Спосіб вакуумно-плазмової обробки сплавів у магнітодинамічній установці

1. Спосіб вакуумно-плазмової обробки сплавів у магнітодинамічній установці, що включає плаз C2 2 (19) 1 3 розплаву крізь колону газліфта нагрітим у плазмотроні газом, вакуумування вказаного розплаву в реакційній камері, вакуумне ущільнення якої здійснюють оброблювальним розплавом, особливістю якого є те, що розплав після вакуумування в реакційній камері струменево-крапельно диспергують у вакуумі та безперервно подають на розливку з його верхніх шарів, що перебувають на відстані £0,25м від поверхні стовпа розплаву, який підтримують залишковим тиском у реакційній камері над рівнем оброблюваного у цій камері розплаву. Недоліком способу є мала поверхня взаємодії металу з нагрітим газом через злиття дрібних бульбашок у великі при їх піднятті у розплаві до зони диспергування сплаву. Прототипом запропонованого винаходу є спосіб обробки рідкого металу в проміжному ковші (Патент 81701, Україна, МПК С22В 9/05, С22В 9/22, С22В 9/00. Опубл. 25.01.2008р., Бюл. №2), який включає одночасне плазмове продування та нагрівання плазмоутворюючим газом вакуумованого рідкого металу у камері, вакуумне ущільнення якої здійснюють безпосередньо оброблюваним розплавом. При цьому вакуумування рідкого металу здійснюють постійно при русі його в кристалізатор машини безперервного лиття зливків через проміжний ківш над вертикальною перегородкою в ньому з одночасним плазмовим та додатковим індукційним тепловим впливом на рідкий метал. В такому разі висоту стовпа рідкого металу над перерегулюють 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 міжфазна поверхня контакту рідкого металу з нагрітим у плазмотроні газом через злиття дрібних бульбашок у великі при їх піднятті з глибини рідкометалевої ванни при вакуумуванні та, як наслідок, низький ефект рафінування сплавів. Крім того, донне розташування плазмотрону є технічно недосконалим і технологічно небезпечним, оскільки через значний металостатичний тиск на дно агрегату та наявність стикових з'єднань існує ризик протікання розплаву в місці установки плазмотрону, що створює аварійну ситуацію на виробництві. Метою запропонованого винаходу є підвищення ефективності рафінування сплавів за рахунок інтенсивної термодинамічної взаємодії газореагентних середовищ у всьому об'ємі рідкого металу. Поставлена мета досягається тим, що у запропонованому способі вакуумно-плазмової обробки сплавів у магнітодинамічній установці, що включає плазмовий та індукційний нагрів металу, продувку рідкого сплаву високотемпературним газом у вакуум-камері, вакуумне ущільнення якої здійснюють безпосередньо оброблюваним розплавом, та рух металу крізь вакуум-камеру над вертикальною перегородкою, згідно з винаходом, рідкий метал після індукційного нагріву в магнітодинамічній установці постійно переміщують електромагнітними силами по порожнині нагнітання вакуум-камери крізь плазмовий струмінь, який надходить до розплаву з бокової стінки вакуум 86725 4 камери над рівнем металу в магнітодинамічній установці. Крім того, розплав електромагнітними силами постійно переміщують по порожнині нагнітання вакуум-камери, встановленої над будь-якою з вертикальних ділянок Ш-подібного каналу магнітодинамічної установки співвісно з нею. Запропонований спосіб дозволяє нагрівати метал в процесі вакуумування за допомогою плазми та індукторів магнітодинамічної установки, а також інтенсивно перемішувати розплав у порожнині нагнітання (між стінками камери і перегородкою) як за допомогою електромагнітних сил, так і дрібними бульбашками високотемпературного 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. При цьому в ході обробки сплавів плазмотрон постійно працює у рідкометале-вому середовищі без будь-якого контакту його з вакуумом. Завдяки цьому виключається нестійка робота плазмотрону та загалом підвищуються ефективність процесу обробки металу та надійність роботи і термін експлуатації основних вузлів в плазмових пристроях. В такому разі можливо також використовувати водяне охолодження теплонавантажених вузлів у плазмотронах. Постійний термо-кінетичний вплив плазмовим струменем на розплав, що проходить крізь нього, збільшує інтенсивність взаємодії газореагентних середовищ з рідким металом. Крім вказаного, при постійному термокінетичному впливі на вакуумований метал, що переміщується у турбулентному режимі під дією електромагнітних сил, руйнується оксидна плівка на газових бульбашках та інтерметаліди у сплаві, зменшується розмір мікроугруповань в розплаві. В результаті цього збільшується масо-перенос водню крізь міжфазну поверхню в бульбашки рафінуючого газу, зменшується або виключається негативний вплив спадковості шихтових матеріалів на структуру та міцнісні і пластичні властивості литих виробів. Розташування плазмового струменя в боковій стінці камери над поверхнею металу в магнітодинамічній установці в зоні інтенсивного вакуумування розплаву не дає можливості для злиття дрібних бульбашок нагрітого газу в більш крупні. При цьому досягається висока ефективність рафінування сплавів за рахунок інтенсивного 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 об'єму розплаву крізь вакуумну камеру і зону плазмової дії на рідкий метал. Азотування металу при вакуумуванні високотемпературним та іонізованим азотом або сумішшю його з іншими газами дозволяє значно спростити складну операцію нітридного зміцнення сплавів в рідкому стані. Реалізація запропонованого способу здійснюється за схемою, яка представлена на Фіг.1. Маг 5 нітодинамічна установка для реалізації способу являє собою індукційну канальну піч, оснащену додатковим електромагнітом. До складу установки входять тигель 1 і з'єднаний з ним Ш-подібний канал 2, бокові ділянки якого охоплені індукторами 3. Зона з'єднання центральної вертикальної і горизонтальної ділянок каналу 2 розташована в зазорі між полюсами електромагніту 4. Співвісно з однією з вертикальних ділянок каналу 2 (наприклад, центральною вертикальною ділянкою) встановлено порожнину нагнітання 5 вакуумної камери 6. Плазмотрон 7 розташований в стінці вакуумкамери над поверхнею розплаву 8. Вертикальна перегородка 9 розділяє камеру 6 на порожнини нагнітання та зливу металу. Камера 6 з'єднана з вакуумним насосом (на Фіг.1 не показано). Обробку сплавів запропонованим способом здійснюють так. В магнітодинамічну установку заливають рідкий метал, який заповнює тигель 1 і канали 2, та вмикають індуктори 3. При цьому рідкометалеві витки, які замкнуті за симетричним контуром «тигель - боковий канал - горизонтальна та вертикальна ділянки центрального каналу - тигель», є вторинними обмотками трансформатора. При вмиканні в цих витках індукується електричний струм, що нагріває розплав. Одночасно вмикали електромагніт 4. В результаті взаємодії струму в рідкому металі з магнітним полем електромагніта в розплаві збуджується електромагнітна сила, напрямок дії якої визначається правилом лівої руки. Завдяки цій силі, відбувається циркуляція розплаву в замкнутому контурі «тигель канал». Інтенсивність та напрямок руху розплаву (всмоктування рідкого металу з тигля до каналу через одні устя та нагнітання з каналу до тигля через інші) можуть змінюватися в широких межах залежно від електричних режимів та параметрів вмикання індукторів та електромагніту. Це дозволяє здійснювати малоінерційне управління процесами тепломасопереносу в рідкому сплаві в широкому діапазоні. Після нагріву розплаву 8 до заданої температури здійснюють підпал електричної дуги в плазмотроні (плазмоутворюючий газ - аргон, азот або їх суміш) і занурюють рафінуючий вузол у розплав. Потім вмикають вакуумний насос і створюють розрідження у камері. Під дією розрідження розплав у камері піднімається на задану висоту, яка залежить від рівня вакууму, а також від величини електромагнітної сили, створеної електромагнітними системами магнітодинамічної установки. Під дією електромагнітних сил рідкий метал постійно перемішують по порожнині нагнітання 5 в 86725 6 реакційну зону плазмового струменя, який витікає з бокової стінки вакуум-камери у розплав. Після закінчення обробки сплаву вимикають електромагніт та вакуумний насос. Рафінуючий вузол піднімають догори і вимикають плазмотрон. Оброблений сплав заливають у форми або в ківш. Після цього операція повторюється. Реалізація запропонованого способу була здійснена на алюмінієвому сплаві АК7. Рідкий метал заливали в магнітодинамічну установку в кількості 200кг. Вмикали індуктори та електромагніт. При цьому розплав нагрівався індукторами і циркулював по замкнутому контуру «тигель - канал». Після перегрівання металу до температури 9901000К вмикали плазмотрон і рафінуючий вузол занурювали в рідкий метал на глибину 200-220мм від нижнього зрізу вакуумкамери. Занурення рафінуючого вузла здійснювали так, щоб порожнина нагнітання розташовувалась співвісно з центральною вертикальною ділянкою індукційного каналу магнітодинамічної установки на відстані 30-40мм від нього. Потім вмикали вакуумний насос і під дією розрідження піднімали розплав в вакуумкамері на висоту при якій рівень металу над вертикальною перегородкою складав 20-30мм. Після цього збільшували величину електромагнітної сили (шляхом зміни напруги живлення індукторів і/або електромагніта) до значення, при якому розплав постійно переміщувався по порожнині нагнітання крізь плазмовий струмінь та над перегородкою і зливався в тигель по другій порожнині вакуум-камери. Сплав обробляли протягом 15-16 хвилин. За цей час весь об'єм металу в установці проходив крізь порожнину нагнітання в вакуумкамері і піддавався плазмово-кінетичній дії на нього. По закінченні обробки розплаву, були виготовленні литі зразки для дослідження газовмісту та механічних властивостей сплаву. З наведених у Таблиці 1 даних видно, що завдяки обробці сплаву згідно з заявлюваним способом у литому металі зменшується вміст водню та оксидних включень порівняно з іншими способами обробки (зокрема, способом-прототипом до заявлюваного). Завдяки такій рафінуючій обробці суттєво підвищуються міцнісні (тимчасовий опір розриву при розтягненні) і пластичні (відносне видовження) властивості сплаву. Таким чином, запропонований спосіб дає змогу одержати новий технологічний ефект, виражений у підвищенні ступеню рафінування сплавів та покращенні їх фізико-механічних та експлуатаційних властивостей. 7 86725 8 Таблиця 1 Ступінь рафінування і механічні властивості алюмінієвого сплаву АК7, обробленого різними способами № з/п 1 2 3 Спосіб рафінуючої обробки Тривалість Вміст водню у Вміст вклюсплаві, чень Аl2О3 у обробки, хвисм3/100г сплаві, % мас. лини Без обробки Згідно з прототипом (Патент 81701, Україна) Згідно з заявлюваним способом Комп’ютерна верстка М. Ломалова Механічні властивості Тимчасовий Відносне видоопір розриву вження, при розтягненні d, % sв, МПа 178 3,4 0,62 0,042 15 0,24 0,025 205 4,6 15 0,11 0,016 217 5,3 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601