DE2649141C3

DE2649141C3 - Plasmalichtbogenofen zum Umschmelzen von Metallen und Legierungen

Info

Publication number: DE2649141C3
Application number: DE19762649141
Authority: DE
Inventors: Georgij M. Grigorenko; Albert N. Korotkov; Viktor M. Kurganov; Viktor I. Lakomskij; Evgenij I. Moschkevitsch; Aleksej I. Pachomov; Ivan V. Scheiko; Gennadij F. Torchov; Vladimir K. Trigub; Emil V. Ischewsk Verchovcev
Original assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Current assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Priority date: 1976-10-28
Filing date: 1976-10-28
Publication date: 1979-10-18
Also published as: DE2649141A1; DE2649141B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmalichtbogenofen zum Umschmelzen von Metallen und Legierungen. Der Ofen kann zum Erschmelzen von Reinmelall-, Stahl- und Legierungsblöcken verwendet werden.

Mit der Entwicklung der modernen Industriezweige, wie z. B. Flug- und Raumflugwesen, Atomtechnik und Chemie, Elektronik und Kryotechnik, sind die Forderungen an die Reinheit der anzuwendenden Metalle und Legierungen wesentlich gestiegen. Zwecks Erhöhung der Reinheit von Metallen und Legierungen sowie deren technologischer Eigenschaften wird z. Z. das Sekundärumschmelzen in Elektroschlacke-, Vakuumlichtbogen-, Elektronenstrahl- und Plasmaiichtbogen-Umschmelzöfen weitgehend eingesetzt.

Ein charakteristisches Merkmal dieser Verfahren besteht darin, daß die Prozesse des Schmekiens, Vergießens und Erstarrens des Metalls zeitlich zusammengefaßt verlaufen und die Blockformung in einem wassergekühlten Kristallisationsgefäß unter kontinuierlicher Zuführung von Wärme und flüssigem Metall über den offenen Metallbadspiegel zustandekommt. Dabei erfolgt die Übertragung des flüssigen Metalls von der Stirnfläche des Abschmelzrohlings bzw. der Elektrode ins Kristallisationsgefäß in kleinen, zeitlich gleichmäßig verteilten Mengen, wodurch eine außerordentlich große Reaktionsfläche des flüssigen Metalls erreicht wird

Das Plasmalichtbogen-Umschmelzverfahren besitzt eine große Anzahl von Parametern zur Beeinflussung des flüssigen Metalls, wie Gas, Schlacke, Vakuum und Erstarrungslenkung, wodurch die Erzeugung von homogenen Blöcken mit hoher Oberflächengüte und vernachlässigbar niedrigem Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen und Gasen ermöglicht wird.

In bezug auf die Herstellung von Großblöcken ist in der Technologie des Plasmalichtbogenschmelzens das Verfahren aussichtsreich, bei deia als Plasmaerzeuger eine hohle Abschmelzelektrode wirkt, durch deren Hohlraum das plasmabildende Gas in die Plasmabrennzone zugeführt wird. Für dieses Plasmalichtbogen-Umschmelzverfahren sind niedriger Verbrauch an Elektroenergie und plasmabildendem Gas, große Leistung und hohe Metallgüte charakteristisch.

Der nach diesem Prinzip funktionierende Plasmalichtbogenofen zum Umschmelzen vor Metallen und Legierungen enthält ein Kristallisationsgefäß und eine Schmelzkammer, welche in gekoppeltem Zustand einen abgeschlossenen, von der Umgebung isolierten Raum bilden. Die hohle Abschmelzelektrode ist an einer in die Kammer durchgeführten Hohlstange derart befestigt, daß deren Achse und die des Kristallisationsgefäßes zusammenfallen. Der Ofen ist mit einem System für die Zuführung und Durchflußregelung vom plasmabildenden Gas ausgestattet Die Hohlstange und das Kristallisationsgefäß sind an die ungleichnamigen Pole einer Stromquelle angeschlossen.

Dieser Ofen weist jedoch einen großen Nachteil auf, der di? technisch-wirtschaftlichen Kenndaten dieses Prozesses beeinträchtigt. Der Nachteil der existierenden Konstruktion des Plasmalichtbogenofeiis besteht in der Kompliziertheit der Beseitigung der Lunker im Block am Ende des Schmelzvorganges.

Die existierenden Verfahren zum Beseitigen der Lunker, welche beim Elektroschlacke-. Vakuumlichtbogen-, Elektronenstrahl- und üblichen Plasmalichtbogen-Umschmelzen angewandt werden und in der zügigen Absenkung der zugeführten Leistung am Ende des Schmelzvorganges bestehen, haben sich als wenig erwiesen. Das ist dadurch bedingt, daß bei der Absenkung der zugeführten Leistung die Brennstabilität der von der hohlen Abschmelzelektrode erzeugten Plasmaentladung scharf abnimmt und die Plasmaentladung in den Brennzustand eines nichtstabilisierten Lichtbogens übergeht. Die wesentlichen Strom- und Spannungsschwankungen im Lichtbogen beeinträchtigen die Gleichmäßigkeil der Blockkopferstarrung, wodurch eine Lunkerbildung in einer Badtiefe von 0,3—0,5 des Blockdurchmessers herbeigeführt wird.

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und der Austrag am brauchbaren Metall ist entsprechend niedrig.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Behebung der genannten Nachteile beim Ofenbetrieb.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Plasmalichtbogenofen zum Umschmelzen von Metallen und Legierungen in kontrollierbarer Atmosphäre zu schaffen, welcher es ermöglicht, die Lunker im Block wirksam herauszuführen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem Plasmalichtbogenofen zum Umschmelzen von Metallen und Legierungen in kontrollierbarer Atmosphäre, welcher eine im Kristallisationsgefäß angeordnete, hohle Abschmelzelektrode enthält, über der eine Hohlstange fluchtend angebracht ist, welche von einem Mechanismus zur Höhenverstellung verlagert wird, wobei der Hohlraum der Abschmelzelektrode mit einem System für die Zuführung und Durchflußregelung des plasmabildenden Gases verbunden ist, und das Kristallisationsgefäß und die Hohlstange an ungleichnamige Pole einer Stromquelle angeschlossen sind, erfindungsgemäß zwischen der hohlen Abschmelzelektrode und der Stange ein Lichtbogenplasmatron mit

nicht abschmelzbarer Elektrode fluchtend angeordnet ist deren Stromzuleitungen von der Stange isoliert sind, wobei das System für die Zuführung und D-irchflußregelung des plasmabildenden Gases und die Hohlräume der Stange, des Lichtbogenplasmatrons sowie der Abschmelzelektrode eine Gasleitung für uie Zuführung des plasmabildenden Gases in die Brennzone der Plasmaentladung bilden.

Als eine Variante kann das Plasmatron mit der nicht abschmelzbaren Elektrode an eine selbständige Strom- iu quelle angeschlossen werden.

Die zusätzliche Ausstattung des Plasmalichtbogenofens zum Umschmelzen von Metallen und Legierungen mit einem Pias natron mit nicht abschmelzbarer Elektrode ermöglicht gemäß der Erfindung, die is Lunkerbildung im Blockkopf vollständig auszuschließen, dessen Dichte zu erhöhen und den Austrag am brauchbaren Metall zu vergrößern.

Dabei verläuft der Prozeß bei dem Beseitigen der Lunker stabil, es sind keine Stromschwankungen in der Säule der vom Lichtbogenplasmatron mit der nicht abschmelzbaren Elektrode erzeugten Plasmaentladung vorhanden.

Die Möglichkeit eines Überspringens der Plasmaentladung auf die Wandung des Kristallisationsgefäßes ist völlig ausgeschlossen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

Fig. 1 — Plasmalichtbogenofen zum Umschmelzen von Metallen und Legierungen in kontrollierbk/er )o Atmosphäre mit gemeinsamer Stromquelle für die hohle Abschmelzelektrode und das Lichtbogenplasmatron mit nicht abschmelzbarer Elektrode in schematischer Darstellung,

F i g. 2 — derselbe Ofen, jedoch mit separaten Stromquellen für die hohle Abschmelzelektrode und das Lichtbogenplasmatron mit nicht abschmelzbarer Elektrode.

Der Plasmalichtbogenofen zum Umschmelzen von Metallen und Legierungen in kontrollierbarer Atmo-Sphäre enthält ein Kristallisationsgefäß 1, in dem eine hohle Abschmelzelektrode 2 fluchtend angeordnet ist, weiche am unteren Ende eines Lichtbogenplasmatrons 3 mit nicht abschmelzbarer Elektrode befestigt ist. Die Befestigung der hohlen Abschmelzelektrode 2 an das 4-j Lichtbogenplasmatron 3 wird mittels Kupplungshälften 4 aus einem stromleitenden Werkstoff vorgenommen. Das Lichtbogenplasmatron 3 wird am unteren Ende einer Hohlstange 5 koaxial mit dieser starr befestigt. Die hohle Abschmelzelektrode 2 und das Lichtbogenpiasmatron 3 sind von einer Kammer 6 umschlossen, welche beim Verkoppeln mit dem Kristallisationsgefäß 1 einen Arbeitsraum mit kontrollierbarer Atmosphäre bildet. Das obere Ende der Stange 5 ist mit einem Mechanismus 7 zur Höhenverstellung der hohlen Abschmelzelektrode 2 verbunden.

Die Hohlstange 5 ist von der Kammer 6 und dem Mechanismus 7 zur Höhenverstellung durch Isolatoren 8 und 9 elektrisch isoliert. Zur Versorgung des Ofens mit plasmabildendem Gas ist ein System 10 für die Zuführung und Durchflußregelung vom plasmabildenden Gas vorgesehen, welches über einen flexiblen Schlauch It unter Umgehung der Kammer 6 an die Stange 5 angeschlossen ist.

Der flexible Schlauch 11 und die Hohlräume der Hohlstange 5, des Lichtbogenplasmatrons 3 und der hohlen Abschmelzelektrode 2 bilden im Zusammenbau eine Gasleitung, durch welche das plasmabildende Gas aus dem System 10 in die Brennzone der Plasmaentladung zugeführt wird.

Die Trennfuge /wischen der Kammer 6 und dem Kristaliisationsgefäß 1 wird mit wner Gummiringdichtung 12 abgedichtet

Die Hohlstange 5 und das Kristaliisationsgefäß 1 sind an die ungleichnamigen Pole einer Gleich- bzw. Wechselstromquelle angeschlossen und wirken beim Ofenbetrieb als stromleitende Elemente des Leistungsstromkreises.

Die nicht abschmelzbare Elektrode 13 des Lichtbogenplasmatrons 3 ist von der Hohlstange 5 durch einen Isolator 14 elektrisch isoliert

Für den Betrieb des Lichtbogenplasmatrons 3 beim Herausführen der Lunker im Block wird in den Leistungsstromkreis ein Zweipunktschalter 15 eingeschaltet, welcher den abwechselnden Betrieb des Lichtbogenplasmatrons 3 und der hohlen Abschmelzelektrode 2 von der gemeinsamen Stromquelle ermöglicht.

Falls beim Ofenbetrieb eine Vorwärmung des plasmabildenden Gases erforderlich ist, das in die Brennzone der Plasmaentladung aus dem System 10 (F i g. 2) einströmt erfolgt die Speisung des Lichtbogenplasmatrons 3 von einer selbständigen Stromquelle 16. Dadurch wird gleichzeitig der Betrieb des Lichtbogenplasmatrons 3 und die Erzeugung der Plasmaentladung durch die hohle Abschmelzelektrode 2 ermöglicht.

Außerdem ist der Plasmalichtbogenofen mit einer Vakuumpumpe (in Figur nicht gezeigt) zum Evakuieren des Ofenraums versehen.

Nachstehend wird die Arbeitsweise des Plasmalichtbogenofens zum Umschmelzen von Metallen und Legierungen in kontrollierter Atmosphäre (Fig. 1) erläutert.

Beispiel 1

Die hohle Abschmelzelektrode 2 wird im Kris'allisationsgefäß 1 fluchtend angeordnet.

Auf den Boden des Kristallisationsgefäßes 1 wird ein Anfahrstück aus mit dem umzuschmelzenden Metall identischem Material gesetzt.

Das Impfstück schützt den Boden des Kristallisationsgefäßes I gegen die direkte Einwirkung des Plasnia-SIi alils in der Anfangsperiode der Umschnieizung, wenn im Kristaliisationsgefäß noch kein flüssiges Metallbad vorhanden ist.

Der Ofenraum wird sodann durch den Anschluß des Kristallisationsgefäßes gemeinsam mit der Dichtung 12 an die Kammer 6 abgedichtet, evakuiert und mit dem plasmabildenden Gas aus dem System 10 für die Zuführung und Durchflußregelung des plasmabildenden Gases auf den vorgegebenen Druck eingefüllt.

Danach wird mittels des Systems 10 für die Zuführung und Durchflußregelung des plasmabildenden Gases der erforderliche Verbrauch an plasmabildendem Gas eingestellt. Dabei strömt das plasmabildencie Gas aus dem System 10 über den flexiblen Schlauch 11 und die Hohlräume der Hohlstange 5, des Lichtbogenplasmatrons 3 sowie der hohlen Abschmelzelektrode 2 in die Brennzone der Plasmaentladung. Zwischen der Stirnfläche der hohlen Abschmelzelektrode 2 und dem Impfstück am Boden des Kristallisationsgefäßes 1 wird beim Einschalten der Stromquelle eine Lichtbogenentladung erregt. Dabei kommt das plasmabildende Gas in die Lichtbogensäule, wird ionisiert und im Raum zwischen der Stirnfläche der hohlen Abschmelzelektrode 2 und dem Impfstück entsteht das Plasma, das in

Form eines Strahls aus dem Hohlraum der Abschmelzelektrode 2 ausströmt. Unter der Einwirkung der Wärme, die in der elektrodcnahen Umgebung und in der Säule der Plasmaentladung entwickelt wird, kommt das Aufschmelzen des unleren Elektrodenendes zustande. Von der Elektrode 2 gelangt das flüssige Metall ins Kristallisationsgefäß 1 und bildet ein Metallbad. Der Spiegel des flüssigen Metalls steigt mit der Füllung des Kristallisationsgefäßes 1 und die Brennzone des Plasmalichtbogens verlagert sich von unten nach oben. Da der Füllfaktor des Kristailisationsgefäßes 1 unter Eins liegt, wird die Abschmelzelektrode Ϊ während des Aufschmelzen mit Hilfe der Stange 5 und des Mechanismus 7 der Höhenverstellung senkrecht nach unten verstellt.

Während der Periode des Lunkerherausführens wird das Brennen der von der hohlen Abschmelzelektrode 2 erzeugten Plasmaentladung durch das Abschalten der hohlen Abschmelzelektrode 2 von der Spannungsquelle mittels des Umschalters 15 abgeseilt und das Lichtbogenplasmatron 3 eingeschaltet.

Die Abschaltung der hohlen Abschmelzelektrode 2 während der Periode der Beseitigung der Lunker ist damit verbunden, daß bei der Absenkung der zugeführten Stromleistung die Brennstabilität der Plasmaentladung scharf abnimmt. Dabei kann während dieser Periode die Plasmaentladung in eine Lichtbogenentladung ausarten, deren Brennen von starken Strom- und Spannungsschwankungen begleitet wird, wodurch die Stabilität der Blockkopferslarrung beeinträchtigt wird. Es ist ebenso ein Überspringen des Lichtbogens auf die Wandung des Kristallisationsgefäßes 1 möglich, wodurch dieser außer Betrieb gesetzt werden kann.

Während der Erwärmung des Metallbades durch das von dem Lichtbogenplasmatron 3 erzeugte Plasma wird die hohle Abschmelzelektrode 2 nicht aufgeschmolzen und Metall ms Kristallisationsgefäß nicht eingegeben: die Erstarrung des Blockkopfes verläuft stabil.

Am Ende des Schmelzvorganges wird das Lichtbogenplasmatron 3 abgeschaltet und die Zuführung des plasmabildenden Gases abgestellt, danach wird der Ofen vom Druck entlastet und der Block aus den Kristallisationsgefäß 1 ausgebracht.

Beispiel 2

Im folgenden wird das Funktionieren des Plasmalichtbogenofens im Fall der Notwendigkeit der Vorwärmung des plasmabildenden Gases erläutert (F i g. 2).

Die hohle Abschmelzelektrode 2 wird mittels der Kupplungshälften 4 am unteren Ende des Lichtbogenplasmatrons 3 fluchtend befestigt und im Kristallisationsgefäß 1 koaxial mit diesem angeordnet. Auf den Boden des Kristailisationsgefäßes 1 wird ein Impfstück aus mit dem umzuschmelzenden Metall identischem Material gesetzt, der Ofen wird abgedichtet, evakuiert und anschließend mit dem Gas aus dem System 10 auf einen vorgegebenen Druck eingefüllt. Danach wird der

ίο erforderliche Verbrauch an plasmabildendem Gas eingestellt.

lim die Gasionisation im Raum unter der Stirnfläche der hohlen Abschmelzelektrode 2 zu erleichtern und dadurch die Brennstabilität der von der hohlen Abschmelzelektrode 2 erzeugten Plasmaentladung zu steigern, wird das plasmabildende Gas vorgewärmt, wozu das Lichtbogenplasmalron 3 durch Einschalten der selbständigen Stromquelle 16 in Betrieb gesetzt wird. Danach wird zwischen der Stirnfläche der hohlen Abschmelzelektrode 2 und dem auf den Boden des Kristailisationsgefäßes 1 gesetzten Impfstück eine Plasmaentladung erregt.

Dabei wird das aus dem System 10 kommende, plasmabildende Gas beim Durchströmen durch das funktionierende Lichtbogenplasmalron 3 erwärmt, wonach es in den Hohlraum der Abschmelzelektode 2 einströmt. In diesem Fall erfolgt die Speisung des Lichtbogenplasmatrons 3 und der hohlen Abschmelzelektrode 2 von separaten Stromquellen.

Während der Periode der Beseitigung der Lunker wird das Brennen der von der hohlen Abschmelzelektrode 2 erzeugten Plasmaentladung eingestellt, wozu die hohle Abschmelzelektrode 2 von der Spannungsquelle abgeschaltet wird. Dabei bleibt das Lichtbogenplasmatron 3 während dieser ganzen Periode in Betrieb.

Am Ende des Schmelzvorganges wird das Lichtbogenplasmatron 3 abgeschaltet die Zuführung des plasmabildenden Gases abgestellt, der Ofen wird vom Druck entlastet und der Block aus dem Kristallisationsgefäß 1 ausgebracht.

Die Prüfungen eines Versuchsmusters des Ofens beschriebener Konstruktion haben gezeigt, daß der Plasmalichtbogenofen große technologische Möglichkeiten besitzt. Für den Betrieb dieses Ofens ist eine hohe Stabilität in allen Umschmelzphasen charakteristisch.

Die erzeugten Blöcke wiesen eine glatte Oberfläche und keine Lunker auf.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Plasmalichtbogenofen zum Umschmelzen von Metallen und Legierungen in kontrollierbarer Atmosphäre, welcher eine im Kristallisationsgefäß ·> angeordnete, hohle Abschmelzelektrode enthält, über der eine Hohlstange fluchtend angebracht ist, welche von einem Mechanismus zur Höhenverstellung verschiebbar ist, wobei der Hohlraum der Abschmelzelektrode mit einem System für die Zuführung und Durchflußregelung des plasmabildenden Gases verbunden ist und das Kristalljsariom· gefäß und die Stange an ungleichnamige Pole einer Stromquelle angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der hohlen Abschmelzelektrode (2) und der Hohlstcnge {5) ein Lichtbogenplasmatron (3) mit nicht abschmelzbarer Elektrode (13) koaxial mit diesen angeordnet ist, deren Stromzuleitungen von der Hohlstange (5) isoliert sind, wobei das System (10) für die Zuführung und Durchflußregelung des plasmabildenden Gases und die Hohlräume der Hohlstange (5Ji. des Lichtbogenplasmairons (3) sowie der Abschmelzelektrode (2) eine Gasleitung für die Zuführung des plasmabildenden Gases in die Brennzone der Plasmaentladung bilden.

2. Plasmalichtbogenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtbogenplasmatron (3) mit nicht abschmelzbarer Elektrode an eine selbständige Stromquelle (16) angeschlossen ist. μ