Использование процесса ЭШП без предварительной выплавки электродов

2.1 Стружка легированного металла.

В настоящее время ее переплавляют и готовят электроды, но это связано с потерями легирующих. Чтобы предотвратить это -

а) При ЭШП с расходуемым электродом стружку подают через специальное устройство - воронку на шлак. Для уменьшения потерь легирующих над шлаком создается специальная атмосфера.

б) При ЭШП с нерасходуемым электродом (например, графитовым) – в этом случае возможно науглероживание металла.

Сложности: возможно прилипание к электроду, поэтому с определенной цикличностью уменьшают мощность.

2.2 Металлизованные окатыши.

• обычный способ подготовки электрода;

• подготовка электродов прессованием;

• запрессовка окатышей в специальную трубу, из материала близкого по составу к выплавляемому металлу;

• непрерывная подача окатышей на слой шлака.

Сложности: постоянное изменение состава шлака.

Кроме того, более широкое внедрение жидкого старта и дуплекс – процесса ВИП – ЭШП.

2.4. ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ НАГРЕВ (ПДН)

2.4.1. Обшая характеристика плазменно-дугового нагрева

Разработка новых металлических материалов с высокими физическими свойствами по существу исчерпала все возможности классических металлургических процессов. Настоящие и особенно будущие требования относительно повышения прочности, коррозионной стойкости, магнитных и электрических свойств и других физических параметров могут быть выполнены путем применения нетрадиционных способов производства металлов и сплавов.

Плазменная металлургия создает условия для удовлетворения требованиям к прочностным показателям материалов в условиях сверхнизких, нормальных и повышенных температур, которые выдвигаются в настоящее время и сохранятся в будущем. Эго относится и к требованиям ядерной энергетики, электротехнической промышленности, машиностроения и других развивающихся отраслей промышленности. Наряду со способами ЭШП и ЭЛП плазменно-дуговой переплав является еще одним методом электрометаллургии, который характеризуется широкими технологическими возможностями и значительным экономическим эффектом, проявляющимися в конечном качестве промышленной продукции и эффективности технологического оборудования, где могут быть использованы только материалы с исключительно высокими физическими свойствами.

Первые исследования, направленные на разработку методов плазменной плавки металлов, были начаты в первой половине 60-х годов такими странами как СССР, США и Япония, а также ГДР, Бельгия, Франция и др.

По мере изучения свойств плазменного разряда и совершенствования конструкций плазматронов стало ясно, что применение его может повысить технологические преимущества существующих сталеплавильных процессов и позволит создавать новые оригинальные процессы, обладающие своими специфическими преимуществами.

В целом достоинства плазменного нагрева применительно к сталеплавильному производству обусловливаются следующими особенностями:

- возможностью обработки расплавов газами в «активизированном» состоянии;

- высокой стабильностью и регулируемостью разряда в широком диапазоне давлений: от нескольких сотен тысяч до десятых долей Паскаля;

- возможностью создания в плавильном объеме плазменных печей контролируемой атмосферы (нейтральной, восстановительной, окислительной); а в герметичных агрегатах — повышенного давления или вакуума;

высокой удельной мощностью плазматронов;

- плазменный разряд является «чистым» источником нагрева, т.е. не вносит каких-либо загрязнений в металл (при соответствующем контроле атмосферы);

плазменные разряды любого типа, используемые в металлургии, являются практически бесшумными.

Плазменная плавка является наиболее высокопроизводительным процессом среди всех существующих способов специальной электрометаллургии. Применительно к конкретным методам плавки имеются дополнительные преимущества, связанные со спецификой этих процессов.

Применение плазменного нагрева в сталеплавильном производстве развивается по трем основным направлениям:

1. плазменная плавка (ПП) сталей и сплавов в печах с керамическим тиглем (типа Линде);

2. различные модификации метода плазменно-дугового переплава (ПДП) в печах с кристаллизатором;

3. использование плазменного нагрева в комбинации с другими способами нагрева для повышения технологичности и экономичности существующих методов выплавки стали, например, индукционная плавка с плазменным подогревом.

В настоящее время созданы достаточно надежные конструкции плазменных печей (ПП) и мощных плазматронов (до 4 МВт); разработаны технология легирования сталей различного типа азотом из газовой фазы и технология выплавки сложнолегированных (в частности, высокохромистых) сталей с содержанием азота <0,025 %, процессов раскисления и десульфурации.

Переплавные печи с кристаллизатором можно условно разделить на два класса: печи, работающие при нормальном либо повышенном давлении, и установки, работающие при низком давлении. Первый способ называют методом плазменно-дугового переплава (ПДП), второй - методом вакуум-плазменного переплава (ВПП).

Оба метода по своим возможностям перспективны и технологически эффективны. Методы плазменного переплава позволяют использовать шлаки, варьировать в широких пределах давлением и составом атмосферы, независимо регулировать вводимую мощность и скорость переплава, т. е. обеспечивают более гибкое регулирование условий кристаллизации и рафинирования, чем методы ВДП и ЭШП.

Метод ПДП весьма эффективен для производства сталей с особо высоким содержанием азота, прецизионных сплавов, ряда жаропрочных сплавов и т. д. Особенно перспективен он для производства высокопрочных марганцевых сталей.

Процесс ВПП обеспечивает рафинирование хромоникелевых сплавов и нержавеющих сталей от азота на 60—70% при минимальных потерях легирующих, в частности хрома 1—1,5% (отн.). Для сравнения, метод электроннолучевого переплава, обеспечивает примерно такую же степень рафинирования, что и ВПП, но при гораздо больших (на порядок) потерях легирующих в результате испарения, а степень рафинирования сложнолегированных сталей и сплавов от азота при вакуумно-дуговом переплаве ниже (не превышает 10—15%), чем при ВПП.

Использование процессов ВПП и ПДП позволяет существенно повысить качество и стабильность свойств металлов, выплавляемых методами ВДП и ЭШП, расширить сортамент сталей и сплавов, производимых переплавными процессами, освоить производство принципиально новых марок сталей и сплавов, производство которых существующими методами невозможно (например, сталей с особо высоким содержанием азота, значительно превышающим предел его стандартной растворимости).

Плазменный нагрев также может быть использован для обогрева ковша при внепечной обработке стали, создания комбинированных технологических схем производства стали, создания полунепрерывных сталеплавильных процессов и др.

2.4.2. Особенности работы металлургических плазматронов

Общая характеристика плазматронов

Как было отмечено выше (раздел 1.2), в металлургии используют низкотемпературную плазму, которую получают с помощью дуговых плазмотронов. Простейший дуговой плазматрон имеет один или два электрода: внутренний (основной) в виде стержня и внешний (вспомогательный) в виде сопла (рис. 2.19). Основными частями плазматрона являются водоохлаждаемые корпус (1) и катододержатель (3), катод (2) и сопло (4).

В плазматронах постоянного тока внутренний электрод чаще всего служит катодом, а сопло – вспомогательным анодом. Катод и анод расположены соосно. Плазмообразующий газ подается в зазор между катодом и соплом. При подаче напряжения на электроды зажигается электрическая дуга. Процесс начинается с разогрева катода и эмиссии свободных электронов с его поверхности. Далее электроны разгоняются электрическим полем, выбивая электроны из встречных атомов и молекул. Их ионизация приводит к образованию электронной лавины и дальнейшей ионизации атомов и молекул. При истечении газа из сопла дуга сжимается, что приводит к автоматическому повышению температуры сформировавшейся плазмы и увеличению плотности тока. Температура на оси дуги вблизи сопла может достигать 30000 К.

Рис. 2.19. Схема дугового плазматрона

1 - водоохлаждаемый корпус; 2 – катод; 3 - водоохлаждаемый катододержатель; 4 - сопло.

Катод изготовляется из тугоплавкого металла, например, вольфрама, молибдена, тантала или ниобия с присадками оксидов тория, иттрия, кальция, церия и бария для уменьшения работы выхода электронов. Если нет опасения науглероживания металла, катод может быть и графитовым. Катод устанавливается в медный водоохлаждаемый держатель путем запрессовки, пайки или с помощью резьбы. Диаметр катода зависит от силы тока разряда. При силе тока дуги 3…10 кА диаметр катода составляет 12…25 мм. Чтобы печные газы не проникали внутрь плазматрона, скорость истечения газа вдоль катода должна быть не менее 1,5-3 м/с. При увеличении силы тока требуется увеличить также и расход газа.

Механизм образования плазмы, свойства и параметры плазменной струи зависят от рода и свойств плазмообразующей среды. Все газы, кроме водорода, могут быть ионизованы многократно с образованием одно-, двух-, трехзарядных и т.д. ионов. В многоатомных газах молекулы диссоциируют(ся).

Важным тепловым параметром плазменной струи в металлургии является ее энтальпия, т.е. количество тепла, содержащееся в единице объема или массы струи. Чем выше степень и кратность ионизации, тем больше энтальпия плазмы. Энтальпия молекулярных газов выше энтальпии одноатомных. Например, при температуре 10⁴ К энтальпия азота (N) в плазменной струе в пять раз превышает энтальпию аргона (Ar) в аргоновой плазме, что объясняется затратой энергии на процесс диссоциации молекул азота и накоплением энергии в атомах. Для повышения температуры металла можно использовать высокоэнтальпийные молекулярные плазмообразующие газы, т.к. они при относительно низких температурах обладают той же тепловой эффективностью нагрева, что и одноатомные газы. Другим способом повышения температуры металла за счет повышения энтальпии плазменных струй является сжатие дуги.

Плазмообразующие газы

Плазмообразующие газы могут состоять из чистых газов или их смесей, т.е. быть однокомпонентными и многокомпонентными. От состава плазмообразующего газа зависят конструкция и энергетические параметры плазматрона, тип и электрический режим источника питания, основные технологические и экономические показатели металлургического процесса.

В качестве плазмообразующей среды применяют аргон, гелий, азот и водород. Подбором состава многокомпонентной плазмообразующей среды можно создать любую среду:

- окислительную – например, кислородосодержащие смеси при плазменной резке;

- восстановительную – например, водородосодержащие смеси, для рафинирования металлов.

Используемые в технике чистые газы, как правило, имеют небольшие примеси попутных газов, поэтому, строго говоря, понятие однокомпонентной плазмы несколько идеализировано. Кроме того, учитывая то, что в плазме могут одновременно присутствовать возбужденные атомы и ионы одного и того же элемента, обладающие разными термодинамическими свойствами, даже в наиболее простых случаях плазму только условно можно назвать однокомпонентной. Так, в аргоновой плазме кроме атомов и ионов аргона, присутствуют в небольших количествах атомы, ионы и молекулы кислорода, водорода, углерода, азота и их соединения.

Физические свойства металлов в большой степени зависят от количества растворенных в них или химически связанных газов. Содержание газов в материале после переплава зависит от их парциального давления в печной атмосфере. Особенно чувствительны к атмосфере плавильных печей высокореакционные металлы. Технический аргон может содержать недопустимые количества других газов, таких как азот, кислород, углеводород, а также влаги. В связи с высокой реакционной способностью этих газов в возбужденном, атомарном и ионном состояниях, а также с учетом принципа работы плазменных печей необходимо снижать их содержание

В большинстве случаев при плавлении металлов это не играет особой роли, но в ряде случаев, например, в переплавных процессах, требования к чистоте газа бывают достаточно высокие, поэтому плазмообразующий газ подвергают очистке. Основными газами, используемыми в плазменной металлургии являются аргон, азот, гелий и водород.

Аргон— это газ, который наиболее часто и в наибольших количествах применяется в плазменной металлургии. Аргон используется для стабилизации дугового разряда плазматронов, он является средой, передающей тепло нагреваемому материалу, и служит защитной рабочей атмосферой в плазменных металлургических агрегатах.

В России качество аргона регламентирует ГОСТ 10157—62. По этому стандарту поставляется аргон трех сортов: А, В и V. Состав аргона указанных сортов приведен в табл. 2.5.

Таблица 2.5 Состав аргона

Кроме аргона различной степени чистоты, в промышленно развитых странах на рынок поступают и смеси аргона с другими газами, обеспечивающими необходимый технологический эффект. Для плазменной металлургии можно применять смеси аргона с водородом, азотом или гелием. Для потребителей аргона выгодной является доставка аргона в жидком состоянии в специальных резервуарах. Газификация аргона осуществляется уже у потребителя в газовыпарителях. Применение резервуара для жидкого аргона снижает транспортные расходы и упрощает обращение с сосудами высокого давления сравнительно малой емкости.

Аргон обладает высокой проводимостью и самой низкой величиной энтальпии. Недостаточно высокие электрические и теплофизические характеристики аргона как плазмообразующего газа можно компенсировать значительным повышением его расхода, но аргон – один из наиболее дефицитных и дорогих газов. Его применение определяется тем, что он инертен и создает «химический вакуум», способствующий глубокому рафинированию металлов от вредных примесей, без потерь основы.

Азот при высоких температурах обладает довольно высокими значениями энтальпии, теплопроводности и теплоемкости, в результате чего электрический разряд в атмосфере азота обеспечивает достаточно эффективное преобразование электрической энергии в тепловую и передачу ее металлу. В пользу применения азота говорят его доступность и низкая цена. Широкое применение азота в качестве однокомпонентной плазмообразующей среды ограничено из-за возможного разрушения вольфрамового катода, поскольку при высокой температуре на его поверхности образуются нитриды вольфрама. Кроме того, использование технического азота, содержащего до 2% кислорода, приводит к разрушению катода в результате образования при температурах ≥ 600 С летучих оксидов типа WO₃, W₂O₃, W₂O₅. Поэтому азот в основном используют в качестве добавки к аргону при выплавке азотированных марок сталей.

Гелий – обладает более выгодными энергетическими характеристиками, чем аргон, однако он очень дорогой и дефицитный, поэтому используется лишь в качестве добавки к Ar.

Водород - самый высокоэнтальпийный плазмообразующий газ, однако чистый водород при высоких температурах разрушает катод. Его используют для получения сталей и сплавов высокой чистоты.

Основные характеристики плазмообразующих газов приведены в таблице 2.17.

Таблица 2.6 Характеристики плазмообразующих газов

Из данных табл. 2.6 вытекает, что теплопроводность водородной и гелиевой плазмы сравнительно высокая и в первом приближении лишь в два раза меньше теплопроводности меди (348-394 Вт/(м∙К)]. Плазмообразующие газы, обладающие высокой теплопроводностью и энтальпией (водород, азот), обеспечивают повышенную передачу тепла, поэтому применение их, как правило, приводит к быстрому нагреву и разрушению электродов. Чтобы уменьшить эрозионное воздействие молекулярных газов на электроды, а также обеспечить высокую энтальпию, их смешивают с инертными газами. Температура потока плазмы и при низкой энтальпии превышает температуру плавления переплавляемых материалов, поэтому ее энтальпия имеет гораздо большее значение, чем температура.

Большие различия в энтальпии атомарных и молекулярных газов можно объяснить тем, что энергия, которая передается в столбе плазмы одноатомным газам, определяется энтальпией и энергией ионизации, тогда как в случае двухатомных газов большое количество энергии, кроме того, расходуется еще на диссоциацию молекул на атомы.

В относительно холодных периферийных областях плазменного разряда вследствие рекомбинации ионов высвобождается энергия, израсходованная на предшествующую ионизацию в горячих центральных областях. При использовании молекулярных газов в холодной области наряду с энергией ионизации высвобождается также и энергия диссоциации. Различная энтальпия плазмообразующих газов влияет на вольтамперные характеристики. Газ с большей энтальпией нуждается соответственно в подводе большей электрической мощности. Преимущества молекулярных газов по сравнению с одноатомными с экономической и энергетической точек зрения становятся очевидными при сравнении параметров работы плазматрона (табл. 2.6).

В ряде случаев в качестве плазмообразующего газа используют природный газ, оксиды углерода и др. Чаще всего используют не чистые газы, а их смеси. Выбор двухкомпонентных плазмообразующих смесей вызван тем, что основной компонент обеспечивает высокие энергетические параметры разряда, второй компонент – стабилизирует работу плазматрона (защиту) и обеспечивает технологические функции плазменной струи.

Требования к металлургическим плазматронам

В плазменной металлургии используются преимущественно плазматроны с дуговым разрядом, стабилизированным газами. Функциональная часть плазматрона, предназначенного для переплава металла приведена на рис. 2.20. Основными частями плазматрона являются катод (1) и сопло (2). Катододержатель электрически изолирован от корпуса плазматрона. В зазор между ними подается плазмообразующий газ, который сжимается соплом. Дуга горит между катодом и ванной жидкого металла, которая является анодом. Дуга стабилизируется потоком инертного газа – аргона – и медным соплом, который защищает катод от брызг жидкого металла.

Рис. 2.20. Функциональная часть плазматрона для переплава металлов:

1 - вольфрамовый катод; 2 — медное водоохлаждаемое сопло

Металлургические плазмотроны работают в условиях концентрированных тепловых потоков в течение всей плавки, которая может длиться несколько часов, поэтому к ним предъявляются особые требования: большой ресурс работы; высокая стойкость против эрозии катода и сопла; широкий диапазон регулирования мощности; возможность работы на инертных газах, а также на водороде и азоте при малом расходе газа и сравнительно большой мощности и др.

При анализе энергетического баланса в области анодного падения потенциала следует учитывать, что мощность подводится к аноду потоком электронов, а также в результате излучения и теплопроводности столба электрической дуги. Эта мощность расходуется на передачу тепла теплопроводностью к более холодным участкам анода, на тепловое излучение, а у некоторых типов дуг — на испарение материала анода.

Различают плазмотроны с независимой дугой (анод - сопло) и с зависимой дугой (анод - металл). Эффективность передачи тепла металлу при работе плазмотрона в режиме с зависимой дугой выше, чем в режиме с независимой, поэтому в металлургии основным анодом является нагреваемый металл, а сопло может служить лишь в качестве вспомогательного анода.

В плазматронах с зависимой дугой передача тепла нагреваемой поверхности пропорциональна энтальпии, расходу газа и температуре газового потока.

Обычно в случае дуговых плазматронов стремятся повысить напряжение дуги. Это достигается следующими способами:

- применением многоатомных газов, обладающих высокой энтальпией и требующих высокого напряжения дуги.

- увеличением длины дуги до значений, ограничиваемых допустимыми потерями тепла излучением.

- сжатием дуги, т. е. повышением скорости обдува дуги потоком газа.

Важным преимуществом плазматронов, работающих с независимой дугой, является их способность нагревать любые материалы, т.е. обладающие и не обладающие электропроводностью. Кроме того, плазменная струя в отличие от столба плазменной дуги не оказывает агрессивного воздействия на поверхность нагреваемого материала. В общем же нагрев плазменной струей при работе с независимой дугой является менее экономичным, чем нагрев связанной электрической дугой.

Рис. 2.21. Электрическая схема плазматрона при переплаве материалов, обладающих электрической проводимостью:

1—катод; 2—расплавляемый материал; 3 — сопло; Rв— балластное сопротивление для ограничения силы тока во вспомогательной независимой дуге; 4 — газ; 5 — вода.

Дуговой разряд обычно зажигается либо контактным способом, либо при помощи осциллятора, который возбуждает дежурную дугу между катодом и вспомогательным соплом плазматрона, к которому на время возбуждения дуги подводится положительный потенциал. Газ, проходя через сопло, ионизируется с помощью дежурной дуги и замыкает цепь между катодом и поверхностью нагреваемого металла, являющимся анодом. После появления основной дуги между катодом и анодом, сопло плазматрона можно отключать от электрической цепи. Поднимая плазматрон, сжатую газовым потоком дугу растягивают до необходимой длины.

Столб плазменной дуги в этой схеме «привязан» к нагреваемому материалу. Сечение столба плазменной дуги зависит, прежде всего, от диаметра сопла плазматрона, что позволяет его подбором достичь необходимой концентрации тепловой энергии. Вспомогательная дуга между катодом и соплом плазматрона мало влияет на энергетические параметры рабочего столба плазменной дуги, но значительно улучшает его стабильность, прежде всего при работе в импульсном режиме.

Рассмотренная схема работы плазмотрона позволяет регулировать мощность в очень широком диапазоне и обеспечивает высокую стабильность рабочего режима.

Плазматроны с независимой электрической дугой используются в тех случаях, когда нельзя замкнуть электрическую цепь между нагреваемым материалом и электродом плазматрона или когда технически более выгодно использовать независимый источник плазмы с температурой 5000-6000 К.

Плазматроны с зависимой электрической дугой, или прямого действия, нашли широкое распространение при переплаве и рафинировании металлов. При выборе соответствующего диаметра сопла и правильной организации потоков газа межэлектродный промежуток симметрично заполняется столбом плазмы. Высокая концентрация тепловой энергии достигается сжатием электрической дуги с помощью сопла, которое оказывает одновременно на дугу стабилизирующее воздействие.

Плазматроны, работающие в пространстве плазменной печи, испытывают большие нагрузки из-за высокой температуры рабочей атмосферы и излучения нагреваемого металла. Поэтому при конструировании их необходимо соблюдать следующие требования:

1. К частям плазматронов, расположенным в рабочем пространстве печи, нельзя подсоединять никакие подводящие кабели, водяные или газовые шланги.

2. Все металлические детали плазматронов должны охлаждаться водой.

3. Все неметаллические детали, включая уплотнения, должны быть теплоизолированы от воздействия горячих газов и излучения или их нужно экранировать охлаждаемыми блоками.

4. Конструкция плазматрона должна быть выполнена таким образом, чтобы он мог быть герметично уплотнен в печи; по возможности следует предусматривать возможность его осевого перемещения в этом уплотнении.

Достаточно жесткие требования предъявляются и к материалу катода. Обычно катод изготовляют из вольфрама (или его сплавов), поскольку основные характеристики его вполне удовлетворяют необходимым требованиям (температура плавления вольфрама 3660 К, температура кипения 5973 К, удельное сопротивление 0,06 Ом∙м²/м). Однако работа выхода электронов у него достаточно высокая (4,54 В), что требует нагрева катода до высоких температур для обеспечения необходимого уровня термоэлектронной эмиссии. Это приводит к быстрому разрушению катода. Для уменьшения работы выхода в вольфрам добавляется до 1-1,5 % оксида тория ThO₂ (работа выхода 3,35 В) или лантана La₂O₃. Эти добавки более чем вдвое повышают температуру рекристаллизации катода, которая для чистого вольфрама составляет 470-670 ^оС и при котором электрод теряет пластичность и легко разрушается.

Вольфрам с кислородом образует летучие оксиды, что приводит к разрушению катода. Поэтому в окислительной среде вместо вольфрамовых, используют циркониевые катоды, поверхность которых защищена тугоплавкими пленами его оксидов и нитридов.

Ресурс работы металлургических плазмотронов превышает 100 час. Сила тока мощных плазмотронов достигает 10 кА, номинальная мощность более 1 МВт, к.п.д. 60-80 %.

Для достижения требуемых температур и концентраций тепловой энергии выбирают различные схемы электрических соединений с применением постоянного и переменного тока. Выбор схемы зависит от требуемого способа ведения металлургических процессов и необходимого эффекта.