Плазмова металургія

ПЛА́ЗМОВА МЕТАЛУ́РГІЯ  — напрям металургії, пов’язаний 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 об’єктів 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