17. Плазменно-дуговой переплав.

Плазменно-дуговой переплав – это перспективный способ массового производства и переплава стали и сплавов. Создание в рабочем пространстве установки атмосферы, не содержащей кислорода, позволяет успешно проводить раскисление и дегазацию переплавляемого металла и получать слитки с плотной бездефектной структурой. В настоящее время плазма начинает всё больше заменять электродугу в открытых сталеплавильных печах (так называемая плавка с керамическим тиглем). Применение этого метода позволяет избежать серьёзных недостатков, присущих ДСП, таких как выделение большого количества пыли и сильного шума. На практике используют два типа плазменно-дуговых печей: с керамическим тиглем (плавильные печи для массового производства стали и сплавов) и водоохлаждаемым кристаллизатором (переплавные установки).

Плазменно-дуговой переплав – это способ переплава, при котором нагрев и плавление металла происходит под действием тепла, генерируемого в плазменной (сжатой) дуге.

Плазма – четвёртое агрегатное состояние вещества, характеризуемое высокой степенью ионизации его частиц. Термин «плазма» был первоначально введён только для полностью ионизированного газа, у которого отсутствует избыточный электрозаряд. Теперь это понятие распространено и на частично ионизированный газ, находящийся при относительно низкой температуре (около 10⁴К). Степень ионизации () – это отношение концентрации заряженных частиц к общей концентрации частиц в плазме. Если <0,1% - то это слабо ионизированная плазма; если 100% – то это полностью ионизированная плазма, а между ними стоит частично ионизированная плазма. Пример слабо ионизированной плазмы – ионосфера Земли, а полностью ионизированная плазма – это Солнце и звёзды. В металлургии используется плазма со степенью ионизации не свыше 1-2%. Искусственная плазма создаётся в газовых разрядах. Высокая электропроводность плазмы приближает её к свойствам проводников. Плазма подвержена воздействию внешних электромагнитных полей из-за наличия в ней заряженных частиц, кроме того, большую роль играет внутреннее электромагнитное взаимодействие частиц в ней при массопередаче в плазме.

В классической молекулярно-кинетической теории газов полагают, что частицы взаимодействуют друг с другом только во время двойных столкновений. К плазме это допущение неприменимо, так как в её потоке имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны, движущиеся между нейтральными молекулами газа и непрерывно испытывающие столкновения с ними. Средние энергии разных типов частиц, составляющих плазму, могут отличатся, поэтому плазму нельзя характеризовать одним значением температуры, поэтому различают электронную (Т_e), ионную (Т_i) и атомную (Т_а) (молекулярную) температуры плазмы. Различают «низкотемпературную» (Т_i<10⁵K) и «высокотемпературную» (Т_i>10⁶K) плазму.

Для создания низкотемпературной плазмы, используемой в плазменной металлургии, применяются специальные приборы – плазмотроны, создающие струи плотной низкотемпературной плазмы (сжатую высокотемпературную дугу). В металлургии применяют в основном плазмотроны, в которых сжатие дуги осуществляется потоком плазмообразующего газа. Фотография лабораторных плазмотронов представлена на рисунке 6.

В начальный момент при помощи осциллятора возбуждается дежурная дуга между катодом и соплом плазмотрона. В момент появления дежурной дуги в кольцевой зазор между электрододержателем и кожухом подают под давлением плазмообразующий газ. Этот газ, истекающий из плазмотрона через сопло, отрывает дугу от сопла и замыкает цепь между катодом плазмотрона и поверхностью нагреваемого металла, к которому подводится положительный потенциал. После появления дуги между катодом плазмотрона и металлом сопло плазмотрона отключают от электроцепи и, поднимая плазмотрон, растягивают сжатую газовым потоком электродугу до необходимой длины, достигающей 1-2м в зависимости от типа установки.

Сжатая дуга – удобный для сталеплавильных процессов способ превращения электроэнергии в тепловую, позволяющий с большой скоростью нагревать и плавить металл, не загрязняя его материалом электрода. Схемы процесса плазменно-дугового переплава в водоохлаждаемый кристаллизатор приведены на рисунках 7 и 8. Применение низкотемпературной плазмы в качестве источника энергии позволяет осуществлять химические процессы про температуре до 210⁴К (или энергии частиц до 2эВ) в интервале избыточных давлений от сильного разрежения до десятков кПа. Поэтому использование плазмы в высокотемпературных химических процессах обеспечивает большие скорости их протекания и улучшение удельных характеристик химических реакторов.

В качестве примера можно привести технологическую схему выращивания монокристаллов вольфрама, разработанную Савицким и сотрудниками. Источником для нагрева служит плазменная струя инертного по отношению к жидкому металлу газа (H₂, He, Ar или их смесей), которая при прохождении через дугу плазмотрона нагревается до 10⁴-310⁴К. В установке для выращивания монокристаллов вольфрама анодом служит монокристаллическая затравка, а катодом расходуемый вольфрамовый электрод плазмотрона. Подаваемый через плазмотрон инертный газ создаёт защитную атмосферу, поэтому отпадает необходимость иметь вакуумную систему. Для получения плазмы газовая струя ионизируется дуговым разрядом при силе тока 1000А и напряжении 30-50В. образующаяся при нагреве на поверхности затравки жидкая ванна непрерывно подпитывается расплавляющимся в плазме расходуемым электродом, причём затравка непрерывно перемещается вниз, обеспечивая постоянный уровень границы раздела жидкой и твёрдой фаз.

Очистка от примесей в этом процессе достигается за счёт их перераспределения при кристаллизации, испарении отдельных легколетучих элементов в результате перегрева жидкого металла, а также из-за выжигания углерода при добавке небольшого количества кислорода в плазмообразующий газ.

Полученные этим методом крупные монокристаллы вольфрама характеризуются высокой вакуумной плотностью, низким газоотделением и малой проницаемостью для паров и жидких металлов при высокой температуре. Плотность дислокаций в них достигает 10¹⁰-10¹¹ м^-2, разориентировка субзёрен равна 35-45, а содержание углерода не превышает 0,003-0,005%. Таким методом могут быть получены заготовки для изготовления изделий и из других тугоплавких металлов.

Институтом электросварки им. О. Е. Патона разработана конструкция ряда установок плазменно-дугового рафинирующего переплава заготовок прецизионных сплавов, а также конструкционных и нержавеющих сталей в водоохлаждаемый медный кристаллизатор.

Установки позволяют наплавлять слитки сечением до 450450мм или диаметром до 650мм, длиной до 2300мм и массой до 5т.

18. Газостат - установка, у якій є контейнер - товстостінний порожній циліндр із верхньої і нижньої пробками, у якому відбувається консолідація гранул. Контейнер виготовляється із кращих марок сталей й являє собою багатошарову напружену конструкцію. Обробка в газостаті - гаряче ізостатичне пресування (ГІП).

Тиск у робочій камері контейнера створюється за рахунок подачі попередньо стислого до 300 – 500 атм аргону. Після заповнення камери аргоном включаються молібденові нагрівачі й при нагріванні газу до 1200 °С його тиск підвищується до необхідної величини – 2000 атм. ГІП гранул виробляється в спеціальній формі - капсулі, що виготовляє найчастіше зі звичайної листової сталі.

Гранули в капсулу засинають доверху. Щільність заповнення – 70%. Потім капсула вакуумують й герметизюуть. Після цього капсула із гранулами може зберігатися й транспортуватися без обмежень. Звичайно в газостаті завантажують кількість капсул, що заповнюють весь обсяг робочої камери. Після завершення ГІП обсяг гранулу капсулі зменшується приблизно на 30 %, усуваються порожнечі.

Заключні операції складаються з термообробки вже не гранул, а монолітних виробів, видалення не потрібної капсули різанням або травленням, і невеликих припусків до остаточного розміру виробів, ретельного контролю якості.

Технологія ВКМ, зокрема , розроблена й впроваджена для виробництва дисків з нікелевих сплавів для двигунів. Причому все технологічне встаткування в цьому випадку становить високопродуктивну безперервну лінію. Основна характеристика дисків - жароміцність, була підвищена більш, ніж в 1,5 рази. Механічні характеристики, у тому числі й пластичні, не тільки не понизилися, але й зросли.

Знизився через підвищення жароміцності витрата металу: коефіцієнт використання металу зріс в 2 - 2,5 рази. Це означає еконо мію сотень і навіть тисяч тонн дорогих металів: нікель, кобальт, вольфрам, ніобій і хром.