Лекция №26. Плазменный переплав

План:

1. Переплав сталей и железа

2. Переплав цветных металлов и сплавов

Основная цель всех процессов переплава - повысить чистоту металлов и сплавов (снизить содержание серы, фосфора, газовых примесей и неметаллических включений) и улучшить их физико-механические характеристики. Достигают этой цели в основном следующими средствами

4. воздействием на металл шлаков и газов, которые используются для проведения реакций десульфурации, дефосфорации и экстрактивной вытяжки из металла раст­воренных газов и неметаллических включений;

5. повышением температуры металла, которое приво­дит к интенсификации реакций раскисления растворенным углеродом и всплыванию неметаллических включений;

6. вакуумированием металла, приводящим к удале­нию растворенных газов и легкоплавких примесей и повы­шающим раскислительную способность углерода;

7. принудительной кристаллизацией в медных водо­охлаждаемых кристаллизаторах, что повышает плотность металла, улучшает макроструктуру, позволяет получать слиток без зональной ликвации газовых пузырей и усадоч­ных раковин.

Плазменно-дуговой переплав может осуществляться в двух вариантах — в вакууме и контролируемой газовой среде

Процессы переплава в плазменных печах по срав­нению с другими способами переплава обеспечивают более широкие возможности регулирования конечного содержания газов в металле. Применение водородной плазмы для снижения содержания кислорода имеет по сравнению с другими способами раскисления свои пре­имущества, заключающиеся в сохранении чистоты пе­реплавляемых металлов. Применение инертных плазмообразующих газов при низком парциальном давлении азотной, кислорода, водорода и водяного пара имеет с точки зрения термодинамических условий те же преи­мущества, что и применение вакуума с соответствую­щими парциальными давления.

Для сравнения возможностей дегазации на уста­новках плазменного переплава в сотрудничестве с Центром металлургических исследований в Льеже и фирмой Electrotherm были проведены сравнительные опыты.

При переплаве в плазменной печи с горизонталь­ным кристаллизатором был использован порошкооб­разный исходный материал без предварительной под­готовки. Переплав в плазменных печах с вертикальны­ми кристаллизаторами требовал предварительной подготовки — прессования с получением стержней и мно­гократной термической обработки. Для переплава в плазменной печи с горизонтальным кри­сталлизатором использовали в качестве плазмообра­зующего газа аргон чистотой 99,95%, для снижения содержания кислорода в переплавляемом железе в ра­бочее пространство печи подавали водород в количе­стве 10% (объемы.). Плавки в трехфазной плазменной печи вели только в атмосфере чистого аргона. Вакуум в плавильной камере электроннолучевой печи поддерживали на уровне 10^-2 – 10^-3 Па.

Из данных таблицы 16 видно, что уже после одного переплава порошкообразного железа в плазменной печи с горизонтальным кристаллизатором достигаются сравнительно низкие содержания газов. Несколько повышенное содержание водорода (1,3—4∙10^-4%) обусловлено применением восстановительной атмосферы. Снижение содержания водорода на один порядок возможно путем применения чистого аргона на конечном этапе переплава. За исключением содержания водорода, аналогичное содержание газов в трехфазной плазменной печи и электроннолучевой печи. На основе проведенных испытаний и анализа металлургических и экономических преимуществ были предложены промышленные установки для производства сплавов и специальных материалов.

Таблица 16 - Схема сравнительных процессов переплава в электроннолучевой печи, трехфазной плазменной печи и плазменной печи с анодом на расплавляемом материале (содержание примесей в исходном материале, 10~⁴ %: [О] 1755—1960, [,N] 57—60, [Н] 25,5, С 700, S 60)

Примечание. В скобках приведены результаты анализа примесей после двукратного переплава только в трехфазной плазменной печи.

В Научно-исследовательском институте качественных сталей (ЧСР) создана плазменно-дуговая печь, представ­ляющая собой: герметизированную камеру, в которую сверху вставлен плазматрон, а снизу вмонтирован водоохлаждаемый кристаллизатор (рис. 71). В этой печи получали слитки чистого железа, стали, хрома, ти­тана, ниобия и сплавов типа нимоник. Содержание кислорода в результате переплава снизилось в железе с 0,15 до 0,0025 %, в стали с 0,030 до 0,0029%. Слитки были одно­родны по составу, без внутренних и внешних дефектов, уменьшилось содержание неметаллических включений.

а - установка с дугой прямого действия: 1 — кристаллизатор; 2 — сопло плазменной горелки; 3 — вольфрамовый электрод; 4 — генератор по­стоянного тока; 5 — балластное сопротивление; б — установка с- дугой косвенного действия:

1 — кристаллизатор; 2 — плавильная камера; 3 — плазменная горелка; 4 —- уплотнение; у — держатель расходуемого электрода

Рисунок 71. Схема плазменной дуговой печи с кри­сталлизатором

На рисунке 72 приведены данные, характеризующие пластические свойства металла полученного плазменно-дуговым (ПДП) и вакуумным дуго­вым (ВДП) переплавом. В результате переплава маг­нитомягких сплавов в этой печи значительно возра­стают их магнитные свой­ства (в 1,5—2 раза), улуч­шается пластичность, су­щественно увеличивается технологическая пластич­ность и длительная про­чность жаропрочных сплавов (на 40—60%).

Рисунок 72. Влияние плазменно-дугового переплава

на пластические свойства металла

Известно, что небольшие количества примесей цветныхметаллов, например, олова, свинца, цинка или кадмия, снижают жаропрочность никелевых и никель- кобальтовых сплавов, легированных хромом, титаном и алюминием. Для удаления этих примесей' поверх­ность сплавов можно подвергать местному перегреву до температур, превышающих температуру кипения со­ответствующих вредных примесей. Так, для удаления свинца, температура кипения которого при атмосфер­ное давлении составляет 1750°С, достаточен кратко­временный -перегрев металла до температуры около 2000°С; тем не менее определенная степень очистки достигается и при температурах 1750—2000°С. Однако температу­ра местного перегрева не должна превышать температуры кипения сплава.

Если в сплаве содержатся при­меси, которые легче удалить оки­слением, чем выпариванием, то можно использовать установку, показанную на рис. 73, Элект­род 1 находится в двух концент­рических трубках 2 и 3. Инерт­ный газ подается через входное отверстие 4 и выходит через про­странство между электродом и трубкой 2 создавая защитную область, в которой испаряются примеси. Газ, насыщенный испа­рившимися примесями, отсасыва­ется в пространство между труб­ками 2 и 5 и выходит через отвер­стие 5. Нижняя часть электрода имеет форму конуса, благодаря чему снижается скорость отводимого газа и плазма не распространяется в пространство между тру­бами. С помощью электромагнитного перемешивания металлу придается такое движение, при котором он сна­чала движется вверх в пространство, защищаемое инерт­ным газом, где интенсивно испаряются примеси вследствие значительного местного перегрева под действием плазмы, а затем направляется в периферийные области ванны, где металл подвергается окислительному воздей­ствию атмосферы. В этой области происходит окисление других примесей с образованием шлака. Движение ме­талла и газа регулируется таким образом, чтобы шлак не попал в область плазменного нагрева.

По данным работы [1], для очистки металла от тугоплавких окислов можно использовать плазму из газообразных галогенов. Процесс можно вести в электроннолучевой печи следующим образом. Металл нагревают в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе потоком электронов. В электронный пучок вводят газ, молекулы которого ионизируются электронами. Газ в состоянии плазмы реагирует с окислами, которые в результате этого переходят в газообразные галоиды или окислы галогенов, непрерывно откачиваемые из плавильной камеры, в которой поддерживается оста­точное давление 0,1 Па. При этих условиях удаляются и другие летучие примеси

Рисунок 73. Схема установки фирмы Mond Niki для рафинирования никелевых спла­вов путем выпаривания и окисления

Для проверки результатов переплава в плазменной вакуумной печи был проведен переплав в кристаллиза­торе диаметром 50,8 мм. Мощность плазматрона соста­вила 28 кВт. При переплаве порошка подшипниковой стали скорость переплава составила 45,4 кг/ч. Таким же способом были получены слитки из чистого железа, меди, бериллия, алюминия, никеля, молибдена, тита­на и вольфрама. Переплав этих металлов вели при мощности около 10 кВт и остаточном давлении 0,5 Па. При использовании сравнительно чистых исходных ма­териалов в ходе переплава удалось понизить содержа­ния водорода, кислорода и в меньшей степени азота. В некоторых случаях снижалось и содержание углерода. Достигнутые содержания газов и углерода в различных металлах, подвергнутых плазменному переплаву, при­ведены в таблице 17.

Таблица 17 - Содержания газов и углерода после переплава в вакуумной плазменной печи (вакуум П3,3 Па)

Примечание. Верхняя строка – до переплава, нижняя – после переплава.

Изучение плазменно-дугового переплава шарикопод­шипниковой стали ШХ15, показало, что при значительной интенсифи­кации процесса удаления неметаллических примесей со­став стали по основным легирующим компонентам практи­чески не меняется (табл. 18).

Таблица 18 - Химический состав и содержаний неметаллических включений (НВ), %, в стали ШХ15 после плазменно-дугового (ПДП) и вакуумного дугового (ВДП) переплава

Поверхность слитка получается ровной, не требующей механической обработки, что обеспечивается высокой стабильностью электрического режима.

Контрольные вопросы

1. За счет чего повышается чистота металлов и сплавов.

2. Схема плазменной печи с кристаллизатором

3. Рафинирование никелевых сплавов в плазме.

Литература

1. С.С. Набойченко, Н.Г. Агеев, А.П. Дорошкевич, В.П. Жуков, Е.И. Елисеев, С.В. Карелов, А.Б. Лебедь, С.В. Мамяченков. Процессы и аппараты цветной металлургии С.С. Учебник для вузов. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. - 700 с.

2. Краснов А.Н., Шаривкер С.Ю., Зильберберг В.Г. Низкотемпературная плазма в металлургии. М., "Металлургия", 1970. – 242с.

3. Дембовский В. Плазменная металлургия.- М.: Металлургия. 1981. -280с.