將電弧等離子體技術(shù)應(yīng)用于冶金領(lǐng)域
電弧等離子體的特點(diǎn)是: 溫度高、能量集中、功率可調(diào)、氣氛可控、無(wú)電極損耗、噪音低、設(shè)備簡(jiǎn)單、電熱轉(zhuǎn)換效率高等，是一種特殊的潔凈的高溫?zé)嵩础ｋ娀〉入x子體炬從根本上取消了石墨電極，并可人為地將等離子體氣氛控制為氧化氣氛、還原氣氛或惰性氣氛，而且氣氛純凈，為高質(zhì)量冶煉提供了優(yōu)良環(huán)境，是特種合金材料冶煉最理想的熱源之一，適應(yīng)于多品種、小批量、靈活多變的生產(chǎn)特點(diǎn)。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)萬(wàn)樹(shù)德等人將其實(shí)際應(yīng)用于材料冶煉生產(chǎn)中，顯現(xiàn)出該技術(shù)在冶金領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。
一. 超低碳不銹鋼等離子體冶煉
該冶煉系統(tǒng)是直接在 1 t 中頻感應(yīng)爐鋼水包上方加等離子體加熱器，組成中頻感應(yīng)等離子體熔煉爐。1992 年在無(wú)錫一家企業(yè)用于生產(chǎn)超低碳不銹鋼。中頻感應(yīng)爐用于熔化裝入爐內(nèi)的固體原料，待原料溶化后再進(jìn)行等離子體冶煉。等離子體炬中心通保護(hù)性氣體 Ar，保護(hù)陰極不被氧化; 四周通 O2氣作為反應(yīng)物質(zhì)。氧在放電形成等離子體中是以離子或原子狀態(tài)存在，具有非常強(qiáng)的氧化性。通過(guò)底吹 Ar 攪拌鋼水。鋼水中的碳在高溫氧等離子體中氧化，達(dá)到提純的目的。冶煉效果明顯，生產(chǎn)得到的不銹鋼產(chǎn)品中 w(C) ≤ 4×10-6。 產(chǎn)品用于生產(chǎn)有特殊要求的閥門(mén)的閥體。
二. 連鑄中間包等離子體加熱
常規(guī)工藝下，由于連鑄生產(chǎn)過(guò)程長(zhǎng)，鋼水溫降大，為了保證連鑄能夠正常進(jìn)行，需要有較高的出鋼過(guò)熱度，從而增加鐵損并犧牲爐齡; 同時(shí)由于澆注過(guò)程鋼水溫度不斷變化，難以保證鋼坯質(zhì)量穩(wěn)定。連鑄中間包等離子體加熱提供了解決上述問(wèn)題的最優(yōu)手段。利用等離子體加熱系統(tǒng)進(jìn)行中間包鋼水加熱，可以實(shí)現(xiàn)近似恒溫澆注，降低出鋼過(guò)熱度，從而帶來(lái)的好處有: 1. 低過(guò)熱度澆注提高澆注速度，從而提高澆注效率;2. 近似恒溫澆注大大提高鋼坯質(zhì)量，減少偏析及柱狀晶的形成;3. 降低出鋼過(guò)熱度，減少鐵損提高爐齡，降低成本提高生產(chǎn)率; 4. 減少中間包鋼水殘留量，降低低溫回爐率;5. 減少水口賭塞。自行研制的1000 kW連鑄中間包等離子體加熱系統(tǒng)于1994年成功用于馬鋼某連鑄機(jī)中間包鋼水加熱。
三. 高強(qiáng)度高耐熱鋼等離子體熔煉
2003年，自行研制的500 kW 高強(qiáng)度高耐熱高Ni合金鋼等離子體熔煉系統(tǒng)在上海一家企業(yè)投入生產(chǎn)。生產(chǎn)流程為: (1) 用 2 t 中頻爐將原料熔化并熔煉4 h，取樣檢測(cè)并調(diào)好合金配比;(2) 將鋼水倒入烘熱的鋼水包吊裝到垂直連鑄生產(chǎn)工位，用 Ar 電弧等離子體繼續(xù)冶煉 20 min，在此過(guò)程中加入特種合金材料或渣料，高溫等離子體使鋼水表面渣料融化，再通過(guò)底吹 Ar 攪拌使鋼水溫度、合金材料成分均勻。通過(guò)這種特殊冶煉方法所獲得的材料具有高強(qiáng)度、高耐熱性能。產(chǎn)品已用于我國(guó)最大型水利工程大壩船閘導(dǎo)軌、大型艦船螺旋槳、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪葉片制造等。
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