Плазменная плавка

Фарнасов Г.А. и др.
Металлургия, 1968 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Фарнасов Г.А. и др. Плазменная плавка

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОГО НАГРЕВА В МЕТАЛЛУРГИИ

Трудно указать такую отрасль современной метал­лургии, где применение плазменного нагрева не сопро­вождалось бы интенсификацией технологических процес­сов или значительным повышением качества выпускаемого металла. Рудовосстановительные процессы и полу­чение высокоогнеупорных изделий из тугоплавких окис­лов, повышение температурного уровня мартеновской плавки и выплавка специальных сталей и сплавов, ра­финирование тугоплавких металлов и ускоренная резка и зачистка проката — вот далеко не полный перечень тех областей, в которых плазма могла бы быть широко использована металлургами.

Наиболее простым и удобным способом применения низкотемпературной плазмы в металлургии является нагрев плазменной дугой и плазменной струей. К. п. д. плазмотронов небольшой мощности составляет в первом случае 10—15%, во втором — всего 2—3%. Однако с ростом мощности плазмотронов их к. п. д. возрастает. Кроме того, в ряде случаев приходится отдавать пред­почтение нагреву плазменной струей, поскольку плаз­менная струя представляет собой более рассредоточен­ный, объемный источник тепла, обеспечивающий мягкий нагрев больших масс материала независимо от его электропроводности.

Все разнообразие применения плазменного нагрева для металлургической обработки материалов можно свести к нескольким основным схемам.

Обработка рудного сырья может производиться дву­мя методами. По одной схеме (рис. 74,а) подлежащий

обработке порошок смешивается с таким количеством графита, которое обеспечивает достаточную электропро­водность стержней, получаемых прессованием этой сме­си. Прессованные стержни в дальнейшем используют в качестве расходуемых анодов в плазменнодуговых устройствах интенсивного действия. Благодаря высокой температуре плазменной дуги материал анода испаряется, диссоциируя на более простые окислы, а при нали­чии в атмосфере дуги восстановителя в достаточном ко­личестве может происходить восстановление рудного материала до металла или карбида.

По другой схеме (рис. 74,6) обрабатываемый руд­ный материал в виде порошка подается в плазменную струю, где он сильно нагревается и диссоциирует на бо­лее простые окислы или, взаимодействуя с плазмообра­зующим газом, в качестве которого наряду с нейтраль­ным аргоном или азотом можно использовать хлор или водород, переходит в свободное состояние или в соеди­нения, из которых чистый металл может быть легко из­влечен известными методами.

Третья схема предполагает использование плазмен­ного нагрева для плавления металлической шихты на огнеупорной подине. Поскольку здесь речь идет уже об обработке электропроводных материалов, в данном случае выгоднее применять плазмотроны, работающие в. режиме плазменной дуги. С этой целью приходится зафутеровывать в подину электрод, срок службы которого в условиях длительного контакта с жидким металлом вряд ли может быть большим. Для подогрева и плавле­ния металлической шихты можно применять и плазмен^ ную струю.

Наиболее эффективной является четвертая схема: стержень из перерабатываемого материала оплавляется плазмой, а жидкий металл собирается в водоохлаждае­мом кристаллизаторе, где происходит формирование слитка. Оплавление расходуемого стержня может про­исходить как плазменной струей, так и плазменной ду­гой, что предпочтительнее. Анодом может служить в первом случае сопло плазменнодуговой горелки, а во втором — ванна жидкого металла в кристаллизаторе. Одновременно промежуточный потенциал может быть подан на расходуемый стержень. Важно, что при пере­плавке по такой схеме скорость плавки и степень пере­грева жидкой ванны могут регулироваться раздельно.

Выплавка металла в плазменнодуговых печах с огнеупорной футеровкой

Другим направлением использования низкотемпера турной плазмы в металлургии является выплавка и рафинирование сталей и сплавов в печах с плазменноду­говыми нагревателями. Развитие плазменной плавки в этом направлении может дать следующие преимуще­ства [181]:

  1.  Исключается загрязнение металла нежелательны­ми примесями — углеродом из графитированных электродов, применяемых в обычных дуговых элеткропечах, азотом и водородом из атмосферы печи.
  2.  Плазменная струя может состоять из любой не­обходимой смеси газов, что позволяет поддерживать в печи любую атмосферу — окислительную, восстанови­тельную, нейтральную.
  3.  Условия дегазации жидкого металла в плазмен­ной печи с нейтральной атмосферой приближаются к условиям дегазации при плавке в оборудованных до­рогостоящими откачными системами вакуумных печах, так как парциальные давления кислорода, водорода и азота в атмосфере плазменной печи с горелкой, рабо­тающей на инертном газе, невелики. Например, плавка в атмосфере нейтрального газа, содержащего —'0,05% активных газовых примесей, термодинамически эквива­лентна осуществлению процесса в вакууме~57 н/м2 (0,5 мм рт. ст.).
  4.  Плавка в плазменных печах в отличие от вакуум­ной индукционной, дуговой и электроннолучевой плавки благодаря наличию атмосферного давления над ванной сопровождается меньшим испарением основных компо­нентов расплава.
  5.  При помощи плазменных горелок можно достичь высоких и легко регулируемых температур, а стабильность процесса упрощает проблему его регулирования.
  6.  Высокая концентрация энергии в малом объеме, значительная скорость потока плазмы и очень быстрая передача тепла нагреваемым материалам при сравни­тельно небольшой потере энергии на излучение обуслов­ливают весьма высокие скорости плавления в плазмен­ных печах.
  7.  Простота плазменных печей по сравнению с ва­куумными облегчает выполнение в них таких технологических операций, как наводка шлака, продувка ме­талла и т. д.

Плазменнодуговые печи различного назначения и размера в США проектирует и поставляет фирма Лин

де [132, 182—184]. Для прецизионного литья изготовля­ют небольшие печи емкостью до 12 кг, мощностью 40 квт\ скорость плавления составляет 1,2 кг\мин\ дли­тельность загрузки, доводки и выпуска металла такая же, как в индукционой печи; срок службы огнеупорного тигля 200 плавок. Для выплавки качественных высоко­прочных сталей и специальных сплавов, отливаемых в изложницы или в литейные формы и предназначенных для новейших отраслей промышленности, фирма постав­ляет печи емкостью от 25 кг до 1,8 г (рис. 77). Мощность печи емкостью 140 кг составляет 120 кет. Печь емкостью 0,9 т оборудована одним плазмотроном, а печи большей емкости (фирма проектирует серию печей емкостью до 90 т) будут снабжены несколькими плазмотронами. Плазменнодуговую печь емкостью 9 т фир­ма предполагает снабдить четырьмя плазмотронами с тем, чтобы длительность плавки в этой печи была около 2 ч. Это несколько меньше, чем в обычной дуговой электропечи той же емкости, однако специалисты фир­мы Линде предполагают, что с увеличением емкости плазменнодуговых печей вряд ли удастся сохранить столь высокие значения скорости плавки. Стоимость плазменнодуговой печи фирмы Линде близка к стоимо­сти обычной дуговой печи такой же емкости.

На рис. 78 изображена схема плазменнодуговой печи конструкции Линде емкостью 140 кг, установленной на заводе фирмы Юнион Карбайд оф Кэнада в Торонто.