17.11.2018
Сантехнические ревизионные люки являются технологичными углублениями или же, иными словами, колодцами, где располагаются счётчики...


17.11.2018
Рекуператор является одним из видов теплообменного оборудования, основным предназначением которого называют возвращение тёплых...


17.11.2018
Большинство людей, решивших выполнить ремонтные работы в своей квартире или же коттедже, сталкиваются с необходимостью выбор...


16.11.2018
В последние годы всё более распространённой является инновационная методика полусухой стяжки пола, ведь она обладает большим...


16.11.2018
В настоящий момент в крупных населённых пунктах нашей страны самым распространённым видом жилплощади в новостройках считаются...


16.11.2018
Пни, которые остаются после удаления старых деревьев, изначально могут достаточно необычно выглядеть на вашем земельном наделе,...


Применение низкотемпературной плазмы для переплава поверхностного слоя металлических заготовок

17.07.2018
Область применения низкотемпературной плазмы как концентрированного источника энергии постоянно расширяется. В металлургии в настоящее время в промышленном или полупромышленном масштабе применяются плазменнодуговая резка заготовок, плазменнодуговой переплав и кристаллизатор, выплавка металлов и сплавов в плазменных и плазменно-индукционных печах с керамическим тиглем.

Плазменнодуговая технология благодаря широким возможностям таким, как глубокое рафинирование металла, регулирование скорости переплава, легирование расплава азотом из газовой фазы, раскисление металла водородом, может быть использована для повышения качества поверхностного слоя металлических заготовок, в частности, для его рафинирования и ликвидации дефектов (трещин, пор, грубых неметаллических включений). В отличие от других способов, сопряженных с потерями металла при удалении дефектного слоя, данная технология позволяет полностью сохранить металл.

Поиски различных способов безотходного удаления поверхностных дефектов с заготовок на стадиях металлургического производства интенсивно ведутся и за рубежом.
Применение низкотемпературной плазмы для переплава поверхностного слоя металлических заготовок

Так, американской фирмой «Вестингауз» запатентовано устройство для удаления дефектов с поверхности стальных слябов и блюмов (рис. 1). В устройстве поверхность 1 заготовки обрабатывается быстродвижущейся по кольчевой траектории электрической дугой, генерируемой нерасходуемым электродом 2. Обработка поверхности происходит под защитным кожухом 3 в среде инертного газа, подаваемого через нерасходуемый электрод. Вне кожуха предусмотрены устройства 4 для подачи воды на оплавленную поверхность с целью интенсивного охлаждения металла.

Однако описанная в патенте схема не позволяет регулировать распределение тепловых потоков по обрабатываемой поверхности, вследствие чего не обеспечивается равномерное проплавление поверхностного слоя в различных частях заготовки.

Известные схемы оплавления поверхности одним плазмотроном путем многократного прохода в данном случае не могут быть использованы. Силы поверхностного натяжения стремятся придать жидкому металлу сферическую форму. Поэтому при кристаллизации металла, оплавленного одним сосредоточенным источником нагрева, формируется неровная поверхность, аналогичная поверхности сварного шва. Кроме того, одноплазмотронная обработка не обеспечивает высокой производительности.

Достичь требуемого качества поверхности заготовки можно при условии поддержания на ее поверхности по ширине сплошной ванны жидкого металла путем непрерывного движения заготовки относительно плазмотронов.

Институтом электросварки им. Е.О. Патона и заводом «Электросталь» предложен способ плазменнодугового оплавления плоских заготовок (слитков, отливок, проката и поковок) в контролируемой атмосфере, заключающийся в том, что расплавление поверхностного слоя металла заготовки производят с использованием трехфазной группы плазмотронов переменного тока. При этом поддерживается общая ванна жидкого металла по всей ширине обрабатываемой заготовки.

Применение такой схемы нагрева стало возможным благодаря созданию в ИЭС им. Е.О. Патона металлургических плазмотронов переменного тока и трехфазных источников питания к ним, а также исследованиям магнитного взаимодействия плазменных дуг.

Анализ различных схем обработки поверхностного слоя заготовок показывает, что ванна жидкого металла необходимой геометрии может быть получена только при использовании многоплазмотронной схемы нагрева.

Закономерности оплавления металлической пластины изучены пока только применительно к нагреву одним плазмотроном постоянного тока.

Показано, что изменение теплового потока как плазменной струи, так и плазменной дуги по радиусу пятна нагрева приближенно описывается законом нормального распределения

где qr — удельный тепловой поток на удалении г от оси плазменной струи или дуги; qmax — максимальный тепловой поток по оси плазмы; К — коэффициент сосредоточенности.

Установлено, что максимальный тепловой поток по оси плазмы возрастает с увеличением тока, углублением дуги в канал сопла и уменьшением его диаметра, а также с повышением расхода плазмообразующего газа до определенного предела. При дальнейшем увеличении расхода газа максимальный тепловой поток снижается.

Коэффициент сосредоточенности возрастает с увеличением тока и уменьшается при углублении дуги в канал сопла. Он, как и максимальный тепловой поток, имеет предельное значение при некотором оптимальном расходе газа.

Принято считать, что при атмосферном давлении доля энергии, передаваемая пластине струей аргона, составляет —70 %, пятном -20 % и излучением -10 %.

По данным, эффективный к.п.д. плазменнодугового нагрева пластины достигает 80 %.

Зная величины эффективной тепловой мощности и коэффициента сосредоточенности, можно рассчитывать тепловые процессы, определяющие условия расплавления поверхностного слоя пластины.

Однако такие данные получены только для относительно простой схемы — нагрева одним плазмотроном постоянного тока. Многоплазмотронный нагрев вещества, особенно при использовании переменного тока, не изучен. Отсутствуют и экспериментальные данные о влиянии взаимодействия плазменных факелов на параметры нагрева, кинетике расплавления поверхностного слоя, глубине проплавления, размерах оплавленных зон в условиях многоплазмотронного нагрева.

В настоящей работе сделана попытка сравнить различные схемы многоплазмотронного нагрева и получить экспериментальные данные, характеризующие особенности расплавления поверхностного слоя. Опыты проводились на специальном стенде (рис. 2).

Нагрев плоских заготовок размером 50x260x550 мм из среднеуглеродистой стали и железоникелевого сплава 50Н производили плазмотронами типа ПДМ-71. Диаметры электрода и соплового канала составляли соответственно 10 и 12 мм. Заглубление электрода — 10 мм. Расстояние между плазмотронами на срезе сопел — 70 мм, длина дуги — 30...40 мм. Ток плазмотронов составлял 200...500 А, напряжение — 60...65 В. Аргон подавали как в плазмотроны, так и в защитный кожух для предотвращения окисления металла. Расход газа в каждом плазмотроне и в защитном кожухе составлял соответствен но 12 и 500 л/мин.

Пластины нагревали тремя плазмотронами, питаемыми либо постоянным, либо переменным трехфазным током промышленной частоты. Как известно, между плазменными дугами, горящими в непосредственной близости друг от друга, возникают силы, существенно влияющие на пространственное положение плазменных факелов и вызывающие перемещение активных пятен по оплавляемой поверхности.

С целью выбора оптимальных условий нагрева были опробованы три варианта питания плазмотронов.

В первом варианте каждый плазмотрон питался переменным током от отдельной фазы трехфазной сети.

Было замечено, что часть времени плазмотроны работали в режиме косвенного действия. При этом наблюдалось резко выраженное сканирование дуги среднего плазмотрона по линии расположения плазмотронов. Колебания крайних дуг имели значительно меньшую амплитуду (рис. 3).


Во втором варианте плазмотроны были подключены к отдельным источникам постоянного тока с подачей отрицательного потенциала на плазмотроны, а положительного — на пластину. В этом случае крайние дуги стягивались к центральной (рис. 4).

В третьем случае направление тока в среднем плазмотроне было изменено на противоположное. При такой схеме подключения все дуги располагались параллельно (рис. 5).

Взаимное расположение плазмотронов, плазменных факелов и эффективных пятен нагрева для указанных схем подключения плазмотронов при токе 400...450 А и длинах дуг 30...35 мм характеризуют рис. 3-5 и данные таблицы.

Протяженность оплавленной зоны при прочих равных условиях наименьшая в случае нагрева плазмотронами постоянного тока прямой полярности и наибольшая при питании плазмотронов переменным током.

Применение плазмотронов переменного тока имеет и другие преимущества — упрощаются источник питания и силовые цепи. Поэтому для переплава поверхностного слоя плоских заготовок предпочтительнее использование плазмотронов переменного тока. На рис. 6-10 приведены экспериментальные данные, характеризующие закономерности расплавления поверхностного слоя плоской заготовки из среднеуглеродистой стали тремя плазмотронами переменного тока (I = 400...450 А, длина дуг — 40 мм).

На рис. 6, а показана общая протяженность зоны расплавленного поверхностного слоя металлам в зависимости от времени нагрева без относительного перемещения плазмотронов и пластины. Изменение общей площади расплавленного металла в зависимости от времени показано на рис. 6, б.

При линейном расположении плазмотронов длительность работы среднего плазмотрона в сравнении с крайними в режиме косвенного действия больше (см. рис. 3).

Следовательно, условия нагрева пластины крайними и центральным плазмотронами существенно отличаются. Нагрев плазмой, выделенной из разряда, обусловлен только теплопроводностью, конвекцией и излучением. В случае же нагрева металла непосредственно в разряде в теплообмене появляется дополнительная составляющая — энергия заряженных частиц, движущихся в электрическом поле. Эффективность нагрева плазмотронами прямого действия на 10...30 % выше, чем косвенного.

Поэтому представляет большой интерес изучение кинетики расплавления поверхностного слоя металла каждым плазмотроном в отдельности (рис. 7). В начальный период нагрева площадь поверхности металла, расплавленного под крайними плазмотронами, возрастает быстрее, чем под центральным.

Однако по мере прогрева часть пластины, которая находится в зоне центрального плазмотрона, воспринимает тепло и крайних плазмотронов. Поэтому размеры пятен расплавленного металла выравниваются, а затем площадь расплавленной поверхности в центральной зоне становится больше.

Аналогичная картина наблюдается и при анализе глубины проплавления металла плазмотронами (рис. 8).

Расплавление поверхностного слоя металла несколькими плазмотронами сопровождается интенсивным нагревом пластины. На рис. 9 показано распределение температур в поверхностном слое заготовки (на глубине 10 мм) по продольной оси при различном времени нагрева тремя плазмотронами.

В процессе направленной кристаллизации расплавленного слоя формируется плотный металл без дефектов макроструктуры (рис. 10).


С учетом полученных данных ИЭС им. Е.О. Патона совместно с заводом «Электросталь» разработана установка 06-1957 для оплавления промышленных плоские заготовок (рис. 11) из прецизионных сплавов типа 29НК, 50Н, 79НМ, 45Н и др.

Установка включает в себя герметичную водоохлаждаемую камеру, внутри которой в горизонтальной плоскости перемещается обрабатываемая заготовка. Переплав ее поверхностного слоя осуществляется группой плазмотронов.

Для предотвращения слива металла с кромок заготовки по всему ее периметру устанавливаются медные водоохлаждаемые башмаки.

Технологический процесс переплава поверхностного слоя заготовок заключается в следующем.

Обрабатываемая заготовка 3 устанавливается в камере 1. К кромкам заготовки прижимаются башмаки 2. Камера вакуумируется и наполняется рабочим газом.

Крайние плазмотроны 4 в процессе оплавления остаются неподвижными и устанавливаются так, чтобы оплавлялась кромка заготовки. Центральной группе плазмотронов 5 сообщается поперечное возвратнопоступательное движение.

После наведения ванны жидкого металла по всей ширине заготовки последней сообщается поступательное перемещение.

Расчеты показывают, что экономический эффект плазменнодугового оплавления 4000 т непрерывно литых заготовок из прецизионных сплавов 29НК, 79НМ, 45Н, 50Н перед их деформацией в условиях завода «Электросталь» составит -900 тыс. руб. в год. Кроме того, повысится производительность обработки заготовок из упрочненных сложнолегированных сплавов.

Другие новости по теме:

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: