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)

Тип печи	Особенность процесса	Технологическая операция	Анализ содержания примесей,10-4%
[O]	[N]	[H]	C	S
Электроннолучевая	Переплав подготовленного стержня в кристаллизаторе (вакуум 10-2-10-3)	Подготовка шихты для переплава в электроннолучевой и трехфазной плазменной печи Прессование исходного порошкообразного железа (усиление прессования 442 МПа) Отжиг в атмосфере водорода при 650̊С в течение 24 ч. Отжиг в вакууме при 1200̊С 2 ч. Отжиг в атмосфере водорода при 1100̊С в течение 24 ч. Отжиг в вакууме при 1200̊С в течении 12ч	Однократный переплав 42-49 7-8 0,13 210-220 7-10     Двукратный переплав 24-25 5-6 0,10 160-170 5
Трехфазная плазменная	Переплав подготовленного стержня в кристаллизаторе (чистый аргон)	Однократный переплав 174-186 54 0,26 40-50 10-15   Двукратный состав 91-98 45-47 0,41 90-100 10-15 (18-21) (26-27) (0,37) (100-105) (10)
Плазменная с анодом на расплавляемом материале	Прямой переплав порошкообразного материала в желобчатом кристаллизаторе [аргон+10% (объемн) водорода]	Прямой переплав исходного порошкообразного материала в желобчатом кристаллизаторе при двукратном прохождении зоны плавления в противоположных направлениях со скоростью 5см/мин. Общая длительность переплава, включая подготовку, загрузку и охлаждения материала, 2ч 30мин	12-68 11-14 1,3-4 25-120 15-20

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)

Металл	Содержание, % (по массе)
кислород	водород	азот	углерод
Медь     Электролитиче- ское железо   Рафинированное железо   Молибден     Никель     Цирконий     Тантал     Уран	0,022 0,017   0,011 0,001   0,0003 0,0002   0,009 0,010   0,0001 0,0001   0,131 0,105   0,00060 0,0004   0,020 0,004	0,0006 0,0005   0,0005 0,00005   0,0003 0,00006   - -   0,0005 0,00009   0,009 0,0002   - -   - -	- -   0,0010 0,0009   0,0004 0,0002   0,090 0,080   0,0003 0,0001   0,004 0,004   - -   - -	- -   0,001 0,001   0,001 0,001   0,002 0,002   0,024 0,085   0,002 0,002   0,0020 0,0005   0,070 0,065

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

Металл	НВ	О	N	С	Mn	Cr	Si	S	P
Исходный	0,0102	0,0061	0,019	1,03	0,33	1,42	0,3	0,012	0,022
ПДП	0,0049	0,0017	0,012	1,03	0,32	1,41	0,31	0,013	0,022
ВДП	0,0070	0,004	0,008	1,03	0,24	1,3	0,33	0,014	0,016

 

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.