Электрометаллургии

Плазменная плавка

В последние годы появилась плавка ме­талла при помощи эле­ктрической плазмы, т. е. ионизированного газа. Рассмотрим один из

Вариантов плазматрона (рис. 97). Он состоит из внутреннего стержня — электрода — и наружного элек­трода, расположенного соосно с внутренним, име­ющим форму сопла. При постоянном токе внут­ренний электрод служит катодом, а сопло — анодом. Поток газа, подаваемый в камеру плазматрона, выдува­ет дугу, горящую между катодом и анодом в сопловое отверстие наружу. Плазменная дуга направляется на нагреваемый объект. Электрический разряд между ка­тодом и анодом ионизирует газ, образуется низкотемпе­ратурная плазма с температурой до 30000 К. Газ нагре­вается внутри канала сопла и с большой скоростью вырывается из сопла в виде факела. Стенки сопла изоли­рованы от плазмы тонким слоем холодного неионизиро – ванного газа, который служит также электрическим изо­лятором.

Рнс. 96. Схема установки ковш—печь фир­мы АСЕА-СКФ:

/ — вакуумпровод; 2 — вакуумная крыш­ка — свод; 3 — ковш из немагнитной ста­ли; 4 — индуктор; 5 — водоохлаждаемый затвор; 6 — свод с электродами

14*

211

В качестве плазмообразующих газов используют двухатомные газы с высокой теплопроводностью: аргон, гелий, водород, азот, а также водяной пар.

В другом варианте плазматрона анодом является сам нагреваемый объект. Плазменная струя, подведенная к нагреваемому объекту, позволяет возбудить дугу меж­ду внутренним электродом плазматрона и изделием. Ду­га плазматрона имеет боль­шую плотность газа и ста­бильность горения, чем свободная дуга. Катод плаз­матрона делают из воль­фрама, а анод — из кованой меди или кольцевых вста­вок из вольфрама, молибде­на или тантала.

1 — внутренний стержневой электрод — катод; 2 — нагреваемое изделие; 3 —• внешний кольцевой электрод — анод (сопло)

Ряс. 98. Схема плазменно-дуговой печи с огнеупорной футеровкой:

1 — плазматрон; 2 — песочный затвор; 3 — индукцноиные катушки для пере­мешивания металла; 4 — подовый электрод; 5 — разливочный иосок

В металлургии плазменный нагрев применяют либо в печах с огнеупорной футеровкой, либо в печах с мед­ным водоохлаждаемым кристаллизатором.

Рис. 97. Схема плазматрона с независимой дугой:

Печи с огнеупорной футеровкой показаны на рис. 98. Форма печи во многом напоминает дуговую сталепла­вильную печь. В отличие от дуговой печи плазменно-ду – говая печь полностью закрыта. Загрузочное окно и слив­ной носок имеют уплотнительНые заслонки. Плазматрон входит в печь сверху через свод. Катодом служит верх­ний водоохлаждаемый электрод, а анодом — ванна. В по­дину печи заделывают электрод, который имеет элект­рический контакт с жидким металлом. Для образования плазмы используют аргон, поэтому в печи образуется нейтральная атмосфера с небольшим положительным давлением, исключающим подсос атмосферного воздуха. Дуга в плазменной печи горит стабильно, без коротких замыканий и толчков тока. Сопло плазматрона утоплено в свод, что обеспечивает создание длинной дуги. В на-

Вода

Рис. 99. Схема плазменно-дугового переплава:

/ — источник питания; 2 — слиток; 3 — кристаллизатор; 4 — заготовка; 5 — плаз – матроны

Рис. 100. Схема электрошлакового переплава: 1 — расходуемый электрод; 2 — кристаллизатор; 4 — ванна металла; 5 — слиток

Чале плавки дуга прожигает в шихте колодец и скры­вается в нем. Плазменно-дуговые печи с керамической футеровкой работают бесшумно, практически без пыле – и газовыделений. Поскольку в печи создается нейтраль­ная атмосфера, то это обеспечивает благоприятные ус­ловия выплавки сложнолегированных сталей и сплавов, при плавке которых на воздухе происходит значительное окисление их составляющих. Легирующие присадки пол­ностью усваиваются металлом, в стали плазменной плав­ки меньше неметаллических включений, растворенных газов. В настоящее время работают такие печи емкос­тью от одной до 30 т.

3 — расплавленный шлак;

Разновидностью плазменно-дугового переплава яв­ляется наплавление слитка в медный водоохлаждаемый кристаллизатор. Схема такой печи представлена на рис. 99. Заготовка подается в камеру печи специальным ме­ханизмом. Она расплавляется двумя плазматронами.

Наплавляемый металл стекает в кристаллизатор и по мере наплавлеийя слиток вытягивается. Процесс напла – вления происходит непрерывно. В этих печах могут пе­реплавляться как целые штанги, так и заготовки, на­бранные из прутков, мелкого профиля, листовых отходов проката. Слитки, полученные в плазменно-дуговых пе­чах, имеют высокое качество поверхности и пониженное содержание неметаллических включений.

Электрошлаковый переплав

Одним из наиболее эффективных методов повыше­ния качества стали является разработанный в Институ­те электросварки им. Е. О. Патона метод электрошла­кового переплава (ЭШП). В этом способе расходуемый электрод переплавляют в водоохлаждаемом кристалли­заторе под слоем шлака. Особенностью. ЭШП является то, что это бездуговой процесс. Жидкий электропровод­ный шлак при прохождении тока нагревается до 2000 °С, что обеспечивает плавление электрода, погруженного в шлак. На рис. 100 показана принципиальная схема ус­тановки ЭШП. Питание печи производится переменным током от однофазного трансформатора. Установка ЭШП состоит из колонны, по которой перемещается каретка с электрододержателем и электродом. При помощи элек­тродвигателя и регулятора производится автоматическое перемещение электрода по мере его сплавления. Напря­жение на электрод и к поддону кристаллизатора пода­ется кабелями и шинами. В начале плавки на поддон кристаллизатора заливают жидкий шлак, который гото­вят в специальной шлакоплавильной электропечи. Элек­трод опускают вниз так, чтобы его конец погрузился в шлак. Включают ток, и шлак разогревается. Электрод плавится, и в кристаллизаторе образуется слиток. Пос­ле окончания плавки, когда весь металл в кристаллиза­торе затвердевает, поддон кристаллизатора опускают вниз вместе со слитком, который снимают краном. Рас­ходуемый электрод для ЭШП может иметь круглое или квадратное сечение; его получают либо отливкой в спе­циальные длинные изложницы, либо после проката или ковки. Отношение диаметра электрода к диаметру крис­таллизатора составляет 0,4—0,6.

В настоящее время методом ЭШП выплавляют слит­ки массой до 60 т различного сечения: круглые, квадрат­ные, прямоугольные для производства листа. Разрабо­таны конструкции ЭШП для выплавки полых слитков— гильз, которые используют для производства труб. Кро­ме однофазных печей, в СССР созданы трехфазные пе­чи, в которых в одном кристаллизаторе переплавляют •одновременно три электрода.

Основную роль в получении высококачественного ме­талла при ЭШП играет шлак. Наиболее распространен­ным является шлак АНФ-6, состоящий из 70 % CaF2 и 30 % А120з. Этот шлак обеспечивает минимальный рас­ход электроэнергии, обладает высокой обессеривающей способностью, хорошо адсорбирует оксидные включения.

Для процесса ЭШП характерна большая поверхность раздела металла и шлака вследствие образования плен­ки жидкого металла на конце электродов, капель метал­ла, стекающих с конца электрода и поверхности самой ванны. В процессе ЭШП создаются самые благоприят­ные условия для удаления серы: безжелезистый шлак, высокая температура, малая вязкость и большая поверх­ность контакта с металлом. Удаление серы из шлака про­исходит путем ее окисления на поверхности шлаковой ванны кислородом воздуха по реакции: (S)+02=S02. После ЭШП содержание серы в стали снижается до 0,001 %.

Существенным является и очищение металла от ок­сидных неметаллических включений, которые адсорбиру­ются и частично растворяются в шлаке. В результате ЭШП содержание неметаллических включений снижа­ется в 2—2,5 раза. Общим результатом рафинирования металла является повышение его качества. Особенно заметно возрастает качество подшипниковых сталей. Полностью устраняется брак тяжелонагруженных авиа­ционных подшипников, повышается их надежность и дол­говечность в эксплуатации. Методом ЭШП получают ста­ли для дисков и лопаток газотурбинных авиационных двигателей, газовых турбин, электро-и парогенераторов, прокатных валков и других деталей различного обору­дования, работающих в сложных условиях. Метод ЭШП широко распространен в СССР и за рубежом.