Плазменно-дуговой переплав

Первый слиток методом плазменно-дугового переплава был произведен в 1983 г. в ИЭС им. Е. О. Патона, Источником тепла при ПДП является низкотемпературная плазма, температура которой 5000−30000 К. Сущность этого метода рафинирования состоит в переплаве металла путем его нагрева и плавления под воздействием энергии плазмы и постепенной кристаллизации слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Низкотемпературная плазма получается электрической ионизацией газа в плазмотронах. Наиболее широко применяют дуговые плазмотроны постоянного и переменного тока, в которых газ ионизируется горящей электрической дугой. Дуга в плазмотроне горит между водоохлаждаемым электродом из вольфрамового сплава и ванной жидкого металла или дополнительным электродом, являющимся анодом. B качестве плазмообразующего газа чаще всего используют аргон, препятствующий химическому взаимодействию с расплавленным металлом. Возможно использование гелия и азота, а также смесей различных газов, в частности, аргона с азотом, водородом, кислородом и углеводородами. В зависимости от состава газовой фазы при ПДП возможно как удаление примесей из металла, так и легирование металла азотом. Степень рафинирования при взаимодействии плазмообразующих газов с металлом в значительной степени определяется чистотой газовой фазы от примесей кислорода, азота и водорода, поэтому плазмообразующие газы подвергают специальной очистке.

Плазменно-дуговые печи чаще всего работают при небольшом избыточном давлении 1−4 кПа или пониженном 1000−0,1 Па, возможно также повышенное давление 0,3−0,5 МПа. Весьма разнообразны конструктивные схемы печей ПДП. По одной из схем переплавляемый электрод размещают вертикально над слитком, а несколько плазмотронов устанавливают вокруг кристаллизатора под острым углом к его оси (схема ИЭС им. Е. О. Патона). По другой схеме один плазмотрон располагают соосно со слитком, а заготовку (или несколько заготовок) подают в зону плавления сбоку (рис. 10.12). Во всех этих печах можно также использовать промежуточную емкость. Разнообразие технологических схем ПДП связано с отсутствием электрической связи между источником нагрева и переплавляемой заготовкой, что позволяет в широких пределах регулировать скорость переплава.

Скорость течения пленки жидкого металла на оплавляемой заготовке зависит от скорости переплава, при этом число Рейнольдса не превышает 150, что свидетельствует о волновом характере течения металла и отсутствии турбулентности, толщина пленки составляет 100−400 мкм. Измерение температуры в пленке жидкого металла показало незначительный перегрев, равный 35−50 °С.

Движение металла в ванне носит турбулизованный характер. Вынужденная конвекция в ванне создается динамическим действием столба дуги и электромагнитными силами. Перегрев поверхности ванны в зоне действия дуги достигает 200−250 °С, при этом температура на поверхности ванны распределяется неравномерно. Например, для стали 12Х18Н10Т она составляла 2100 в центре и 1800 °С на периферии слитка при диаметре 0,1 м.

Плазменно-дуговой переплав (ПДП) по сравнению с другими способами получения особо чистых металлов и сплавов обладает большими технологическими возможностями. Это определяется широким диапазоном регулирования состава и давления атмосферы печи, температуры процесса, скоростей плавления заготовки и кристаллизации слитка, разнообразием технологических схем, а также широким выбором различных рафинирующих флюсов. При этом появляется возможность использовать высокоактивный перегретый шлак и паровую фазу из шлаковых компонентов, активно воздействующих на пленку жидкого металла оплавляемой заготовки. Флюсы и раскислители в порошкообразном состоянии порциями подаются в ванну специальными дозаторами.

Как известно, при ВДП и ЭЛП невозможно переплавлять азотсодержащие и марганцовистые стали из-за значительных потерь азота и марганца. При ЭШП затруднительно переплавлять стали, легированные титаном и алюминием, из-за их окисления, а также железоникелевые сплавы. Плазменно-дуговой переплав указанных сталей и сплавов возможен с высоким рафинирующим эффектом. Следовательно, ПДП расширяет возможности специальной электрометаллургии в производстве указанных сталей и сплавов.

Рассмотренные особенности плазменно-дугового переплава позволяют вести активное раскисление металла, удаление неметаллических включений, десульфурацию, обезуглероживание, удаление примесей цветных металлов или легирование азотом.

При переплаве в нейтральной атмосфере аргона неметаллические включения удаляются по механизму межфазного выделения, оксиды − главным образом в низкотемпературной зоне на заготовке. Стадия пленочного течения имеет решающее значение в изменении концентраций многих примесей. При переплаве в нейтральной атмосфере воз можно также удаление азота.

При использовании фторидных флюсов происходит их взаимодействие с металлом в каждой из реакционных зон. Парогазовая фаза, состоящая из CaF₂ и AlF₃, взаимодействует с неметаллическими включениями на торце электрода, при этом возможно образование более легкоплавких неметаллических фаз. Жидкий шлак взаимодействует с расплавленным металлом в зоне ванны, из которой эффективно удаляется сера. Коэффициент распределения серы между шлаком и металлом достигает огромной величины (500−600), что объясняется высокой температурой в зоне реакции и большой активностью шлаков. Степень десульфурации составляет 50−70 %,а содержание серы в металле снижается до 0,003−0,004 %.

Переплав в аргоно-кислородной плазме обеспечивает обезуглероживание металла. При пониженном давлении эффективно удаляются азот и примеси цветных металлов. Легирование металла азотом из газовой фазы при ПДП имеет преимущество в том, что не нужны азотсодержащие ферросплавы, а нитридная фаза получается дисперсной и равномерно распределенной в объеме слитка. Экспериментальные данные о поглощении азота жидким металлом из плазмы показывают, что количество поглощенного азота пропорционально квадратному корню из парциального давления азота. При достижении определенного содержания азота металл закипает и рост содержания азота прекращается независимо от парциального давления. Растворимость азота из дуговой плазмы значительно выше, чем из нейтральной атмосферы азота, что связано с активацией азота в дуге. Таким образом, плазменно-дуговой переплав можно рассматривать как метод создания новых композиций экономнолегированных сталей с использованием азота из газовой фазы в качестве легирующего элемента.

Качество металла, подвергнутого плазменно-дуговому переплаву, повышается в результате не только рафинирования от примесей, но и значительного улучшения макро- и микроструктуры слитка. Наибольшие возможности для управления процессом кристаллизации имеются при ПДП и ЭЛП. В этих процессах скорость плавления не связана однозначно с мощностью, как в вакуумно-дуговых и электрошлаковых печах.

В слитке ПДП отсутствуют дефекты усадочного и ликвационного происхождения, а переплавленный металл характеризуется высокими плотностью и однородностью. Достигаемое повышение качества металла во многом обеспечивается последовательной, направленной снизу вверх кристаллизацией с непрерывным поступлением жидкого металла в верхнюю часть слитка. При ПДП можно получить плоскую ванну металла путем регулирования скорости переплава и мощности. Глубина и форма металлической ванны определяют направленность кристаллизации и плотность слитка. Плоская, близкая к цилиндрической форме ванна, образующаяся при переплаве с малой скоростью, свидетельствует о равномерности температурного градиента. Градиент температуры в зоне кристаллизации составляет 8−10 °С/мм, что сопоставимо с градиентом температуры при ЭЛП. Эта величина значительно превышает градиент температуры при ВДП (0,5−1 °С/мм). Высокий градиент температуры обеспечивает получение высокой структурной однородности слитка. Процессы кристаллизации влияют на величину и расположение неметаллических включений. Включения в слитке ПДП значительно измельчаются и распределяются равномерно по высоте и сечению слитка. Емкость печей ПДП достигает в настоящее время нескольких тонн.