Рафинирующий переплав в атмосфере инертного газа
Этот вариант используют при производстве шарикоподшипниковых, нержавеющих, конструкционных сталей и реже – жаропрочных сплавов. В отдельных случаях рафинирующий переплав в аргоне совмещают с плазменно-шлаковым.
Необходимость использования ПДП, например, для производства шарикоподшипниковой стали продиктована тем, что обычно для специальных и приборных подшипников используют дуплекс-процессы, в частности ЭШП+ВДП, что обеспечивает существенное улучшение качества металла, но приводит к удорожанию стали и усложняет технологический цикл производства. Качество металла, выплавленного в ПДП, не уступает металлу, выплавленному другими способами переплава, в том числе и дуплекс-процессом.
Факторы, способствующие рафинированию:
· направленная кристаллизация слитка, которая облегчает удаление неметаллических включений и газов;
· наличие тонкой пленки металла на торце расходуемого электрода;
· отсутствие огнеупорной футеровки, что исключает образование экзогенных неметаллических включений;
· отсутствие вторичного окисления металла.
Рафинирование от цветных примесей специальных сталей и сплавов, особенно на никелевой и кобальтовой основах, до тысячных и десятитысячных долей процента проводят обычно в вакууме (ВИП, ВДП, ЭЛП), при котором протекают дистилляционные процессы. При ПДП, когда давление в рабочем пространстве печи равно 105 Па, условия для испарения этих примесей менее благоприятны. Однако удалению их при плазменном нагреве способствует интенсивный обдув поверхности жидкой ванны плазмообразующим газом и высокая температура в зоне анодного пятна. Чем меньше скорость переплава и выше мощность дуги, тем выше степень рафинирования от летучих примесей (свинца, висмута, сурьмы, меди и др.). Максимальная степень удаления свинца и висмута наблюдается на торце переплавляемого металла – 70 % от общей степени рафинирования.
Использование пониженного давления при ПДП создаст более благоприятные условия для рафинирования от летучих примесей.
Плазменно-шлаковый переплав (ПШП)
При плазменно-дуговом переплаве сталей и сплавов с высоким содержанием активных компонентов (титан, алюминий и др.) оплавляющийся торец электрода и ванна покрываются тугоплавкой пленкой оксидов, которая затрудняет рафинирование металла и ухудшает поверхность слитка.
Плазменно-шлаковый переплав используют для удаления плены при переплаве сплавов, легированных титаном и алюминием, более эффективного удаления серы, оксидных и нитридных включений, улучшения поверхности слитка и т.п.
Основные требования к шлаку ПШП:
1. Он должен обеспечить равномерное распределение элементов по высоте и сечению слитка;
2. Не должен иметь в своем составе непрочные кислородные соединения;
3. Он должен иметь высокую десульфурирующую способность (высокое содержание CaO и MgO, низкое содержание FeO и SiO2);
4. Он должен обладать достаточно высокой электропроводностью.
Наиболее полно к вышеуказанным требованиям удовлетворяют шлаки системы CaF2-CaO-Al2O3. Перед подачей в печь шлаки предварительно сплавляют в электропечах и гранулируют. На поверхность расплавленного металла шлак вводят непрерывно или периодически через соответствующие дозаторы и питатели. Расход шлака на плавку составляет до 2 % от массы наплавляемого слитка.
Под воздействием тепла плазменных струй и металла шлак расплавляется и частично (до 20 %) переходит в парогазовую фазу, так что взаимодействует с переплавляемым металлом на всех этапах переплава (на торце заготовки, с каплей и поверхностью жидкой ванны). Поскольку испарение шлака сопровождается частичной диссоциацией входящих в него компонентов, жидкий металл в пленке на торце электрода и каплях контактирует со шлаком, отличным по составу от шлака на поверхности металлической ванны. Парогазовая фаза состоит преимущественно из CaF2 и AlF3.
При ПШП не вся поверхность металла покрыта шлаком. Плазменные струи оттесняют пленку шлака к периферии. Увеличение количества шлака не приводит к повышению рафинирующих возможностей ПШП, т.к. скапливаясь у холодных стенок кристаллизатора, шлак охлаждается и его количество, реально участвующее в рафинировании металла, уменьшается.
Неметаллические включения в виде обособленных фаз перемещаются на поверхность торца заготовки или жидкой металлической ванны. Рафинирование металла от неметаллических включений при ПШП может протекать двумя путями:
1 – на торце заготовки они взаимодействуют с парогазовой фазой и могут диссоциировать.
2 – на стадии жидкой ванны происходит вынос НВ макротоками на границу металл-шлак, где шлак смачивает и ассимилирует их.
При ПШП весьма эффективно удаление серы. Коэффициент распределения серы между шлаком и металлом достигает огромных величин (500-600). Это объясняется высокой температурой в зоне реакции, высокой основностью шлаков и развитой поверхностью реагирования. Например, для ШХ15 содержание серы в переплавляемой заготовке составило 0,15 %, а в капле и слитке, соответственно, 0,14 и 0,007 %.