Преимущества ПП

Рафинирование

Возбуждение дуги

Требования к шихте

Шихта должна быть чистой по фосфору и сере и не окисленная, т.к. все преимущества ПП полнее реализуются при бесшлаковом процессе. На дно загружается мелкая шихта, обеспечивающая надежный контакт с подовым электродом.

При плазменной плавке используются плазматроны с зависимой дугой. Сначала при помощи осциллятора возбуждается дежурная дуга, с помощью которой замыкается цепь между катодом и поверхностью нагреваемого металла (анодом). После появления основной дуги, которая сжимается газовым потоком, ее растягивают до необходимой длины, достигающей в зависимости от вместимости печи 1-2 м. Омываемая относительно холодным газовым потоком сжатая дуга обладает сравнительно малой излучательной способностью. Поэтому, несмотря на очень высокую температуру в столбе дуги и его большую длину, доля тепла, излучаемого через боковую поверхность дуги, относительно невелика.

Сжатая плазменная дуга позволяет плавить металл с большой скоростью, рафинировать металл от вредных газов и при необходимости легировать расплав газом, например азотом. При этом металл не загрязняется материалом электрода.

ПП предназначены главным образом для плавки сталей, но могут использоваться для плавки цветных металлов и сплавов.

После расплавления металл выдерживают под плазмой для его рафинирования. Для окисления примесей можно использовать окислительную плазму. В качестве одного из плазмообразующих газов подают кислород. При этом используют двухканальную конструкцию плазматрона. По внутреннему каналу подается нейтральный газ (аргон), защищающий электрод, а по наружному – газ, необходимый для проведения металлургического процесса.

Для получения азотированного металла в качестве дополнительного газа используют азот, а для предохранения катода от образования нитридов также применяют двухканальный плазматрон.

Рафинирование расплава от газов осуществляется при использовании в качестве плазмообразующего газа чистого аргона за счет очень низкого содержания удаляемых газов в исходном аргоне. При соответствующем расходе он обеспечивает «химический вакуум» над поверхностью расплава, что способствует удалению газов. Для предохранения открытой поверхности металла от окисления могут использоваться шлаки.

При необходимости, в расплав присаживают легирующие.

Основное преимущество ПП по сравнению с ДСП - отсутствие графитовых электродов, что полностью исключает науглероживание металла и позволяет выплавить низкоуглеродистые стали.

Вторым важным преимуществом является возможность герметизации печного пространства, т.к. уплотнение металлических водоохлаждаемых корпусов плазматронов не представляет больших трудностей. Это позволяет поддерживать в процессе плавки любую заданную атмосферу.

Возможность ведения плавки в нейтральной атмосфере позволяет использовать отходы высоколегированных сталей с практически полным усвоением легирующих присадок. На 10-т печи в ходе промышленных плавок достигается следующее усвоение легирующих ,%

Mn Cr Ni Mo Ti

97-99 96-98 98-100 98-100 60-80

Применение азота позволяет легко проводить азотирование сталей.

Важной особенностью ПП является существенное уменьшение загрязнения окружающей среды, а также улучшение условий труда. Плазменные печи, в отличие от ДСП, работают почти бесшумно.

С другой стороны, стоимость плавки в плазменных печах выше, чем в дуговых, вследствие потребления аргона и более высокого расхода электроэнергии, а также из-за большого количества водоохлаждаемых узлов. Поэтому использование ПП наиболее целесообразно при выплавке высоколегированных сталей и сплавов, когда сокращение расхода легирующих за счет уменьшения угара имеет решающее значение.

Характеристики промышленных печей с керамическим тиглем

Первые промышленные плазменные печи с керамическим тиглем были построены на основе дуговой сталеплавильной печи (печь Линде), где электроды были заменены плазматронами. В процессе эксплуатации этих печей выявились отрицательные стороны конструкции, в частности, вертикального ввода плазматронов. При этом, несмотря на то, что дуги экранируются холодным потоком плазмообразующего газа, прямое излучение мощного плазменного разряда на футеровку печи приводит ее к разрушению. Кроме того, необходимость применения подового электрода в большинстве случаев сопряжено с опасностью взрыва, а наличие дорогостоящего выпрямительного оборудования, требует значительные производственные площади, и т.д.

Были разработаны новые конструкции печей с улучшенным тепловым к.п.д., в которых шихта загружается сверху, а плазматроны располагаются в боковой стенке печи под углом 120° друг к другу и наклонены внутрь рабочего пространства на 45°. Для того чтобы плазменная дуга приводила в движение верхний слой расплав­ленной ванны, ось горелки образует угол в 10° с нормалью к точке установки горелки. Каждый плазматрон питается от одной фазы трехфазного источника переменного тока. Применение плазматронов переменного тока для металлургических агрегатов с керамическим тиглем считается одним из перспективных направлений. Параллельно решается вопрос о мощных источниках питания плазматронов переменного тока.

Параметры плазменно-дуговых печей зависят от вместимости печи. В качестве примера рассмотрим промышленные плазменные печи вместительностью 5, 10 и 30 т, находящихся в эксплуатации в России и Германии.

Указанные печи оснащены плазматронами постоянного тока и имеют подовые электроды. Геометрия ванны и печного пространства такая же, как у дуговых печей. Футеровка стен и свода выполнена из хромомагнезитового кирпича, подина набивная, хромомагнезитовая.

Наиболее ответственным элементом конструкции является подовый электрод. В рассматриваемых печах применяются водоохлаждаемые медные электроды, их надежность обеспечивается наличием на контактной (торцевой) поверхности электрода твердого гарнисажа. Толщина гарнисажа зависит от перегрева жидкой ванны, интенсивности перемешивания металла и силы тока. Печи оснащены автоматическими системами непрерывного контроля состояния подового электрода.

Основные характеристики печей приведены в таблице 2.7.

Таблица 2.7.

Основные характеристики промышленных плазменных печей постоянного тока

Указанные плазменные печи характеризуются высоким удельным расходом энергии на производство стали по сравнению с ДСП.

Печь вместимостью 5 т имеет один плазматрон, введенный вертикально через свод. Мощность плазматрона 3500 кВт. Расход энергии на расплавление около 700 кВт∙ч/т. Расход аргона 12-15 м³/ч. Стойкость свода свыше 70 плавок, стойкость подины 150-160 плавок.

Печь вместимостью 10 т оснащена тремя плазматронами, вводимыми через боковые стены печи. Для ускорения смены футеровки кожух печи выполнен разъемным. Плазматроны установлены на специальных механизмах, допускающих их осевое и угловое перемещение. Каждый плазматрон питается от отдельного тиристорного источника питания с широким диапазоном регулирования. Рабочий ток плазматронов составляет 6 кА при напряжении 200-600 В. Реальная мощность, вводимая в печь в процессе плавки, равна 7-8,5 МВт. Скорость расплавления составляет 7-10 т/ч, расход энергии 650 кВт∙ч/т, расход аргона 25-30 м³/час.

Наиболее крупной плазменной печью является 30-т печь ОКБ-1556, разработанная совместно специалистами СССР и ГДР. Печь оснащена четырьмя плазматронами, вводимыми через боковые стенки печи. Плазматроны могут перемещаться вдоль оси и менять угол наклона. Питание плазматронов осуществляется от трех тиристорных преобразователей так, что одновременно могут работать три плазматрона.

В процессе работы любой плазматрон можно выключить, а другой включить для ускорения процесса расплавления.

Максимальный ток источника питания 10 кА при напряжении 150-660 В. Вводимая мощность в период плавления 12-15 МВт. Удельный расход энергии на расплавление 625 кВт·ч/т расход аргона 60 м³/час.

В качестве примера плазменной печи с керамическим тиглем на переменном токе можно привести печь вместимостью 23 т, разработанную фирмой «Technology Applica­tion Servicee Corp» (США). На печи установлены три плазматрона. Они работают на трехфазном переменном токе частотой 50—60 Гц и включены по схеме открытого треугольника. Плазматроны вмонтированы в стенки печи в прямоугольных коробках, расположенных по окружности под углом 120° по отношению друг к другу на расстоянии 0,6—0,9 м от уровня пода. Каждый плазматрон установлен на отдельной опоре, позволяющей регулировать углубление его в печь и угол наклона. Длина дуги плазматронов 1220—1525 мм. Они работают на относительна низком токе и повышенном напряжении 1000 В (при токе 6000 А). Мощность установки составляет 0,6 МВт.

Следует отметить, что обычная разливка металла на воздухе в изложницы или на машинах непрерывного литья заготовок может нивелировать повышение качества металла, достигнутое в плазменной печи, поэтому для особо ответственных сталей используют переплавные процессы..

2.4.4. Плазменно-дуговой переплав в кристаллизатор

ПДП в кристаллизатор является классическим примером вторичного рафинирующего переплава (раздел 1.3). Он обладает большими технологическими возможностями, что связано, во-первых, с широким диапазоном возможных скоростей наплавления слитка, во-вторых, с возможностью использования разных газовых и шлаковых смесей. ПДП легко обеспечивает рафинирование металла от неметаллических включений, газов, серы, легирование азотом из газовой фазы и раскисление.

Элементы конструкции и схемы ПДП

Принципиальные схемы плазменно-дуговых печей с водоохлаждаемым кристаллизатором для переплава и рафинирования металлов представлены на рис. 2.23.

Рис. 2.23. Схемы плазменно-дуговой печи Института электросварки им. Е. О. Патона (а) и Института металлургии им. А. А. Байкова АН СССР (б):

1 – переплавляемая заготовка; 2 – плазматроны; 3 – слиток; 4 – источник тока

Существуют печи двух типов – с радиальным и осевым расположением плазматронов. И в том и в другом случае осуществляют капельный переплав заготовки в кристаллизатор с вытягиваемым слитком. Металл рафинируется как с поверхности жидкой пленки на оплавляемом торце заготовки, так и с поверхности жидкой ванны в кристаллизаторе. Регулированием скорости вытягивания слитка получают необходимую степень рафинирования от вредных примесей и структуру слитка.

Схемы расположения плазматронов

По первой схеме переплавляемая заготовка размещается вертикально над слитком, а плазматроны устанавливаются вокруг кристаллизатора под острым углом к его оси. По второй схеме используется один плазмотрон, расположенный соосно со слитком, а электрод(ы) подается в зону плавления сбоку.

Радиальная схема расположения плазматронов имеет ряд преимуществ перед осевой:

1. Возможность получения плоской и мелкой ванны жидкого металла с отношением глубины к диаметру от 1/5 до 1/10 независимо от теплопроводности металла и диаметра слитка. Это способствует получению плотного слитка с хорошей структурой и практически без усадочной раковины.

2. Хорошее перемешивание ванны, что способствует химической гомогенизации металлического расплава и ускорению реакций, протекающих в диффузионной области. Интенсивность перемешивания прямо пропорциональна числу установленных в печи плазмотронов.

3. Вращение ванны вокруг оси за счет воздействия плазменных струй на жидкий металл. Для этого создается необходимый наклон плазматронов к поверхности металла и к корпусу печи.

4. Более высокий тепловой к.п.д., так как происходит экранирование заготовкой излучения плазменных струй и ванны.

5. Ресурсы плазматронов выше, так как вводимая мощность распределяется по нескольким плазмотронам, вместо одного.

6. Большая технологическая гибкость установки. Можно получать не только круглые слитки, но и любой формы: квадратные, прямоугольные, крестовидные, полые и др.

Основным недостатком печи с радиальным расположением плазматронов является достаточно большая высота агрегата.

Технологические процессы, проводимые в ПДП с кристаллизатором

В зависимости от задач, применяют следующие варианты переплава, нашедшие наибольшее применение в практике:

1 – рафинирующий переплав в атмосфере инертного газа;

2 – плазменно-шлаковый переплав;

3 – плазменно-водородное раскисление;

4 – легирование сталей азотом из азотсодержащей плазмы.

Они могут использоваться в чистом виде, или в различных комбинациях. Основным плазмообразующим газом чаще всего является аргон, который подается через плазмотрон. Им заполняется печь после удаления из нее воздуха. В зависимости от объема камеры печи проводят ее «промывку» (двух- или троекратным объема газа) с целью удаления адсорбированных на стенках азота, кислорода, влаги и др. При включении печи процесс десорбции газов со стенок усиливается, затем стабилизируется. На некоторых печах установлена система циркуляции газа – отходящие газы после очистки вновь подаются в плазматрон.