Плазмова металургія

ПЛА́ЗМОВА МЕТАЛУ́РГІЯ — напрям металургії, повʼязаний із викори­ста­н­ням низькотемпературної (~ 104 К) плазми для одержа­н­ня й обробле­н­ня металів і сплавів. За допомогою П. м. виплавляють метали із руд, отримують чисті метали, напівпровідники, оксиди, нітриди та карбіди, вирощують монокристали, пере­плавляють метали у плазмових печах, обробляють метали та сплави в плазмових реакторах і метали газами у рідкому стані, здійснюють інтенсифікацію існуючих способів плавле­н­ня тощо. Цей напрям почав роз­виватися у 1950-х рр. у СРСР, Японії, США, НДР, ФРН та ін. країнах. У П. м. для на­гріва­н­ня обʼєктів можуть використовувати електричну дугу, електромагнітне поле (високочастотні генератори плазми), їх по­єд­на­н­ня або гібридні схеми на­гріва­н­ня із за­стосува­н­ням вуглеводнів і лазера як другого джерела енергії. Найчастіше за­стосовують електричну дугу, що стиснута аксіальним або радіальним потоком газу в ка­налі сопла плазмотрона, що під­вищує її температуру до декількох тисяч °C. На базі таких високо ентальпійних джерел тепла — плазмотронів — створені різноманітні технологічні процеси: плазмово-дуговий пере­плав (ПДП), обробле­н­ня зливків, отрима­н­ня порошків, вирощува­н­ня монокри­сталів, печі для виплавля­н­ня складнолегованих сталей і сплавів; виробництво сплавів на основі ряду кольорових та благородних металів; отрима­н­ня зливків без попереднього компактува­н­ня ши­хтових матеріалів, рециклінг дорогоцін­них від­ходів металургійного виробництва, отрима­н­ня залізонікелевих прецизійних сплавів, аморфних напів­провід­ників тощо.

В Україні мас­штабні роботи із за­стосува­н­ня плазмового на­гріва­н­ня в металургії роз­почато 1963 під керівництвом Б. Патона. В Ін­ституті електрозварюва­н­ня АН УРСР (Київ) досліджено надточні дугові роз­ряди в різноманітних газових середовищах при широкому діапазоні тисків. За­пропоновано значну кількість композицій електродних матеріалів і матеріалів для виготовле­н­ня вузлів плазмотронів. Ви­вчено теплотехнічні особливості роботи плазмотронів (В. Лакомський та ін.) і фізико-хімічні процеси, що від­буваються при викори­стан­ні плазмового на­гріва­н­ня (В. Лакомський, Г. Григоренко, Ю. Латаш, О. Забарило, Г. Торхов та ін.), роз­роблено технологічні варіанти ПДП з невитратними та витратними плазмотронами різних кон­струкцій із суцільними й порожнистими електродами, плазмотрони змін­ного струму, спроєктовано джерела живле­н­ня та плазмово-дугові печі чотирьох класів у діапазоні потужності 50—2000 кВт (А. Чвертко та ін.).

За­звичай електрод плазмотрона, на який спирається дуга, не плавиться (невитратний плазмотрон). Як електродний матеріал можна використовувати вольфрам, графіт, мідь або композити, на­приклад, на основі графіту. Залежно від матеріалу електрод слугує або катодом, або анодом, а до металу від­повід­но під­водять інший полюс джерела живле­н­ня.

1960 для реалізації технології в на­званому Ін­ституті роз­роблено багатоплазмотрон­ну спів­вісно-вертикальну схему пере­плаву, що стала основою для конструюва­н­ня плазмово-дугових печей. Були закладені основи технології ПДП у водо­охолоджуваному кри­сталізаторі (Б. Патон, В. Лакомський).

За допомогою ПДП вирішують декілька про­блем: управлі­н­ня кри­сталізацією металу (зливка), обробле­н­ня металу активованими газами з регулюва­н­ням складу газової фази, що забезпечує рафінува­н­ня металу від неметалевих домішок шляхом їх по­дрібне­н­ня та флотації на поверх­ню металевої ванни в результаті пере­мішува­н­ня металу під впливом дії електричних дуг, а також, за необхідності, легува­н­ня металу з газової фази, на­приклад, азотом (В. Лакомський та ін.).

Схематично технологічний процес від­бувається за такою схемою: у герметичній камері роз­міщені заготовка, що пере­плавляють, кілька потужних плазмотронів, мідний водо­охолоджуваний кри­сталізатор, а також зливок, що отримують в результаті пере­плаву. Заготовки, що пере­плавляють, як і зливки, можуть бути будь-якої форми (круглі, квадратні, прямокутні, що складаються з окремих прутків тощо). Отримані зливки мають якісну поверх­ню і не потребують додаткового обробле­н­ня перед прокатува­н­ням.

Крім плазмово-дугових печей, для виплавля­н­ня зливків були створені плазмово-дугові гарнісажні печі, в яких від­сутня взаємодія роз­плаву з футерува­н­ням. Незалежне джерело на­гріва­н­ня (плазмотрон) до­зволяє роз­плавляти будь-які ши­хтові матеріали, витримувати роз­плав тривалий час та отримувати необхідне пере­гріва­н­ня металу.

В Україні створено обладна­н­ня та роз­роблено технології ПДП для різного за­стосува­н­ня у металургії. Від 1973 на Комунарському металургійному комбінаті (нині Алчевськ Луганської обл.) екс­плуатували печі потужністю 600 кВт для виплавля­н­ня зливків-слябів титанових сплавів з від­ходів листового прокату. На Запорізькому титаномагнієвому комбінаті була створена плазмово-дугова піч УП-100, яку використовували для виплавля­н­ня з від­ходів губчастого титану зливків циліндричної або плоскої форми (одночасно два зливки, або за іншою схемою поперемін­но по одному зливку з пере­ливом з одного кри­сталізатора в інший). Роз­роблено піч і технологію виплавля­н­ня титанових зливків без­посередньо з кускової шихти (губчастого титану), минаючи операцію пресува­н­ня заготовок.

1973 на заводі «Дні­проспец­сталь» (Запоріж­жя) вперше реалізовано технологію пере­плаву плазмотроном, що витрачається. Були виплавлені зливки діаметром 320 мм (масою до 1,0 т) з високоміцної та жароміцної азотовмісної сталі.

Створе­н­ня в за­значеному Ін­ституті металургійних плазмотронів потужністю до 5 МВт із великим ресурсом до­зволило за­пропонувати і роз­робити трифазні плазмово-дугові комплекси змін­ного струму. Їх використовували для інтенсифікації плавле­н­ня в вакуумних індукційних печах або печах від­критого типу чи для пі­ді­гріва­н­ня металу в ковші-печі. Ці установки закупили фірми «Крупп» (Німеч­чина), «Ніп­понстил» (Японія) та ВАТ «Бум­маш» (м. Іжевськ, Удмуртія, РФ), роз­роблені в Ін­ституті технології П. м. 1967 впроваджено на Іжевському металургійному заводі, а у 1970-х рр. — на заводах у м. Електро­сталь (Московська обл.), Киргизькому гірничо-металургійному комбінаті, Ленінабадському комбінаті рідкісних металів (нині м. Худжанд, Таджики­стан), Державному під­приємстві «Рубін» (м. Умань Черкаської обл.) та ін. За­стосува­н­ня плазмових джерел тепла в процесі позапічного обробле­н­ня металу до­зволило уникнути недоліків, властивих ківш-печам з дуговим на­гріва­н­ням, і досягти кращої якості сталі. 1988 100-тон­ний ківш-піч, обладнаний плазмовим на­грівальним комплексом потужністю до 5 МВт, фірма «Ніп­понстил» за­стосувала на технологічному ланцюжку домна—конвертер—плазмове позапічне обробле­н­ня сталі—машина без­перервного лиття.

Плазмові джерела на­гріва­н­ня до­зволяють замінити механічні способи видале­н­ня поверх­невих дефектів без­від­ходними. 1975 в Ін­ституті електрозварюва­н­ня АН УРСР створено без­від­ходний метод усуне­н­ня поверх­невих дефектів зливків плазмово-дуговим пере­плавле­н­ням поверх­ні на глибину 15 см. Основними технологіями плазмового поверх­невого обробле­н­ня є: плазмово-механічне обробле­н­ня, плазмово-дугове зачище­н­ня, плазмово-дугове оплавле­н­ня та рафінува­н­ня поверх­невого шару. Обробле­н­ня поверх­невого шару зливка хромонікельмолібденової нержавіючої сталі для труб від­повід­ного при­значе­н­ня на глибину 6—8 мм створює щільну дрібнозернисту структуру, що об­умовлює високу технологічну пластичність зливків при куван­ні та прокатуван­ні.

П. м. роз­ширила можливість азотува­н­ня — насиче­н­ня азотом кон­струкційних, нержавіючих і жароміцних сталей, сплавів на основі титану та тугоплавких металів з метою під­вище­н­ня від­повід­них екс­плуатаційних властивостей (зносо­стійкості, твердості, межі втоми, корозійної стійкості, жароміцності).

Плазмове на­гріва­н­ня за­стосовують під час створе­н­ня плазмово-індукційних печей, при­значених для пере­робле­н­ня низькосортної сировини (дрібногабаритного скрапу, шихти з високим вмістом сірки) або заміни вакуумних індукційних печей. Плазмово-індукційне плавле­н­ня до­зволяє сут­тєво під­вищити механічні характеристики високолегованих ливарних сталей (нержавіючих, інструментальних), скоротити час проведе­н­ня процесу за рахунок плазмового на­гріва­н­ня й інтенсифікації роботи індукційного джерела на­гріва­н­ня. Для інтенсифікації плавле­н­ня в індукційних плавильних печах роз­роблено низку технологічних процесів, плавильних агрегатів з індукційним та плазмово-дуговим на­гріва­н­ням (І. Шейко). Додаткове плазмове на­гріва­н­ня в індукційних печах забезпечило можливість виплавляти високо­якісний метал з шихти, що повністю складається з дрібносипучих знімань та стружки. Дослідже­н­нями в Ін­ституті про­блем литва АН України (Київ) доведено, що плазмово-індукційні печі можна ефективно використовувати для виплавля­н­ня ши­хтових заготовок як з кондиційних, так і некондиційних від­ходів. За­стосува­н­ня таких заготовок при виробництві лиття економічно вигідне та забезпечує отрима­н­ня виливків із за­даними властивостями (Е. Полєтаєв).

1990 в Ін­ституті електрозварюва­н­ня АН УКраїни створено обладна­н­ня та технологію плазмово-індукційного вирощува­н­ня над­звичайно великих профільованих монокри­сталів вольфраму та молібдену (В. Шаповалов). Ця технологія не має аналогів у світі. Кри­стали у ви­гляді пластин роз­міром 20 х 170 х 160 мм використовують як заготовки для широкоформатного монокри­сталічного вальцюва­н­ня, виготовле­н­ня дзеркал потужних лазерів, мішеней для роз­пилюва­н­ня в електроніці, антикатодів для потужних рентґенівських ламп тощо.

ПДП за­стосовують і для викона­н­ня протилежних зав­дань — створе­н­ня металевих матеріалів з аморфною або мета­стабільною структурою, є одним із напрямів металургії, що роз­виваються. Для отрима­н­ня речовини у твердому стані, властивості якої ізотропні (однакові) у всіх напрямках, використовують різні методи, в основі яких лежить швидкий пере­хід їхнього рідкого стану у твердий. При цьому тверді­н­ня має приходити на­стільки швидко, щоб атоми не встигли побудуватися в ґрати і залишалися замороженими в тих положе­н­нях, в яких вони знаходилися у роз­плаві. Аморфні металеві сплави за­стосовують для виготовле­н­ня деталей електрон­них, акустичних та вимірювальних приладів, різальних інструментів, армувальних волокон, стрічок, порошків у різноманітних композитах з під­вищеними характеристиками міцності. З армованих сплавів із високою питомою міцністю виготовляють кон­струкції літальних апаратів. Аморфні сплави мають набагато вищий опір, ніж кри­сталічні, але при цьому характеризуються високою магнітною проникністю. Так, осердя транс­форматорів з аморфної сталі до­зволяють в декілька разів скоротити втрати електро­енергії в них. Більшість металевих сплавів в аморфному стані мають під­вищену хімічну стійкість у різних агресивних середовищах порівняно з кри­сталічними сплавами тих же складів.

У Ін­ституті електрозварюва­н­ня НАНУ роз­роблено процес спінінгува­н­ня — отрима­н­ня аморфної стрічки на плазмово-дуговій установці з мідним охолоджуваним водою тиглем. Плавильну камеру із завантаженою ши­хтою герметизують, заповнюють аргоном (до тиску не нижче атмо­сферного тиску) та збуджують плазмовою дугою. Отриманий роз­плав пере­грівають до за­даної температури, від­кривають щілину керамічного сопла в днище камери. У камері під­вищують тиск і роз­плав вичавлюють на доріжку барабана-охолоджувача, що обертається. У результаті на поверх­ні доріжки, що швидко рухається, формується стрічка аморфного металу.

На базі ПДП створено технології отрима­н­ня феро­сплавів із викори­ста­н­ням рудної сировин­ної бази та техноген­них покладів (В. Шаповалов та ін.), на­приклад, 70-від­соткового феротитану. Значною пере­вагою виявилося за­стосува­н­ня плазмового на­гріва­н­ня в печах з керамічною футерівкою. Так, вміст кисню на 30—35 %, a неметалевих домішок у 1,5—2 рази менше, ніж у металі від­критого електродугового виплавля­н­ня. Плазмово-дугове на­гріва­н­ня економічно доцільно за­стосовувати для виплавля­н­ня або рафінува­н­ня металів і сплавів, що мають високу вартість. Так, 1976 уперше у світовій практиці за проєктом Ін­ституту електрозварюва­н­ня АН УРСР створено великовантажну пере­плавну ПДП змін­ного струму потужністю 1800 кВт для виплавля­н­ня квадратних і циліндричних зливків масою до 5 т. Створено кілька поколінь таких печей. Іншим прикладом може слугувати введе­н­ня в екс­плуатацію першої в світі промислової печі для виплавля­н­ня сплавів платини та паладію, необхідних при виробництві скловолокна, для приладів керува­н­ня ракетами та літаками, мікрочіпів та ін. Уперше в світі були отримані чисті іридій і осмій у плавленому стані замість спечених брикетів.

Науковими і кон­структорськими установами, вищими і галузевими лабораторіями України вирішено низку актуальних про­блем П. м., а під­приємства України були полігоном для впровадже­н­ня і удосконале­н­ня нових технологій спеціальної електрометалургії. Нині одним із провід­них виробників обладна­н­ня для реалізації плазмово-дугових технологій є фірма «RETEH».

Фотоілюстрації

×

❮ ❯

Завантажити статтю