Спосіб вакуумно-плазмової обробки розплаву металу

1. Спосіб вакуумно-плазмової обробки розплаву металу, що включає його плазмовий нагрів, продувку та вакуумування високотемпературним газом у камері, яку вакуумно ущільнюють оброблюваним розплавом, який відрізняється тим, що додатково здійснюють циркуляційне переміщення розплаву з глибини ванни крізь вакуумну камеру над вертикальною перегородкою і назад у ванну за допомогою нагрітого газу, який подають з плазмотрона, встановленого в боковій стінці камери над поверхнею розплаву ванни. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що розплав після вакуум ування і плазмової обробки безперервно зливають у ванну крізь порожнину, висота якої менша, ніж загальна висота вакуумної камери. Винахід відноситься до металургії та ливарного виробництва і може бути використаний при рафінуванні залізовуглецевих і кольорових сплавів. Відомий спосіб вакуум-плазмової обробки розплаву кольорових сплавів [Пат. №75829, Україна МПК С22В9/00; Н05Н 1/26. Опубл. - 2006, бюл. №5], що включає його продувку зануреним плазмовим струменем, транспортування вказаного розплаву крізь колону газліфта нагрітим у плазмотроні газом, вакуумування вказаного розплаву в реакційній камері, вакуумне ущільнення якої здійснюють оброблювальним розплавом, який відрізняється тим, що розплав після вакуумування в реакційній камері струменево-крапельно диспергують в вакуумі і безперервно подають на розливку з його верхніх шарів, які знаходяться на відстані < 0,25м від поверхні стовпа розплаву, що підтримують залишковим тиском у реакційній камері над рівнем розплаву, оброблюваного у реакційній камері. Недоліком цього способу є мала поверхня взаємодії металу з нагрітим газом за рахунок зливання бульбашок в крупні при піднятті їх в розплаві до зони диспергування сплаву. Відомий також спосіб обробки рідкого металу в проміжному ковші [Пат. №81701, Україна, МПК С22В9/05, С22В9/22, С22В9/00. Опубл. 25.01.2008], який включає одночасне плазмове продування та нагрівання плазмоутворюючим газом вакуумного рідкого металу у камері, вакуумне ущільнення якої здійснюють безпосередньо оброблюваним розплавом металу, який відрізняється тим, що вакуумування рідкого металу здійснюють постійно при русі його в кристалізатор машини безперервного лиття зливків через проміжний ківш та вертикальну перегородку в ньому з одночасним плазмовим та додатковим індукційним тепловим впливом на рідкий метал, при цьому висоту стовпа рідкого металу над перегородкою регулюють витратою плазмоутворюючого газу та величиною залишкового тиску в вакуумній камері. Недоліками цього способу є недостатня повнота протікання процесу термодинамічної взаємодії газореагентних середовищ у всьому об'ємі розплаву, мала міжфазова поверхня металу з нагрітим у плазмотроні газом за рахунок зливання бульбашок в крупні при піднятті їх з глибини ванни при вакуум уванні. (19) UA (11) 85988 (13) C2 (21) a200806948 (22) 19.05.2008 (24) 10.03.2009 (46) 10.03.2009, Бюл.№ 5, 2009 р. (72) НАЙДЕК ВОЛОДИ МИР ЛЕОНТІЙОВИЧ, U A, НАРІВСЬКИЙ АНАТОЛІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, UA, БІЛЕНЬКИЙ ДАВИД МИРОНОВИЧ, UA, ГАНЖА МИКОЛА СЕРГІЙОВИЧ, UA, ПІОНТКОВСЬКА Н АТАЛЯ СЕРГІЇВНА, U A, СИЧЕВСЬКИЙ АНАТОЛІЙ АНТОНОВИЧ, UA, ГАРІН ОЛЄГ АН АТОЛЬЄВІЧ, ГАРІН АН АТОЛІЙ ДМІТРІЄВІЧ (73) ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ НАЦІОН АЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ Н АУК УКРАЇНИ, U A (56) UA 75166 C2, 15.03.2006 JP 59047318 A, 17.03.1984 JP 7034115 A, 03.02.1995 JP 59143016 A, 16.08.1984 3 85988 Найбільш близьким (прототипом) до запропонованого винаходу щодо технічної суті та досягнутого результату є спосіб обробки рідкого металу [Пат. №69091 А, Україна, МПК С22В9/04, 9/05. Опубл.- 2004, бюл. №8], що включає плазмовий нагрів та рафінування шляхом продувки високотемпературними середовищами вакуумного розплаву, який відрізняється тим, що кольорові сплави рафінують та модифікують у реакційній камері, вакуумне ущільнення якої здійснюють оброблюваним розплавом. Недоліками цього способу є, по-перше низькі швидкості та недостатня повнота протікання процесів тепломасообміну й термодинамічної взаємодії газореагентних середовищ у всьому об'ємі розплаву через утворення застійних зон за межами камери вакуум ування. По-друге, не повною мірою реалізуються технологічні можливості процесу вакуум ування при обробці рідкого металу, тому що, як відомо, навіть при значному залишковому тиску в камері (до 100КПа і більше) вакуум поширюється у розплав лише на глибину не більше 0,3м. Крім вказаних недоліків, спосіб застосовується для обробки тільки кольорових сплавів, оскільки продувку розплаву в камері здійснюють плазмотроном, який занурюють у рідкий метал згори. Реалізація цього способу та сплавах з високою температурою плавлення вельми проблематична через відсутність матеріалів для виготовлення занурюючи плазмотронів. Метою запропонованого винаходу є розробка способу циркуляційного вакуум ування сплавів в ковші або печі з одночасною продувкою верхніх шарів металу плазмовим струменем. Така обробка дозволяє підвищити ефективність процесу рафінування сплавів за межами вакуумної камери. Поставлена мета досягається тим, що у запропонованому способі вакуумно-плазмової обробки рідкого металу, який включає плазмовий нагрів, продувку вакуумуючого сплаву, високотемпературним газом у камері, вакуумне ущільнення якої здійснюють оброблюваним розплавом, згідно з винаходом, циркуляційне переміщування металу з глибини ванни крізь вакуумну камеру над вертикальною перегородкою і назад у ківш здійснюють нагрітим газом, який подають з плазмотрону, встановленого в боковій стінці камери над поверхнею розплаву в ковші. Крім того, розплав після вакуум ування і плазмової обробки безперервно зливають у ківш крізь порожнину, висота якої менше, ніж загальна висота вакуумної камери. Запропонований спосіб дозволяє інтенсивно перемішува ти сплави у порожнині нагнітання (між стінками камери та перегородкою) і переміщати розплав над перегородкою назад у ківш дрібними бульбашками нагрітого газу, які утворюються в емульсійній зоні плазмового струменя. В результаті цього підвищується швидкість термодинамічної взаємодії фаз у розплаві, збільшується ступінь видалення із сплавів газів і неметалічних включень, вуглецю із сталі. Пропускання розплаву через камеру з регульованою висотою потоку над перегородкою дозволяє ефективно вакуумува ти весь об'єм металу, 4 який надходить з проміжного ковша у кристалізатор. Висота розплаву над перегородкою не повинна перевищувати 0,2-0,3м, що регулюється витратою плазмоутворюючого газу (аргон, азот або їх суміш). При більшій висоті стовпа металу над перегородкою, як відомо, вакуум не поширюється на всю глибину потоку розплаву навіть при високому (100КПа і більше) залишковому тиску в камері. При застосуванні у якості плазмоутворюючого газу азоту можна проводити азотування сталі у ковші нагрітим у плазмотроні та частково іонізованим газом замість важкої операції нітридного зміцнення рідкого металу. Постійний термо-кінетичний вплив плазмовим струменем на розплав, який надходить до вакуумної камери, збільшує інтенсивність взаємодії газореагентних середовищ та масоперенос у рідкому металі, виключає негативний вплив спадковості шихтови х матеріалів на структурно-міцносні властивості литих виробів. Постійний злив розплаву після вакуумування крізь порожнину з меншою висотою, ніж вакуумна камера, забезпечує стабільну циркуляцію металу в процесі його обробки. Це досягається за рахунок меншого гідростатичного тиску метала в зоні зливу його в ківш в порівнянні з тиском в порожнині нагнітання вакуумної камери. Розташування плазмотрона в боковій стінці вакуумної камери над поверхнею розплаву, який обробляють в ковші, дозволяє підвищити надійність роботи і термін експлуатації основних вузлів в плазмових пристроях. При цьому можливо використовувати водяне охолодження тепловантажних вузлів в плазмотронах. Реалізація запропонованого способу здійснюється за схемою, яка представлена на Фіг. Установка для реалізації способу складається з: плазмотрона 1, ковша з рідким металом 2, вакуумної камери 3, вертикальної перегородки 4, яка розділяє камеру на дві порожнини - нагнітання і злива розплаву в ківш (на Фіг. права частина камери) менше, ніж загальна висота камери. Плазмотрон з'єднаний з системою 5 для подачі газу, за допомогою якої регулюють його витрату. Обробку розплавів запропонованим способом здійснюють так, відкритому доступі інертного газу (аргон, азот та інші) включають плазмотрон і занурюють його разом з вакуумною камерою у розплав на задану глибину. Занурення у метал плазмотрону з камерою проводять за допомогою поворотного механізму переміщення (на Фіг. не вказаний). Після цього вмикають вакуумний насос або подають стиснуте повітря на ежектор, внаслідок чого у реакційній камері створюється розрідження. Під дією розрідження розплав у камері піднімається на значну висоту, яка залежить від рівня вакуум у. Під дією струменя нагрітого газу, який поступає з плазмотрону в порожнину нагнітання, розплав переміщується над вертикальною перегородкою в порожнину для злива і поступає назад у ківш. Висоту потоку рідкого металу над перегородкою в межах 0,2-0,3м регулюють витратою нагрітого в плазмотроні газу та величиною залишкового тиску над розплавом в вакуумній камері. 5 85988 Метал, який пройшов плазмову обробку і вакуумування, над перегородкою та по зливній порожнині в камері поступає назад у ківш. Розташування плазмового струменя в зоні інтенсивного вакуумування розплаву не дає можливості для зливу дрібних бульбашок нагрітого газу в більш крупні. При цьому досягається висока ефективність рафінування сплавів за рахунок інтенсивних масопереносу водню з розплаву в дрібні бульбашки газу та взаємодії металу з ними при збільшеній поверхні контакту. Ступінь рафінування сплавів залежить від часу обробки, а також від кількості проходження їх крізь вакуумну камеру і зону плазмової дії на рідкий метал. Реалізація запропонованого способу була здійснена на алюмінієвому сплаві АК7, який плавили у печі опору з графітовим тиглем об'ємом 80кг. Після розплавлення та перегріву металу до температури 990-1000К відкривали доступ аргону до плазмотрону. При витраті аргону 6-6,5л/хв. проводили підпал електричної дуги в плазмотроні. На плазмотрон від джерела живлення подавали напругу 35-40В. Струм дуги при цьому був 400 6 420А. При цих параметрах роботи плазмотрон разом з вакуумною камерою занурювали у розплав на глибину 250мм від нижнього зрізу зливної порожнини в камері. Після цього вмикали вакуумний насос і досягали у камері розрідження 650680мм вод. ст. Після обробки сплаву протягом 15хв. вимикали вакуумний насос і плазмотрон, а рафінуючий вузол витягали з розплаву. З металу, який пройшов вакуумно-плазмову обробку, виливали зразки для визначення механічних властивостей, вмісту водню і твердих неметалевих включень АІ2 О3 в сплаві (див. таблицю). Дослідження якості металу показало, що після обробки сплаву запропонованим способом кількість водню і включень АІ2О 3 в ньому значно зменшується. Внаслідок цього підвищуються міцнісні і пластичні характеристики сплаву. Отже, запропонований спосіб на відміну від прототипу та інших аналогів, дає змогу одержати новий технічний ефект, виражений у підвищенні ступеню рафінування сплавів та їх фізикомеханічних властивостей. Таблиця Ефективність рафінування та фізико-механічні властивості алюмінієвого сплаву АК7 Спосіб обробки Без обробки Прототип (Пат. України 69091 А) Запропонованим способом Час обробки, хв. Вміст водню в Вміст включень сплаві, см 3/100г АІ 2О 3 в сплаві, % 0,58 0,043 Ме ханічні властивості sв , МПа d,% 176 3,4 15 0,21 0,024 201 4,5 15 0,13 0,016 215 5,3 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601