Технологии, которыми сегодня пополняется арсенал техники и производства, часто связаны с совершенно новыми явлениями и процессами. Об этом свидетельствует хотя бы фотография, помещенная в правой части цветного разворота (II — III). Это плазма, точнее «поток» плазмы, а под ним поверхность жидкого металла.
На фотографии (слева) изображена плазменная печь, в которой происходит подобный металлургический процесс. Ниже представлены схемы такой печи с футеровкой (огнеупорной облицовкой) (1). Сквозь свод печи пропущен плазмотрон, в котором возникает плазменный разряд. Печь работает на постоянном токе, и плазмотрон выполняет роль катода, анодом же служит подовый электрод. В печи на основе аргона создается инертная атмосфера.
I — схема плазменной печи с керамическим тиглем. А—дуговой плазмотрон прямого действия, максимальный ток до 10 кА, расход аргона 6—7 кубометров в час. II—III—способы рафинирующего переплава: вакуумно-дуговой переплав (II), электрошлаковый переплав (III). IV — открытая дуговая печь. V — вакуумно-индукционная плавка. Красные линии обозначают существующие технологические связи плазменной плавки с другими способами электрометаллургии. Синие линии — предполагаемые связи.
Ниже приведена схема плазмотрона. (А) основной его элемент — медная труба с водяным охлаждением и электроизоляцией. В нижней части трубы укреплен стержень из вольфрама, который и становится катодом при прохождении электротока. Медная труба одета в стальной кожух с внутренними полостями, по которым подаются аргон и вода для охлаждения всего узла.
Плазменная дуга. Вверху — плазмотрон, внизу — поверхность жидкого металла
Использование плазменной плавки позволяет экономить дорогостоящие и дефицитные легирующие добавки, а также существенно повысить качество металла за счет снижения содержания кислорода на одну треть, серы — вдвое, неметаллических включений в 1,5 раза, по сравнению со сталью, полученной в открытых дуговых печах. При работе плазменных печей окружающая атмосфера почти не загрязняется, уровень шума снижается до 40 децибел (при действии открытой дуговой печи он составляет 160 децибел).
Использование плазменной плавки дает возможность получать коррозионностойкие, низкоуглеродистые, быстрорежущие стали, жаропрочные, прецизионные сплавы.
Процесс плавки заключается в следующем. В печь загружается шихта. Затем плазмотрон и подовый электрод включаются в цепь постоянного тока силой до 10 кА и напряжением 200—500 вольт. Происходит разогрев вольфрамового стержня. По полостям плазмотрона начинает поступать аргон, который способствует появлению плазменного разряда между катодом и анодом. Возникает плазменная дуга с температурой 15 000—30 000 градусов Кельвина (температура обычной электродуги — 5— 8 тысяч градусов). Под воздействием высокой температуры компоненты, находящиеся в печи, переходят в жидкое состояние. Плавка длится в среднем 3 часа. Каждые сутки делается 6—7 плавок.
В чем же преимущества плазменной плавки по сравнению с другими способами электрометаллургии? Особого количественного выигрыша она не дает. Ее достоинства заключаются в том, что значительно повышается качество металла. Ведь при плазменной плавке создается возможность получения металла с минимальным содержанием примесей (кислорода, серы и других), которые ухудшают качество стали. Металл, получаемый в плазменных печах, содержит значительно меньше неметаллических включений, серы за счет более эффективного использования раскислителей. Сокращаются потери легирующих добавок, так называемый «угар» (характерный для открытых дуговых печей, IV), так как инертная атмосфера препятствует протеканию окислительных процессов. Наконец, плазменная плавка гораздо более «гигиенична», чем процесс в открытых дуговых печах. Благодаря более стабильному горению дуги при постоянном токе, а также присутствию аргона резко уменьшается объем выделяемых газов и пыли, к тому же печь работает практически бесшумно.
Плазменная плавка используется как самостоятельный вид металлургического передела, а также в сочетании с другими способами электрометаллургии. Она уже технологически связана с рафинирующим переплавом (II—III), что позволяет получить особо качественные стали. Предполагается также, что можно сочетать плазменную и вакуумно-индукционную плавки (ВИП). Это преследует экономические цели — подготовить шихту для ВИПа из некондиционных отходов, на что обычно требуется очень много времени и усилий.
Можно также технологически связать плазменную плавку и работу открытой дуговой печи (IV) с целью экономии легирующих добавок. При такой технологии в плазменной печи заранее готовится так называемая лигатура — смесь легирующих добавок. Тем временем в открытой дуговой печи плавится металл. Затем его и лигатуру смешают в ковше, с тем чтобы получить сталь высокого качества.
