charged with scrap from the basket. Charging is one of the more dangerous operations for the EAF operators. A lot of potential energy is released by the tonnes of falling metal; any liquid metal in the furnace is often displaced upwards and outwards by the solid scrap, and the grease and dust on the scrap is ignited if the furnace is hot, resulting in a fireball erupting. In some twin shell furnaces, the scrap is charged into the second shell while the first is being melted down, and pre heated with off gas from the active shell. Other operations are continuous charging—pre heating scrap on a conveyor belt, which then discharges the scrap into the furnace proper, or charging the scrap from a shaft set above the furnace, with off gases directed through the shaft. Other furnaces can be charged with hot (molten) metal from other operations. After charging, the roof is swung back over the furnace and meltdown commences. The electrodes are lowered onto the scrap, an arc is struck and the electrodes are then set to bore into the layer of shred at the top of the furnace. Lower voltages are selected for this first part of the operation to protect the roof and walls from excessive heat and damage from the arcs. Once the electrodes have reached the heavy melt at the base of the furnace and the arcs are shielded by the scrap, the voltage can be increased and the electrodes raised slightly, lengthening the arcs and increasing power to the melt. This enables a molten pool to form more rapidly, reducing tap to tap times. Oxygen is blown into the scrap, combusting or cutting the steel, and extra chemical heat is provided by wall mounted oxygen fuel burners. Both processes accelerate scrap meltdown. Supersonic nozzles enable oxygen jets to penetrate foaming slag and reach the liquid bath. An important part of steelmaking is the formation of slag, which floats on the surface of the molten steel. Slag usually consists of metal oxides, and acts as a destination for oxidised impurities, as a thermal blanket (stopping excessive heat loss) and helping to reduce erosion of the refractory lining. For a furnace with basic refractories, which includes most carbon steel producing furnaces, the usual slag formers are calcium oxide (CaO, in the form of burnt lime) and magnesium oxide (MgO, in the form of dolomite and magnesite). These slag formers are either charged with the scrap, or blown into the furnace during meltdown. Another major component of EAF slag is iron oxide from steel combusting with the injected oxygen. Later in the heat, carbon (in the form of coke or coal) is injected into this slag layer, reacting with the iron oxide to form metallic iron and carbon monoxide gas, which then causes the slag to foam, allowing greater thermal efficiency, and better arc stability and electrical efficiency. The slag blanket also covers the arcs, preventing damage to the furnace roof and sidewalls from radiant heat. Once the initial scrap charge has been melted down, another bucket of scrap can be charged into the furnace, although EAF development is moving towards single charge designs. The scrap charging and meltdown process can be repeated as many times as necessary to reach the required heat weight the number of charges is dependent on the density of scrap; lower density scrap means more charges. After all scrap charges have completely melted, refining operations take place to check and correct the steel chemistry and superheat the melt above its freezing temperature in preparation for tapping. More slag formers are introduced and more oxygen is blown into the bath, burning out impurities such as silicon, sulfur, phosphorus, aluminium, manganese, and calcium, and removing their oxides to the slag. Removal of carbon takes place after these elements have burnt out first, as they have a greater affinity for oxygen. Metals that have a poorer affinity for oxygen than iron, such as nickel and copper, cannot be removed through oxidation and must be controlled through scrap chemistry alone, such as introducing the direct reduced iron and pig iron mentioned earlier. A foaming slag is maintained throughout, and often overflows the furnace to pour out of the slag door into the slag pit. Temperature sampling and chemical sampling take place via automatic lances. Oxygen and carbon can be automatically measured via special probes that dip into the steel, but for all other elements, a "chill" sample — a small, solidified sample of the steel — is analysed on an arc emission spectrometer. Once the temperature and chemistry are correct, the steel is tapped out into a preheated ladle through tilting the furnace. For plain carbon steel furnaces, as soon as slag is detected during tapping the furnace is rapidly tilted back towards the deslagging side, minimising slag carryover into the ladle. For some special steel grades, including stainless steel, the slag is poured into the ladle as well, to be treated at the ladle furnace to recover valuable alloying elements. During tapping some alloy additions are introduced into the metal stream, and more fluxes such as lime are added on top of the ladle to begin building a new slag layer. Often, a few tonnes of liquid steel and slag is left in the furnace in order to form a "hot heel", which helps preheat the next charge of scrap and accelerate its meltdown. During and after tapping, the furnace is "turned around": the slag door is cleaned of solidified slag, the visible refractories are inspected and water cooled components checked for leaks, and electrodes are inspected for damage or lengthened through the addition of new segments. The taphole is filled with sand at the completion of tapping. For a 90 tonne, medium power furnace, the whole process will usually take about 60–70 minutes from the tapping of one heat to the tapping of the next (the tap to tap time). The furnace is completely emptied of steel and slag on a regular basis so that an inspection of the refractories can be made and larger repairs made if necessary. As the refractories are often made from calcined carbonates, they are extremely susceptible to hydration from water, so any suspected leaks from water cooled components are treated extremely seriously, beyond the immediate concern of potential steam explosions. Excessive refractory wear can lead to breakouts, where the liquid metal and slag penetrate the refractory and furnace shell and escape into the surrounding areas.

Преимущества для сталелитейной промышленности

Использование электродуговых печей (ЭДП) позволяет выплавлять сталь из 100% металлолома. Это значительно снижает энергозатраты на производство стали по сравнению с первичным производством стали из руды. Другим преимуществом является гибкость: в то время как доменные печи не могут существенно изменять объемы производства и могут работать непрерывно в течение многих лет, ЭДП можно быстро запускать и останавливать, что позволяет сталелитейному заводу адаптировать производство к текущему спросу. Хотя в сталелитейных электродуговых печах в качестве основного сырья обычно используется стальной лом, при экономической целесообразности также возможно использование чугуна из доменной печи или железа прямого восстановления в качестве загрузки печи. Поскольку ЭДП требуют значительного количества электроэнергии, многие компании планируют свою работу с учетом тарифов на электроэнергию в периоды низкой нагрузки. Типичная сталелитейная электродуговая печь является источником стали для мини-завода, который может производить сортовой или листовой прокат. Мини-заводы могут располагаться относительно недалеко от рынков сбыта стальной продукции, что снижает транспортные расходы по сравнению с крупными интегрированными заводами, которые обычно строятся вблизи портов для обеспечения доступа к морским перевозкам. Производство стали в электродуговых печах приводит к снижению выбросов углекислого газа примерно до 0,6 тонны CO2 на тонну стали, что значительно меньше, чем при традиционном способе производства с использованием доменных и кислородно-конвертерных печей.

Другие электрокулочные печи

Для производства стали используются дуговые печи постоянного тока (DC) с одним электродом в своде и возвратом тока через проводящую футеровку дна или проводящие штифты в основании. Преимущество постоянного тока заключается в меньшем расходе электродов на тонну стали, поскольку используется только один электрод, а также в снижении количества электрических гармоник и других подобных проблем. Размер дуговых печей постоянного тока ограничен токопроводящей способностью доступных электродов и максимально допустимым напряжением. Обслуживание проводящего очага печи является узким местом при длительной эксплуатации дуговой печи постоянного тока. На сталелитейном заводе используется лотковая печь (LF) для поддержания температуры жидкой стали в процессе обработки после выпуска из электродуговой печи (EAF) или для изменения химического состава сплава. Лотковая печь используется в первую очередь, когда в процессе производства стали возникает задержка. Лотковая печь состоит из огнеупорного свода, системы нагрева и, при необходимости, устройства для подачи аргона в расплав для перемешивания. В отличие от печи для переплава лома, лотковая печь не имеет механизма наклона или загрузки лома. Электрические дуговые печи также используются для производства карбида кальция, ферросплавов и других цветных сплавов, а также для производства фосфора. Печи для этих целей физически отличаются от сталеплавильных печей и могут работать в непрерывном, а не в периодическом режиме. В печах непрерывного действия также могут использоваться пастообразные электроды Søderberg для предотвращения перерывов, связанных со сменой электродов. Такая печь известна как печь с подводной дугой, поскольку концы электродов погружены в шлак/заряд, а дуга возникает через шлак между штейном и электродом. Корпус и ребра корпуса электрода расплавляют электродную пасту за счет электрического тока, проходящего через корпус электрода, и тепла, выделяемого печью.

Плазменная дуговая печь

Плазменная дуговая печь (ПАФ) использует плазменные горелки вместо графитовых электродов. Каждая из этих горелок имеет корпус с соплом и осевой трубкой для подачи плазмообразующего газа (либо азота, либо аргона) и сгорающий цилиндрический графитовый электрод внутри трубки. Такие печи также называют печами для плавки дугой (PAM); они широко применяются в титановой металлургии и других отраслях, специализирующихся на производстве специальных металлов.

Переплавление под вакуумной дугой

Вакуумная дуговая переплавка (ВАР) – вторичный процесс переплавки для вакуумной очистки и производства слитков с улучшенной химической и механической однородностью. В критически важных военных и коммерческих аэрокосмических применениях материаловеды часто указывают стали VIM VAR. VIM означает вакуумная индукционная плавка, а VAR – вакуумная дуговая переплавка. Стали VIM VAR используются для изготовления подшипников для реактивных двигателей, валов роторов военных вертолетов, приводов закрылков для истребителей, зубчатых передач в реактивных или вертолетных трансмиссиях, кронштейнов или крепежных элементов для реактивных двигателей, хвостовых крюков самолетов и других ответственных деталей. Большинство марок стали переплавляются один раз, а затем отливаются в твердую форму перед интенсивной ковкой или прокатной обработкой для получения металлургически безупречной структуры. В отличие от этого, стали VIM VAR проходят через два дополнительных этапа высокоочищающей плавки в вакууме. После плавки в электродуговой печи и легирования в конвертере для декарбонизации аргоном-кислородом, стали, предназначенные для вакуумной переплавки, заливаются в формы для слитков. Затем затвердевшие слитки направляются в вакуумную индукционную печь. Этот процесс вакуумной переплавки избавляет сталь от включений и нежелательных газов, оптимизируя химический состав. Операция VIM возвращает эти твердые слитки в расплавленное состояние в беззагрязненной среде вакуума. Этот тщательно контролируемый процесс плавления часто занимает до 24 часов. Все еще находясь под вакуумом, расплавленный металл перетекает из тигля VIM-печи в гигантские формы для электродов. Типичный электрод имеет высоту около 5 метров и различный диаметр. Электроды затвердевают в вакууме. Для сталей VIM VAR поверхность охлажденных электродов должна быть отшлифована для удаления поверхностных неровностей и примесей перед следующей вакуумной переплавкой. Затем отшлифованный электрод помещается в ВАР-печь. В ВАР-печи сталь постепенно плавится капля за каплей в вакуумной герметичной камере. Вакуумная дуговая переплавка дополнительно удаляет остаточные включения, обеспечивая превосходную чистоту стали и удаляя газы, такие как кислород, азот и водород. Контроль скорости образования и затвердевания этих капель обеспечивает однородность химического состава и микроструктуры по всему объему слитка VIM VAR, что делает сталь более устойчивой к разрушению или усталости. Этот процесс усовершенствования необходим для соответствия эксплуатационным характеристикам деталей, таких как вал ротора вертолета, привод закрылка военного самолета или подшипник реактивного двигателя. Для некоторых коммерческих или военных применений стальные сплавы могут проходить только через один этап вакуумной переплавки, а именно ВАР. Например, стали для корпусов твердотопливных ракет, шасси или торсионных валов боевых машин обычно подвергаются одной вакуумной переплавке. Вакуумная дуговая переплавка также используется в производстве титана и других реактивных металлов, а также металлов, требующих высокой чистоты.

Vacuum arc remelting (VAR) is a secondary remelting process for vacuum refining and manufacturing of ingots with improved chemical and mechanical homogeneity. In critical military and commercial aerospace applications, material engineers commonly specify VIM VAR steels. VIM means vacuum induction melted and VAR means vacuum arc remelted. VIM VAR steels become bearings for jet engines, rotor shafts for military helicopters, flap actuators for fighter jets, gears in jet or helicopter transmissions, mounts or fasteners for jet engines, jet tail hooks and other demanding applications. Most grades of steel are melted once and are then cast or teemed into a solid form prior to extensive forging or rolling to a metallurgically sound form. In contrast, VIM VAR steels go through two more highly purifying melts under vacuum. After melting in an electric arc furnace and alloying in an argon oxygen decarburization vessel, steels destined for vacuum remelting are cast into ingot molds. The solidified ingots then head for a vacuum induction melting furnace. This vacuum remelting process rids the steel of inclusions and unwanted gases while optimizing the chemical composition. The VIM operation returns these solid ingots to the molten state in the contaminant free void of a vacuum. This tightly controlled melt often requires up to 24 hours. Still enveloped by the vacuum, the hot metal flows from the VIM furnace crucible into giant electrode molds. A typical electrode is about 15 feet (5 m) tall and will be in various diameters. The electrodes solidify under vacuum. For VIM VAR steels, the surface of the cooled electrodes must be ground to remove surface irregularities and impurities before the next vacuum remelt. Then the ground electrode is placed in a VAR furnace. In a VAR furnace, the steel gradually melts drop by drop in the vacuum sealed chamber. Vacuum arc remelting further removes lingering inclusions to provide superior steel cleanliness and remove gases like oxygen, nitrogen and hydrogen. Controlling the rate at which these droplets form and solidify ensures a consistency of chemistry and microstructure throughout the entire VIM VAR ingot, making the steel more resistant to fracture or fatigue. This refinement process is essential to meet the performance characteristics of parts like a helicopter rotor shaft, a flap actuator on a military jet, or a bearing in a jet engine. For some commercial or military applications, steel alloys may go through only one vacuum remelt, namely the VAR. For example, steels for solid rocket cases, landing gears, or torsion bars for fighting vehicles typically involve one vacuum remelt. Vacuum arc remelting is also used in production of titanium and other metals which are reactive or in which high purity is required.