Плазменная плавка и переплав

Среди разнообразных схем, предлагаемых для обработки и получения металлов с помощью дуговой плазмы, наиболее перспективны те, в которых используются плазмотроны прямого действия (анодом является ванна расплавляемого металла). Почти неограниченные возможности повышения мощности и высокий к. п. д. плазмотронов прямого действия обусловили появление реальной возможности их широкого промышленного применения для плавки и переплава высококачественных металлов [1]. Принципиальная схема выплавки металла в плазменно-дуговой печи с огнеупорной футеровкой представлена на рис., а. По форме ванны и материалам, применяемым для футеровки подины и рабочего пространства, плазменно-дуговая печь не отличается от обычной дуговой электропечи.

Схемы плазменно-дуговых печей
Схемы плазменно-дуговых печей
а — для плавки металла, 1 — плазматрон; 2 — камера печи; 3 — соленоид для перемешивания жидкого металла; 4 — подовый электрод — анод;
б — для переплава металла; 1 — электрод; 2 — камера; 3 — сопло плазмотрона; 4 — кристаллизатор

Водоохлаждаемый медный анод смонтирован заподлицо с подиной и находятся в контакте с жидким металлом. Неплавящийся катод плазмотрона выполнен из толстого вольфрамового прутка, зажатого в медной токоведущей цанге. Медное водоохлаждаемое сопло плазмотрона одновременно служит для поджига дуги, ее формирования и защиты катода от брызг металла и шлака. Предварительно откачанная камера печи засполняется вытекающим из плазмотрона газом (аргоном, азотом, водородом) и после достижения определенного давления, обычно близкого к атмосферному, начинается процесс плавки. Вначале плазменная дуга проплавляет в шихте узкий колодец, и жидкий металл, стекая вниз, скапливается на подине, а затем расплавляется весь объем ванны. Дегазация и рафинирование металла особенно интенсивно протекают на поверхности ванны, где жидкий, несколько перегретый плазменной струей металл контактирует с нейтральной или восстановительной газовой атмосферой печи. Для перемешивания жидкого металла в подине печи установлены два соленоида, включенных последовательно в цепь питания плазмотрона. Магнитное поле, создаваемое этими соленоидами, взаимодействуя с магнитным полем тока, протекающего через ванну, приводит жидкий металл в движение. Для плавки используются плазмотроны постоянного тока в несколько тысяч ампер. Напряжение дуги в зависимости от состава, расхода газа и ее длины изменяется в пределах 30-150 В. Часто для повышения мощности печи для расплавления металла в одной ванне параллельно работают несколько плазмотронов. К. п. д. плазмотронов при наплавке достигает 85%. Расход электроэнергии на плавление почти такой же, как в обычных дуговых электропечах. В настоящее время исследуются печи, работающие на плазмотронах переменного тока. Плазменная плавка по сравнению с другими способами плавки имеет следующие преимущества: исключается загрязнение металла нежелательными примесями, например углеродом из графитированных электродов, применяемых в обычных дуговых печах; плазменная струя может состоять из любой необходимой смеси газов, что позволяет поддерживать в печи любую атмосферу — окислительную, восстановительную или нейтральную; в плазменно-дуговых печах можно достичь высоких и легко регулируемых температур, а стабильность процесса упрощает проблему его регулирования. Большие перспективы для получения особо чистых металлов открывает разработанный в Институте электросварки им. Е. О. Патона способ плазменно-дугового переплава (ПДП). Схема процесса ПДП дана на рис., б [2]. Стержень из перерабатываемого материала, так называемая штанга, форма сечения которого может быть любая, подается с постоянной скоростью и оплавляется факелом одной или нескольких плазменных дуг, анодом которых является поверхность ванны жидкого металла в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе. Стекающий со штанги равномерными каплями металл прогревается плазменной струей и растекается по поверхности ванны. В контакте с контролируемой газовой атмосферой камеры металл рафинируется и, затвердевая под воздействием холодных стенок кристаллизатора, вытягивается из него с определенной постоянной скоростью в виде непрерывного слитка круглого или прямоугольного сечения. Включая все преимущества процесса, описанного ранее, данный процесс обеспечивает более стабильное и высокое качество переплавляемого металла без перемешивания его. Благодаря возможности более точного ре гулирования температуры расплавляемого металла за счет изменения геометрических и электрических параметров плазменной дуги процесс ПДП является более гибким по сравнению с существующими процессами вакуумно-дугового или электрошлакового переплава. Так например, при ПДП можно в определенных пределах изменять температуру перегрева металла ванны независимо от скоростей плавления штанги и вытягивания слитка, что очень важно для управления процессами рафинирования металла (удалении газов, раскисления металла, удаления легкоплавких примесей цветных металлов). Кроме того, равномерный обогрев ванны позволяет получить плоскую конфигурацию дна ванны расплавленного металла, что обеспечивает получение высокого качества кристаллизуемого слитка, т. е. обеспечивает плотность, однородность, направленную кристаллизацию его вдоль вертикальной оси. С применением замкнутой системы рециркуляции и регенерации рабочего газа мощные установки плазменной плавки и переплава могут конкурировать с электропечами.