БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ПЛ)
Выплавка сталей и сплавов производится в плазменнодуговых печах (ПДП). Инертная атмосфера и отсутствие обычных для электродуговой плавки источников загрязнения металла дают возможность получать из обычной шихты с высоким содержанием отходов чистый металл, например особонизкоуглеродистые нержавеющие стали высокого качества. При частичной замене аргона азотом в плазмообразующем газе или непосредственно в атмосфере печи получают легированный азотом металл без применения азотированных сплавов.
Переплав металлов и сплавов с целью повышения их чистоты или легирования производится в ПДП с металлическим водоохлаждаемым кристаллизатором. Глубокому рафинированию металла способствуют инертная или восстановительная проточная атмосфера, большая поверхность взаимодействия металла с газовой фазой, обработка металла шлаком. Кристаллизацией металла в таких ПДП можно управлять, раздельно регулируя скорость плавления металла и тепловой поток на ванну. В промышленных условиях осуществлены (по отдельности и комплексно) различные варианты процесса: рафинирующий переплав в атмосфере инертных газов; совмещение переплава с плазменноводородным раскислением металла или насыщением его азотом; плазменнодуговой переплав со шлаком. Проведение процесса при повышенном или нормальном давлении обеспечивает предотвращение потерь летучих легирующих элементов (хрома, марганца и др.), насыщение сплава азотом, а при пониженном давлении — более глубокую дегазацию металла (например, титана). Переплав в ПДП применяют для повышения качества специальных легированных сталей, прецизионных и жаропрочных сплавов, тугоплавких металлов, для получения аустенитных сталей с повышенным содержанием азота, не достижимым при иных способах плавки, для снижения потерь летучих и легкоокисляющихся элементов.
Применение плазменнодугового нагрева при индукционной плавке сокращает длительность расплавления шихты и существенно улучшает рафинирование металла благодаря перегреву шлака дугой. Плазматроны можно использовать как вспомогательные источники тепла в доменных и мартеновских печах, в термических печах при обработке полуфабрикатов, а также при выращивании монокристаллов.
Лит.: Фарнасов Г. А., Фридман А. Г., Каринский В. Н., Плазменная плавка, М., 1968; Краснов А. Н., Шаривкер С. Ю., Зильберберг В. Г., Низкотемпературная плазма в металлургии, М., 1970; Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов, М., 1973.
А. Г. Фридман.
Плазменная обработка
Пла'зменная обрабо'тка, обработка материалов низкотемпературной плазмой, генерируемой дуговыми или высокочастотными плазматронами. При П. о. изменяется форма, размеры, структура обрабатываемого материала или состояние его поверхности. П. о. включает: разделительную и поверхностную резку, нанесение покрытий, наплавку, сварку, разрушение горных пород (плазменное бурение).
П. о. получила широкое распространение вследствие высокой по промышленным стандартам температуры плазмы (~ 104 К), большого диапазона регулирования мощности и возможности сосредоточения потока плазмы на обрабатываемом изделии; при этом эффекты П. о. достигаются как тепловым, так и механическим действием плазмы (бомбардировкой изделия частицами плазмы, движущимися с очень высокой скоростью — так называемый скоростной напор плазменного потока). Удельная мощность, передаваемая поверхности материала плазменной дугой, достигает 105—106 вт/см2, в случае плазменной струи она составляет 103—104 вт/см2. В то же время тепловой поток, если это необходимо, может быть рассредоточен, обеспечивая «мягкий» равномерный нагрев поверхности, что используется при наплавке и нанесении покрытий.
Резка металлов осуществляется сжатой плазменной дугой, которая горит между анодом (разрезаемым металлом) и катодом плазменной горелки. Стабилизация и сжатие токового канала дуги, повышающее её температуру, осуществляются соплом горелки и обдуванием дуги потоком плазмообразующего газа (Ar, N2, H2, NH4 и их смеси). Для интенсификации резки металлов используется химически активная плазма. Например, при резке воздушной плазмой O2, окисляя металл, даёт дополнительный энергетический вклад в процесс резки. Плазменной дугой режут нержавеющие и хромоникелевые стали, Cu, Al и др. металлы и сплавы, не поддающиеся кислородной резке. Высокая производительность плазменной резки позволяет применять её в поточных непрерывных производственных процессах. Мощность установок достигает 150 квт. Неэлектропроводные материалы (бетоны, гранит, тонколистовые органические материалы) обрабатывают плазменной струей (дуга горит в сопле плазменной горелки между её электродами). Нанесение покрытий (напыление) производится для защиты деталей, работающих при высоких температурах, в агрессивных средах или подверженных интенсивному механическому воздействию. Материал покрытия (тугоплавкие металлы, окислы, карбиды, силициды, бориды и др.) вводят в виде порошка или проволоки в плазменную струю, в которой он плавится, распыляется, приобретает скорость ~ 100—200 м/сек и в виде мелких частиц (20—100 мкм) наносится на поверхность изделия. Плазменные покрытия отличаются пониженной теплопроводностью и хорошо противостоят термическим ударам. Мощность установок для напыления 5—30 квт, максимальная производительность 5—10 кг напыленного материала в час. Для получения порошков со сферической формой частиц, применяемых в порошковой металлургии, в плазменную струю вводят материал, частицы которого, расплавляясь, приобретают под действием сил поверхностного натяжения сферическую форму. Размер частиц может регулироваться в пределах от нескольких мкм до 1 мм. Более мелкие (ультрадисперсные) порошки с размерами частиц 10 нм и выше получают испарением исходного материала в плазме и последующей его конденсацией.
Свойство плазменной дуги глубоко проникать в металл используется для сварки металлов. Благоприятная форма образовавшейся ванны позволяет сваривать достаточно толстый металл (10— 15 мм) без специальной разделки кромок. Сварка плазменной дугой отличается высокой производительностью и, вследствие большой стабильности горения дуги, хорошим качеством. Маломощная плазменная дуга на токах 0,1—40 а удобна для сварки тонких листов (0,05 мм) при изготовлении мембран, сильфонов, теплообменников из Ta, Ti, Mo, W, Al.
Лит. см. при ст. Плазматрон.
В. В. Кудинов.
Плазменная печь
Пла'зменная печь, электрическая печь для нагрева, плавки и металлургической переработки металлов и сплавов, в которой источником тепла служит плазма, получаемая с помощью плазматронов. Различают плазменнодуговые (ПДП) и плазменные высокочастотные (ПВП) печи.
Известны 2 основных типа ПДП: подовые (или тигельные) печи периодического действия и печи с кристаллизатором полунепрерывного действия. Подовая ПДП (рис. 1) по форме ванны и футеровочным материалам не отличается от обычной дуговой печи того же назначения. Для отбора проб по ходу плавки, замера температуры металла, присадки легирующих добавок, раскислителей и шлакообразующих материалов в своде или корпусе печи имеется одно или несколько отверстий с водоохлаждаемыми крышками. Уплотнение технологических отверстий обеспечивает поддержание в печи избыточного давления плазмообразующего газа. В ПДП катодом дугового разряда постоянного тока служат катоды одного или нескольких плазматронов (чаще всего из вольфрама или специального тугоплавкого сплава), а анодом — обрабатываемый металл в ванне печи. Ток, проходящий через металл, отводится установленным в подине печи так называемым подовым электродом (как правило, водоохлаждаемым). Дуга в ПДП обдувается прямым или завихрённым потоком инертного газа (обычно аргона); это, во-первых, стабилизирует дугу и повышает её температуру до 10 000—20 000 К и, во-вторых, создаёт над выплавляемым металлом (сплавом) нейтральную атмосферу. ПДП применяют для производства особо ответственных сталей и специальных сплавов (см. Плазменная металлургия).
В ПДП с кристаллизатором переплавляемые заготовки по схеме института электросварки АН УССР располагаются вертикально (рис. 2, а), а по схеме института металлургии АН СССР — горизонтально (рис. 2, б) с подключением к ним в случае надобности дополнительного питания переменным током. Возможна подача вместо компактных заготовок мелкофракционного материала. В камере печи поддерживается избыточное давление (обычно небольшое, но возможно его повышение до нескольких десятков атм). Процессом кристаллизации слитка в ПДП можно управлять в более широких пределах по сравнению с вакуумной дуговой и электрошлаковой печами благодаря раздельному регулированию скорости плавления и мощности теплового потока дуги.
