Плазменно-дуговой переплав металлов и сплавов

17.07.2018
Развитие современной техники характеризуется постоянно растущими требованиями к качеству металла. За последние 10...15 лет был разработан ряд технологических процессов, применение которых существенно повышает качество металла. К таким процессам относятся: обработка жидкой стали синтетическими жидкими сплавами в ковше или шлаковыми компонентами, вдуваемыми в металл в порошкообразном состоянии, вакуумирование жидкого металла в ковше или при разливке, продувка жидкого металла инертным газом и др.

Кроме того, широко применяются способы рафинирующего переплава металла: вакуумно-дуговой, электрошлаковый и электронно-лучевой. Интересно отметить, что в двух последних способах использованы источники нагрева из арсенала сварочной техники. Способы электрошлакового и электронно-лучевого переплава металлов появились тогда, когда уже интенсивно использовалась электрошлаковая и электронно-лучевая сварка.

Сейчас развивается новый способ выплавки и рафинирующего переплава металлов — плазменно-дуговой. Источник тепла — плазмотрон, как и в предыдущих способах, до использования в специальной металлургии применялся в сварочной технике. К настоящему времени насчитывается уже несколько сот исследований плазменной резки, напыления, сварки, наплавки, в то время как работ по использованию плазмы в металлургических целях буквально единицы.

Основная цель всех перечисленных процессов — повысить чистоту металлов и сплавов (снизить содержание серы, фосфора, газовых примесей, неметаллических включений, легкоплавких примесей и т. д.) и улучшить их физико-механические свойства.

Число средств, которые применяются для достижения этих свойств, можно свести к четырем. Прежде всего, это шлаки или газы, используемые как рафинирующие реагенты для проведения реакций десульфурации, дефосфорации, для экстрактивной вытяжки из металла растворенных газов и удаления неметаллических включений. Во-вторых, повышение температуры металлов, которое приводит к интенсификации процессов раскисления их растворенным углеродом, всплывания неметаллических включений и т. д. В-третьих, вакуумирование металла, значительно повышающее раскислительную способность углерода и снижающее содержание растворенных газов и легкоплавких примесей цветных металлов, а также неметаллических включений путем их флотации при барботировании металла. И, наконец, в-четвертых, принудительная кристаллизация в медных водоохлаждаемых кристаллизаторах. Эта операция дает возможность, регулируя скорость кристаллизации, получить желаемую макроструктуру, повысить плотность металла, оттеснить в металлическую ванну неметаллические включения с низкой адгезией, получить слиток без зональной ликвации, газовых пузырей и практически без усадочной раковины.

В табл. 1 показано, как в различных процессах рафинирующей обработки используются названные четыре средства повышения качества металлов. Из таблицы видно, что наиболее прогрессивными процессами являются все названные способы переплава металлов, так как в них одновременно совмещается наибольшее число средств — три из четырех. Ни один другой процесс не может соперничать с переплавом.

Плазменно-дуговой переплав металлов возможен в двух вариантах. Во-первых, он может осуществляться в нейтральной или восстановительной атмосфере в условиях нормального или избыточного давления. Этот процесс позволяет переплавлять сплавы с легкокипящими компонентами, исключая их избирательное испарение. Потерь на испарение при этом практически нет. При переплаве понижается концентрация газов в металле как растворенных, так и связанных в прочные соединения.

По второму варианту плазменно-дуговой переплав выполняют в вакууме. Его следует осуществлять, если требуется более глубокая дегазация металла, а раскисление его производить при помощи углерода, растворенного в сплаве. Из таблицы видно, что первый вариант плазменно-дугового переплава аналогичен электрошлаковому, а второй — электронно-лучевому переплаву. Ниже будет показано, что эта аналогия не только формальна, но проявляется и в самом существе процесса.

Плазменно-дуговой переплав развивается на основе опыта и достижений существующих способов электронно-лучевого, электрошлакового и вакуумно-дугового переплава.

Интересно сопоставить плазменно-дуговой переплав металла с другими способами, широко распространенными в России и за рубежом, например, с вакуумно-дуговым и электрошлаковым.

Как следует из табл. 2, плазменно-дуговой переплав по возможностям относительно регулируемой атмосферы печи, стабильности процесса, регулируемых скоростей плавления и кристаллизации, химического состава переплавляемого металла и т. д., значительно превосходит электрошлаковый и тем более вакуумно-дуговой переплав. Так, например, при вакуумно-дуговом и электрошлаковом переплаве изменение скорости плавления непременно влечет за собой колебания электрического режима плавки, а это, в свою очередь, приводит к изменениям температуры металла в ванне. Таким образом, при этих способах переплава между скоростью плавки, током и температурой ванны существует жесткая связь. В отличие от этого плазменно-дуговой процесс очень гибкий. Он позволяет в определенных границах варьировать скорость плавления, изменяя лишь скорость подачи штанги и вытягивания слитка при постоянной мощности, и независимо от скорости плавления легко изменять температуру перегрева металла в ванне. Последнее очень важно для управления процессами рафинировки металла (удаления газов, раскисления металла, удаления легкоплавких примесей цветных металлов) и создания желаемой макроструктуры слитка.

В ИЭС в течение ряда лет ведутся работы по применению низкотемпературной плазмы для обработки материалов. Были сконструированы и построены печи для плазменно-дугового переплава высоколегированных сталей и сплавов в водоохлаждаемый кристаллизатор по принципиально новой схеме.

На рис. 1 показана одна из опытных установок для плазменной плавки. Печи дают возможность получать слитки диаметром 50...100 мм, l < 600 мм.
Плазменно-дуговой переплав металлов и сплавов

Примененная схема позволяет тонко регулировать обогрев различных частей металлической ванны и при необходимости вращать ее. Это обеспечивает равномерный капельный перенос расплавленного металла в ванну, дает возможность путем рассредоточенного нагрева ванны на малых слитках и вращения ее на больших получать плоскую конфигурацию дна ванны. Чем форма площе, тем выше качество слитка, его плотность, однородность, меньше неметаллических включений. Плоское дно ванны обеспечивает направленную кристаллизацию вдоль вертикальной оси слитка (рис. 2). Особо следует подчеркнуть, что плоское дно и соответственно осевую кристаллизацию можно получить независимо от теплопроводности переплавляемого металла.

Необходимо отметить еще одну положительную сторону принятой технологической схемы плазменно-дугового переплава. Известно, что для вакуумнодугового переплава не безразлична конфигурация электрода для выплавки слитка. При плазменно-дуговом процессе форма сечения штанги не влияет ни на качество поверхности слитка, ни на энергетические режимы работы установки. Практически осуществлен переплав в круглые слитки квадратных, прямоугольных, круглых и набранных из тонких прутков штанг. Из штанг различного профиля можно выплавлять квадратные и прямоугольные слитки.

Источником тепла при плазменно-дуговом переплаве служит плазмотрон. Это конструктивно весьма простое и в то же время эффективное устройство для превращения электрической энергии в тепловую.

По принципу работы различают плазмотроны прямого и косвенного действия. Для плавки металлов обычно применяют плазмотроны постоянного тока прямого действия (рис. 3), в которых дуга горит между вольфрамовым катодом 1 и плавящимся металлом 4. Дуга стабилизируется холодной стенкой медного водоохлаждаемого сопла 3 и вихреобразным потоком аргона 2. КПД этих плазмотронов на 20...30 % выше, чем плазмотронов косвенного действия. По такой принципиальной схеме строятся все плазмотроны постоянного тока независимо от их назначения. Однако конструктивное оформление и рабочие характеристики металлургического плазмотрона должны отличаться от плазмотронов для сварки или резки. В частности, в металлургическом плазмотроне разрушения катода и сопла должны быть исключены или во всяком случае сведены к минимуму, чтобы не загрязнять вольфрамом или медью переплавляемый металл.

Эти свойства металлургического плазмотрона должны сохраняться в широком интервале мощностей и скоростей подачи плазмообразующего газа для того, чтобы осуществлять как концентрированный, так и рассредоточенный нагрев металлической ванны. В ИЭС им. Е.О. Патона разработаны конструкции металлургических плазмотронов, удовлетвори ющие этим требованиям. Разрушение медного сопла в них полностью устранено, а абляция катода составляет 0,03 г вольфрама в час.

Плазмотрон для работы при нормальных и повышенных давлениях газа ПДМ-3 (рис. 4) работает в интервале мощностей 5...50 кВт. Его рабочее напряжение 40...80 В при Uх.х = 120 В. Расход аргона при различных режимах 3...7 л/мин.

В отличие от свободно горящей электрической дуги плазмотроны обеспечивают чрезвычайно устойчивый режим. В качестве примера приведена временная характеристика напряжения (рис. 5). Колебания, соответствующие частоте перехода капель, составляют 0,6 %. Следовательно, отпадает проблема регулирования напряжения на дуге. Тепловой КПД таких плазмотронов очень высокий, в частности у плазмотрона ПДМ-3 он составляет 85...95 %.

Плазменному переплаву подвергли ряд металлов и сплавов. Поверхность слитков переплавленных металлов была отличного качества (рис. 6). Усадочная раковина совершенно отсутствовала, а концентрация вредных газовых примесей резко снизилась. Например, переплав чернового никеля марки НП-3, содержащего Ni + Co > 99,3 %, привел к глубокому раскислению металла. Содержание кислорода понизилось от 1,77*10в-2 до 3...7*10в-4 %, плотность металла возросла с 8,8040 до 8,8424 г/см3. Переплавленный металл прокатали в холодном состоянии от 75 до 0,10 мм с одним промежуточным отжигом.

Плазменно-дуговой переплав магнитно-мягких сплавов привел к полутора-двукратному возрастанию магнитных свойств и значительному улучшению их пластичности.

Исследование качества жаропрочного сплава на никелевой основе после плазменно-дугового переплава свидетельствует о том, что по сравнению с исходным металлом в два-три раза увеличивается технологическая пластичность, на 40...60 % — длительная прочность, на 20...30 % — пластические характеристики (b, w) при рабочих температурах.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о важных технологических преимуществах плазменно-дугового переплава по сравнению с другими способами переплава.

Хорошее качество переплавленного металла свидетельствует о больших перспективах применения нового технологического процесса в электрометаллургии.