FI81383B - Foerfarande foer behandling av smaelt metall och anordning foer utfoerande av foerfarandet. - Google Patents

Description

i 1 81383

Menetelmä sulan metallin käsittelemiseksi ja laite menetelmän suorittamiseksi

Esillä oleva keksintö kohdistuu metallurgian alaan 5 ja metallin sulattamiseen valimossa ja erityisemmin sulan metallin käsittelemiseen ja laitteeseen sen toteuttamiseksi.

Nykyään teräksen valmistus kehittyy sulatuslaittei-den kapasiteetin kasvattamisen, niiden ominaissaannon ko-10 hottamisen ja erilaisten sovellutusten laatu- ja korkealaa-tuterästen laadun laajentamisen suuntaan.

Sulatteen jalostaminen ja viimeistelyprosessien toteuttaminen suurissa suurisaantoisissa teräksen sulatus-laitteissa, lukuunottamatta niiden toimintaominaisuuksia, 15 on melko vaikeaa ja siihen liittyy kuumennusajän oleellinen kasvu ja teknis-taloudellisten indeksien huononeminen. Sen vuoksi teknilliset jalostusoperaatiot ja terästen käsittely (hiilenpoisto, kaasunpoisto, rikinpoisto, hapen-poisto, lejeröinti jne.) suoritetaan muualla kuin sulatus-20 laitteissa, ts. laitteistoissa, jotka sopivat parhaiten näihin tarkoituksiin.

Nykyaikaiset metallin käsittelyn uunin ulkopuolella suoritettavat menetelmät käsittävät tyhjön, inerttien ja aktiivikaasujen, voimakkaasti reagoivien hapenpoistojauhei-25 den ja modifikaattoreiden käytön ja vaativat myös reagoivien faasien voimakasta sekoittamista ja kuumennusta. Suhteessa reaktion nopeuteen ja täydellisyyteen ja metallin puhdistusasteeseen haitallisista epäpuhtauksista on näillä menetelmillä oleellisia etuja verrattuna niiden toteuttami-30 sen omalaatuisuuksiin sulatuslaitteissa.

Teräksen uunin ulkopuolella suoritettavan käsittelyn laajaa käytäntöön ottamista innostaa teräksen jatkuva valu-prosessi, joka edellyttää tiukempia vaatimuksia metallin laadun suhteen (rikin, kaasujen, ei-metallisten epäpuhta-35 uksien määrä, lämpötilan ja koostumuksen tasaisuus).

2 81383

Terästen uunin ulkopuolella suoritettava käsittely auttaa erinomaisesti ratkaistessa sellaisia teräksenval-mistuksen ongelmia, kuten vedyn poistamisen teräksestä sellaiselle tasolle, että hilseilyä ei tapahdu, hiilen avulla 5 suoritettavan kontrolloidun hapenpoiston metallista, ei- metallisten inkluusioiden ennaltamäärätyn koostumuksen muodostamisen metallissa, tarkkuuslejeeröinnin, joka takaa alkuaineiden ennaltamäärätyn määrän merkittävän kapealla vaih-telualueella, valuastiassa olevan koko metallimassan lämpö-10 tilan ja koostumuksen tasaamisen, puhtaiden ja lejeeröity-jen sulatteiden täydellisen hiilenpoistamisen, rikinpoista-misen (jos metallin ja kuonan kuumennus- ja sekoituslaite on saatavissa). Jalostamisen uunin ulkopuolella suoritettavien menetelmien käyttö mahdollistaa suuren taloudellisen 15 tehon saamisen, joka johtuu teräksen valmistusuunien saannon kasvusta, uunin nopeammasta tyhjentämisestä uusien me-tallipanosten sulattamista varten, ferrolejeerinkien kulutuksen pienenemisestä, metallin pilaantumisesta, joka aiheutuu puutteellisesta kemiallisesta koostumuksesta ja valmii-20 den valssituotteiden pintavikojen vähenemisestä, valmiiden tuotteiden laadun parantamisesta ja artikkeleiden käyttöiän pidentämisestä.

Uunin ja metallin uunin ulkopuolella suoritettavan käsittelymenetelmän valinta määräytyy sulatettavien teräs-25 laatujen, valmiin metallin laatuvaatimusten, teknologisten kiertoaikojen ja valuolosuhteiden mukaan.

Samalla kun sähköuuniverstaita varustetaan jaksottaisilla tai kierrätystyhjäkaasunpoistimilla, on ryhdytty toimenpiteisiin metallin kuumennuksella ja sekoituksella 30 tai tyhjöhappipuhalluksella varustettujen valuastiatyhjö-kaasunpoistimien valmistamiseksi. Sellaiset tyhjökaasun-poistimet on asennettu, yleensä, sähköuuniverstaisiin, jotka on varustettu jopa 200 t kapasiteetin sähkövalokaariuu-neilla ja joita käytetään parasta laatua olevien laakerien 35 ja lejeeröityjen rakenneterästen sekä erilaatuisten erittäin

II

3 81383 vähän hiiltä sisältävien korroosiekestävien terästen tuottamiseen. Metallin kuumentaminen valuastiassa poistaa metallin ylikuumentamisen tarpeen uunissa, mikä kohottaa vuo-rauskestävyyttä ja kasvattaa oleellisesti teräsvalmistus-5 laitteiden saantoa.

Uusien sähköuuniverstaiden suunnitelmien pitäisi ottaa ennakolta huomioon sellainen laitteiden järjestely, joka varmistaa teräksen monimutkaisen jalostamisen tyhjössä neutraalikaasujen ja jauhereagenssien avulla käyttäen 10 valuastiassa olevan metallin ja kuonan sähköistä kuumennusta ja sekoitusta.

Alalla on aiemmin tunnettua menetelmä sulan metallin kuumentamiseksi samanaikaisesti kuin siitä poistetaan tyhjössä kaasua ja laite sen toteuttamiseksi (US patenttijul-15 kaisu no. 3 501 289, 1970, palsta 75-12).

Tunnettu menetelmä käsittää tyhjän luomisen sulan metallin pinnan yläpuolelle kaasunpoistoa varten ja sulan metallin kuumentamisen vaihtovirtavalokaarella, joka luodaan elektrodin ja sulatteen välille. Täydellisempi kaasun-20 poisto vaatii sulatteen sekoitusta, joka saadaan aikaan me-tallimassan, joka on suorassa kosketuksessa valokaaren ja lopun metallin välisen lämpötilaeron aiheuttaman konvektii-visen lämmönsiirron avulla. Sähköisen valokaaren polttamista seuraa merkittävä lämpöhäviö säteilyn kautta, minkä ta-25 kia tunnetulla menetelmällä on sulatteen kuumentamisessa alhainen energiahyötysuhde. Sellaisen menetelmän toteuttamista vaikeuttaa merkittävästi tyhjön luomisen välttämättömyys. Lisäksi edellä kuvattu menettelytapa menetelmän toteuttamiseksi saattaa sellaiset metallin käsittelytoiminnot, 50 kuten lejerointi, hiilenpoisto, hapenpoisto, jne. teknisesti vaikeiksi toteuttaa kuten myös rikinpoiston ja fosforin-poiston kuonanmuodostuksen yhteydessä.

Tunnettu menetelmä on toteutettu laitteistossa, joka käsittää tyhjökammion, jonka sisällä on sulaa metallia si-35 sältävä säiliö.

4 81 383

Tyhjökammion kyljessä on kiinnitysväline kulumattomalle elektrodille. Viime mainittu on sovitettu liikkumaan vaaka- ja pystytasoissa. Lisäksi on olemassa keino syöttää jännitettä vaihtovirta-jännitelähteestä sulatteeseen.

5 Laite sulatteen lämmittämiseksi siitä tapahtuvan tyhjökaasunpoiston aikana on monimutkainen tyhjän säilyttämisen välttämättömyyden takia.

Tällä hetkellä sulatteiden käsittely plasmaliekillä on saanut laajaa käyttöä, koska se tehostaa lämmön- ja ai-10 neensiirtoa sulatteissa.

Alalla on tunnettu menetelmä metallin jalostamiseksi sulatteista (DE-patenttijulkaisu no. 12 17 986, 1966, palsta 18b).

Tunnettu menetelmä käsittää sulatteen hapettamisen 15 hapetuskaasulla, jotta sulatteen hiilipitoisuus alenee ja hapetetun sulatteen lämmittämisen plasmaliekillä, joka on muodostettu inertin kaasun avulla. Samanaikaisesti inertti-kaasuun tuodaan kaksiatominen kaasu aktiiviseksi reagens-siksi. Sulatteen hapenpoistoon on käytetty kaksiatomisena 20 kaasuna vetyä. Vetyä syötetään inerttikaasuun niin paljon, että plasma pääasiallisesti koostuu vedystä. Sulatteen ha-penpoiston jälkeen inerttikaasua, kuten esimerkiksi argonia, käytetään jälleen plasman muodostavana kaasuna.

Plasmallekin muodostuminen sulatepinnan yläpuolelle 25 aiheuttaa merkittäviä säteilylämpöhäviöitä. Tämä alentaa energiahyötysuhdetta.

Tunnetun menetelmän käyttö metallisulatteiden jalostamisessa on epätaloudellista johtuen metalli-plasma-raja-pinnassa tapahtuvien lämmön- ja aineensiirtoprosessien al-30 haisesta nopeudesta, mikä johtaa jalostusajan kasvuun. Sitä paitsi joidenkin sulatteen osien epätäydellinen käsittely on mahdollista.

Tunnettu menetelmä ei onnistu takaamaan sellaisten toimintojen, kuten kuonanmuodostukseen liittyvien rikinpois-35 ton ja fosforinpoiston onnistumista, johtuen sulatteen te- 5 81383 hokkaan sekoituksen puuttumisesta metalli-kuona-plasmaliek-ki-rajapinnalla. Sitä paitsi on käytännöllisesti katsoen mahdotonta lejeroida sulatetta tunnetulla menetelmällä johtuen lämpötilojen ja koko massassa olevan metallikoostumuk-5 sen tasaantumisen puutteesta, mikä selittyy huonolla sekoittumisella, joka tapahtuu vain konvektiivisen lämmönsiirron kustannuksella.

Tunnettu menetelmä on toteutettu laitteistossa, joka käsittää valuastian sulatetulle metallille ja plasmage-10 neraattorin matalalämpötilaisen plasmallekin tuottamiseksi sijoitettuna sulatetun metallin pinnan yläpuolelle ja asennettu liikkumaan edes-takaisin.

Merkittävät säteilylämpöhäviöt johtavat merkittävien lämpökuormien takia valuastian tulenkestävän vuorauksen käyt-15 töiän alenemiseen.

Alalla tunnettu menetelmä, joka on lähinnä esillä olevaa keksintöä on menetelmä sulatetun metallin jalostamiseksi tasavirta-plasmaliekillä ja laite tämän menetelmän toteuttamiseksi (US-patenttijulkaisu No. 3 547 622, 1970, 20 palsta 75-10).

Tunnettu menetelmä sisältää matalalämpötilaisen plasmallekin muodostamisen johtamalla plasmaa muodostava kaasu valokaaren läpi, matalalämpötilaisen plasmallekin johtamisen sulatteelle, nimittäin sulatetulle teräkselle ja sen 25 kuumentamisen ja tyhjön luomisen sulatteen pinnan yläpuolelle, jonka tyhjön läpi johdetaan tasavirta muodostamaan tasavirran magneettikenttä, joka toimii yhdessä valokaari-magneettivuon kanssa, minkä johdosta sulatteen sekoitus saadaan aikaan. Sulatteen kaasunpoisto tapahtuu sen tyhjö-30 käsittelyn aikana ja sen sekoitus ja kuumennus matalalämpö-tila plasmallekin avulla.

Sähköisen valokaaren polttamisen yhteydessä tapahtuu merkittäviä säteilylämpöhäviöitä, minkä takia tunnetulla menetelmällä on alhainen energiahyötysuhde sulatteen 35 lämmityksessä. Tällaisen menetelmän toteutus on huomattavan 6 81383 vaikeata tyhjön luomisen välttämättömyyden takia. Lisäksi yllä kuvattu menetelmä tunnetun menetelmän toteuttamiseksi tekee sellaisten toimintojen, kuten lejeröinnin, hapenpois-ton sekä kuonanmuodostukseen liittyvien rikinpoisto- ja 5 fosforinpoistotoimintojen suorittamisen teknisesti vaikeak si. Sulatteen käsittelyn tunnetussa menetelmässä on alhainen saanto, mikä johtuu vaikeuksista saada aikaan tehokas sekoitus sulatteelle sekoituksen vaatiessa merkittävän määrän energiaa johtuen korkealämpötilaplasmavalokaari-sulate-10 rajapinnan, jossa lämmön- ja aineensiirtoprosessit tapahtuvat tehokkaimmin, pienestä pinta-alasta. Sitä paitsi seko-tusprosessissa saattaa syntyä paikallaan pysyviä alueita.

Tunnettu menetelmä toteutetaan laitteistossa, joka käsittää kaksi astiaa sulaa metallia varten sijoitettuna 15 päällekkäin pystysuorassa tasossa ja ollen yhteydessä toisiinsa kahdella metallia kuljettavalla yhteellä. Toinen astioista on varustettu plasmageneraattorilla matala-lämpöti-laisen plasmallekin aikaansaamiseksi generaattorin ollessa asennettu edestakaisin liikkumista varten pystysuorassa ta-20 sossa ja järjestettynä sulatteen pinnan yläpuolelle. Tyhjöä pidetään yllä tässä astiassa. Laitteisto on varustettu ta-savirtajännitelähteellä matala-lämpötilaisen plasmallekin tuottamista varten.

Sulan metallin samanaikaista tyhjössä kuumentamista, 25 sekoittamista ja kaasun poistoa varten saatetaan plasmavalo-kaaren ionisoitu kaasukolonni kosketukseen sulan metallipinnan yläpuolelle ja voimakkaan tasavirran annetaan mennä plas-mavalokaarikolonnin läpi sulametalliastiaan. Tasavirtamag-neettikenttä, joka menee astian läpi kohtisuorassa suunnas-30 sa valokaarivirtavirtauksen suuntaa kohti toimii yhdessä mainitun valokaarivirran avulla aikaansaadun magneettivuon kanssa ja liikuttaa sulaa metallia pitkin neliönmuotoista kehää.

Sulatteen käsittelyä varten käytetty laitteisto on 35 monimutkainen suoritusmuoto johtuen kahden uunin kestävällä

II

7 81383 materiaalilla vuoratun astian läsnäolosta ja sulatteen yläpuolelle luotavan tyhjön välttämättömyydestä.

Johtuen plasmavalokaaren suuresta virran voimakkuudesta ja sulan metallin kierrättämisestä on metallia kul-5 jettavien putkien ja astioiden uunin kestävien vuorausten kestävyys vähäinen. Tulisi huomioida, että annetussa tapauksessa sulan metallin käsittely suoritetaan jaksottain, koska käsittelyn sulatteen poistaminen ja uuden sulatteen vieminen edellyttää astioiden avaamista, mikä myös monimut-10 kaistaa teknillistä prosessia.

Keksinnön tarkoituksena on tarjota sulan metallin käsittelymenetelmä ja laite sen toteuttamiseksi, missä ma-talalämpötilainen plasmaliekki johdetaan ja lisäaineita viedään sulaan metalliin lämmön ja aineensiirron voimistamisek-15 si matalalämpötilaisen plasmallekin ja sulan metallin välillä, sulan metallin kuumennuksen energiahyötysuhteen kasvattamiseksi seka lämmön ja aineensiirron voimistamiseksi sulan metallin ja lisäaineiden välillä ja lejeerinkien mekaanisten ja toimintaominaisuuksien parantamiseksi sulan 20 metallin käsittelylaitteella, jolla on yksinkertainen rakenne .

Tämä päämäärä toteutetaan sellaisella sulan metallin käsittelymenetelmällä, joka sisältää matalalämpötilaisen plasmallekin luomisen päästämällä plasmaa muodostavaa ai-25 netta valokaaren läpi ja matalalämpötilaisen plasmallekin johtamisen sulaan metalliin, keksinnön mukaisesti, matalalämpötilaisen plasmallekin johtaminen sulatemassan sisäpuolelle toteutetaan sulatteen pinnan puolella noin 1500 m/s nopeudella sulan metallin sekoittamiseksi ja suoritetaan 30 plasmallekin alustavasti läpäisseiden lisäaineiden johtaminen.

Matalalämpötilaisen plasmallekin johtaminen sulatemassan siäpuolelle mahdollistaa merkittävän lämmön ja aineensiirron voimistamisen plasman ja sulan metallin välillä. 35 Tässä tapauksessa käytännöllisesti katsoen plasmallekin kaik- s 81383 ki lämpöenergia kuluu sulatteen kuumentamiseen, kun plasmaa muodostavan kaasun ylöspäin nousevat kuplat, joilla on korkeampi lämpötila kuin sulatteella, luovuttavat lämpö-energian sille. Plasmallekin korkeampi lämpöenergia takaa 5 plasmaa muodostavan kaasun suuremman reaktiovoiman, mikä voimistaa plasman ja sulatteen välistä aineensiirtoa. Lisäksi menetelmän toteuttaminen sallii plasmateknologian etujen olevan tehokkaimmin käytettyinä, nimittäin lejeröin-nin ja kuonan muodostajalisäaineiden johtamisen, jotka ai-10 neet omaavat suuren reaktiovoiman, joka saadaan niiden kuumentamisesta tai sulattamisesta plasmavalokaaressa. Samanaikaisesti tulee mahdolliseksi sulan metallin käsittelyprosessin aloittaminen merkittävästi alemmilla lämpötiloilla, koska plasmavalokaari on tehokas lämmön lähde, ja plasma-15 valokaaren upottaminen sulaan metalliin takaa korkeimman lämpöhyötysuhteen, joka johtuu säteilylämpöhäviöiden pois jäämisestä.

Kun tätä menetelmää toteutetaan, on toivottavaa käyttää typpeä sisältäviä lisäaineita.

20 Typpeä sisältävien lisäaineiden käyttö on tehokkain ta esimerkiksi lejeröitäessä korroosio-kestäviä ja kulutus-: · ta kestäviä teräksiä, joissa on koostumuksessaan sellaisia austeniittia muodostavia alkuaineita kuten nikkeliä tai mangaania, tähdäten niiden osittaiseen substituutioon.

25 Esitetyn menetelmän toteuttaminen ottaa mahdollise na lukuun käyttää kuonanmuodostajalisaaineita, jotka on alustavasti jauhettu partikkelikokoon noin 0,1 ja noin 1,0 mm välille.

Lukuisten prosessien nopeudet, jotka tapahtuvat te-30 räksen valmistuslaitteiden astioissa (kuonan muodostus, fosforin poisto, rikinpoisto jne), jäävät oleellisesti jälkeen hiilen poistosta ja metallin kuumentamisesta.

Plasmavalokaaressa alustavasti aktivoitujen ja sulaan metallimassaan johdettujen jauhemaisten kuonanmuodos-35 tajalisäaineiden käyttö suurimman metalli-kuonapinnan ke- 9 81383 hittymisen takaamiseksi luo olosuhteet forforinpoisto-, rikinpoistoprosessien jne. maksiminopeuksien saavuttamiseksi .

Kun käytetään kuonanmuodostajalisäaineita, plasmaa 5 synnyttävä aine voi sopivasti sisältää happea määränä 0... 100 tilavuusprosenttia plasmaa muodostavasta aineesta.

Happi käytettynä annettuina määrinä edistää erittäin aktiivisen ferrirautapitoisen-kalkkikuonan muodostumista, viimemainitun ollessa muodostunut sulassa metalli-10 massassa, ja fosforinpoistoprosessit tapahtuvat, kun kuo-napartikkelit nousevat ylöspäin, mikä antaa sulalle metallille tehokkaan sekoittumisen.

Tämä päämäärä toteutetaan myös sellaisessa sulan metallin käsittelylaitteessa, joka käsittää plasmageneraatto-15 rin matalalämpötilaisen plasmallekin tuottamiseksi sovitettuna edestakaisin liikkumista varten pystysuorassa tasossa ja järjestettynä sulan metallin pinnan yläpuolelle, keksinnön mukaisesti, plasmageneraattori on varustettu suuttimel-la, jonka loppupää on vastatusten sulan metallin kanssa ja 20 jonka sisääntuloalue vastaa oleellisesti plasmageneraatto-rin ulosmenoaluetta matalalämpötilaisen plasmallekin ulos-tulopaikassa, suuttimen sulaan metalliin upotetun osan pituuden ollessa noin 0,1... noin 0,8 sulan metallikolonnin korkeudesta.

25 Plasmageneraattorin loppupäähän liittyneen suutti men läsnäolo tarjoaa olosuhteet matalalämpötilaisen plasma-liekin johtamiseen sulan metallin sisäpuolella, alustavasti aktivoitujen lisäaineiden viemiseen sulan metallipinnan alapuolella ja aineensiirtoprosessien aktivointiin. Matala-30 lämpötilaisen plasmallekin ja lisäaineiden johtaminen sulan metallin sisäpuolella takaa merkittävästi laajentuneen pinnan luomisen sulametalli-kuona-kaasu-rajapinnalla, minkä vuoksi lämmön- ja aineensiirtoprosessit voimistuvat merkittävästi, ja saavutetaan kuonan muodostuksen ja muiden lisä-35 aineiden taloudellisuus.

10 81 383

Plasmageneraattori voi olla sopivasti asennettu vaakasuorassa tasossa liikkumista varten.

Tämä takaa koko sulametallimassan käsittelyn sisältäen sen käsittelyn pitkin ulkoreunaa, mikä antaa sulan me-5 tallin lämpötilan ja koostumuksen nopeamman tasaantumisen. Tulisi huomioida, että plasmageneraattorin vaakasuorassa tasossa liikkumisen tarpeellisuus on edullisinta käsiteltäessä suuria tilavuusmääriä (yli 5 t) sulaa metallia.

On toivottavaa käyttää puhalluslampputyyppistä plas-10 mageneraattoria. Tämän tyyppinen plasmageneraattori on sopivin lisäaineiden sulaan metalliin johtamista varten, kun ei ole tarvetta varsinaisen sulan metallin merkittävään kuumentamiseen. Tässä tapauksessa ei ole välttämätöntä käyttää erityistä elektrodia jännitteen saattamiseksi sulaan metal-15 liin.

Ulkoisella plasmavalokaarella varustettua plasmage-neraattoria voidaan käyttää mukavasti, kun sula metalli tarvitsee merkittävää kuumentamista ja myös siinä tapauksessa, että käytetään korkeassa lämpötilassa sulavia lisäaineita, 20 jotka vaativat plasmallekin korkeampia lämpötiloja niiden sulattamiseksi.

Suutin voi olla sopivasti varustettu levyllä, jossa on keskellä aukko, joka on samankeskinen suuttimen sisäau-kon kanssa, ja pystysuorilla läpikäytävillä, joiden määrä 25 kasvaa keskustasta kohti tason ulkoreunaa.

Mainittu levy on asennettu lämmön- ja aineensiirron voimistamista varten plasman ja sulan metallin välillä, mikä mahdollistaa kaasukuplien liikkumistien laajentumisen sulassa metallissa ja niiden siinä pysymisajan pitenemisen. 30 Tämä aiheuttaa kaasukuplien tehokkaamman jakaantumisen. Kuitenkin kaasukuplien tehokkain jakaantuminen saavutetaan, kun mainittu levy on lisäksi varustettu pystysuorilla läpikäytävillä, joiden ansiosta ylöspäin liikkuvat kaasukuplat päästessään käytäviin jakaantuvat ja kuplivat sitten yhte-35 näisesti levyn yläpuolelle koko sulatteen laajuudelta.

Il il 813 8 3

Sisäänmenoalueen rajalla voi suutin olla varustettu aukolla lisäaineiden viemistä varten. Sellainen aukko antaa halutun tehon jauhemaisten lisäaineiden johtamisessa sulaan metalliin.

5 Keksinnön selvemmän ymmärtämisen mahdollistamiseksi sen edulliset suoritusmuodot kuvataan jäljempänä täydellisemmin viitaten liitteinä oleviin piirustuksiin, joissa:

Kuvio 1 kuvaa keksinnön mukaisesti sulan metallin käsittelemiseksi kaavamaisesti laitteen, jossa on valuas-10 tian pystysuora leikkaus, johon on tehty osaleikkauksia plasmageneraattorin nosto- ja kääntökoneistoon.

Kuvio 2 on kuvion 1 leikkaus II-II piirrettynä suurennettuun mittakaavaan.

Esitetty sulan metallin käsittelymenetelmä käsittää 15 matalalämpötilaisen plasmallekin synnyttämisen päästämällä plasmaa synnyttävää ainetta valokaaren läpi.

Plasmaa synnyttävä aine on valittu sarjasta, joka koostuu argonista, typestä, hapesta, vedystä ja/tai niiden seoksista.

20 Lisäksi esitetty menetelmä mahdollistaa matalalämpö tilaisen plasmallekin johtamisen sulaan metalliin.

Sulan metallin käsittelyprosessissa valokaaren voimakkuutta pidetään yllä noin 50 kW... noin 5,0 MW tasolla sulan metallin määrän ollessa noin 100 kg... noin 2500 kg.

25 Matalalämpötilainen plasmaliekki johdetaan sulan metalli- massan sisäpuolelle sen pinnan puolelta nopeudella 1500 m/s, mikä takaa sulatteen sekoittumisen. Lisäaineet viedään päästämällä ne alustavasti plasmallekin läpi.

Lisäaineina on käytetty typpeä sisältäviä lisäainei-30 ta, esimerkiksi puhdasta typpeä, typpi-argon-seosta tai kuonanmuodostajalisäaineita, jotka on alustavasti jauhettu noin 0,1... noin 1,0 mm kokoon, esimerkkeinä lejeröintial-kuainejauheet (titaani, volframi jne.), kalkki, fluorisäl-pä jne.

35 Kun on käytetty kuonanmuodostajalisäaineita, tulisi i2 81 383 plasmaa muodostavan aineen sisältää happea määränä 0...100 tilavuusprosenttia plasman muodostaja-aineesta.

Laite sulan metallin käsittelemiseksi käsittää plas-mageneraattorin 1 (kuvio 1) matalalämpötilaisen plasmalie-5 kin 2 tuottamiseksi. Plasmageneraattori 1 on asennettu pystysuorassa tasossa edestakaisin liikettä varten ja järjestetty erityisessä säiliöastiassa 4, esimerkiksi valuastias-sa tai säiliössä, olevan sulan metallin 3 pinnan yläpuolelle. Plasmageneraattori 1 on varustettu suuttimella 5, jon-10 ka loppupää on vastatusten sulan metallin 3 kanssa ja jonka sisäänmenoalue vastaa oleellisesti plasmageneraattorin 1 ulosmenoaluetta matalalämpötilaisen plasmallekin 2 ulostu-lopaikassa, sulaan metalliin 3 upotetun suuttimen 5 osan pituuden ollessa noin 0,1... noin 0,8 sulan metallin 3 ko-15 lonnin korkeudesta.

Suuttimella 5 varustetun plasmageneraattorin 1 pystysuorassa tasossa edestakaisen liikkeen takaamiseksi käytetään ohjauslaitetta, joka käsittää pohjalevyn 6, joka on asennettu pallotuen 7 kautta laakeritasoon 8, johon on kiin-20 nitetty pilari 9 ja alemman tuen 10 ja ylemmän tuen 11 rungot. Johtoruuvi 14 on kiinnitetty tukiin 10, 11 erityisellä alemmalla painelaakerilla 12 ja erityisellä ylemmällä painelaakerilla 13. Johtoruuvia 14 pyöritetään sähkömoottorilla 15 vaihteen 16 avulla. Mutteri 17, joka tekee siirtolii-25 kettä on kiinnitetty johtoruuviin 14.

Mutterin 17 kääntymisen estämiseksi johtoruuvin 14 kanssa on pilari 9 varustettu lovella 9', joka pitelee mutteria 17. Plasmageneraattori 1, jossa on suutin 5, on kiinnitetty kannattimeen 18, joka on kiinnitetty mutteriin 17.

30 Esitetyn laitteen muotoilu sallii plasmageneraatto rin 1 liikkumisen vaakasuorassa tasossa. Lopulta kuvattu ohjauslaite pyörii akselinsa ympäri pallotuilla 7.

Laite tarjoaa käyttöön puhalluslampputyyppisen plasmageneraattorin 1 (ei kuvattu kuviossa 1) tai kuviossa 1 35 esitetyn ulkoisella plasmavalokaarella varustetun plasmage-neraattorityypin.

i3 8 1 383

Jos sulaa metallia käsitellään ensimmäisen vaihtoehdon mukaisesti, luodaan valokaari puhalluslampputyyppi-sen plasmageneraattorin 1 anodin ja katodin välille.

Jos käytetään plasmageneraattoria 1, jossa on ulkoi-5 nen plasmavalokaari, luodaan valokaari katodin ja sulan metallin 3 välille, johon tasavirtalähteen 19 positiivinen napa on johdettu erityisellä elektrodilla 20. Elektrodi 20 voidaan upottaa sulaan metalliin sen pinnan puolelta tai se voi olla kiinnitetty sulan metallin käsittelysäiliön poh-10 jaan tai sivuseinään.

Ulosmenoalueen kohdalla on suutin 5 varustettu levyllä 21 (kuvio 2), jonka keskusaukko 22 on samankeskinen suuttimen 5 sisäaukon kanssa (kuvio 1).

Levy 21 voi olla joko kiinteä tai siinä voi olla pys-15 tysuoria läpikäytäviä 23 (kuvio 2), joiden määrä kasvaa keskeltä kohti levyn 21 ulkoreunaa. Sulan metallin 3 käsittelyprosessissa levy 21 on kokonaan upotettu sulaan metalliin 3. Tämä mahdollistaa lämmön- ja aineensiirtoprosessien voimistamisen plasman 2 ja sulan metallin 3 välillä, mikä joh-20 tuu ylöspäin nousevien kaasukuplien 2’ liikkumistien laajenemisesta sulassa metallissa 3 ja mainittujen kaasukuplien jakaantumisesta niiden mennessä levyn 21 pystysuorien käytävien 23 läpi. Levyn 21 ulkohalkaisijän mitat vaihtelevat noin l/3:sta noin l/2:een säiliön 4, jossa sula metalli 3 25 käsitellään, sisähalkaisijasta. Tällainen levyn mitoitus varmistaa prosessin toteuttamisen ja käsittelyn maksimite-hokkuuden.

Levyn 21 pystysuorat käytävät voivat olla leikkaukseltaan rengasmaisia tai neliöitä.

30 Käytävien 23 aukkojen optimimitat kohoavat 8-10 mm: iin. Jos aukkojen halkaisija (tai neliön sivu) kasvaa yli 10 mm, voi se aiheuttaa käytävien epäyhtenäistä toimintaa, koska kaasu voi ensisijaisesti läpäistä käytävien sen osan, joka on järjestäytynyt suuttimen 5 toiselle puolelle. Kun 35 käytävien 23 koko on pienempi kuin 8 mm, ovat kokeet osoit- i4 81 383 taneet, että se saattaa johtaa "tukehtumistilaan", ts. käytävät eivät läpäise kaasua.

Käytävien 23 läpäisevä kaasu-plasmaliekki on jakaantunut hienoksi ja nousee levyn 21 yläpuolelle pienien kup-5 lien 2' muodossa, muodostaen siten hyvin kehittyneen kaasu-metalli rajapinnan. Levyn 21 yläpuolella olevan koko sula-metallimassan käsittelyn takaamiseksi ja sellaisen tapauksen estämiseksi, että kaikki kaasu läpäisee käytävät 23 lähimpänä levyn 21 sisäaukkoa, ovat mainitut käytävät järjes-10 tetty epäyhtenäisesti pitkin levyn 21 koko pintaa ja käytävien 23 määrä (intensiteetti) kasvaa keskeltä kohti levyn ulkoreunaa.

Sisäänmenoalueen vyöhykkeessä suuttimessa 5 on aukko 24 (kuvio 1) lisäaineiden viemistä varten. Tämä sallii 15 jauhemaisten lisäaineiden läpäisyn plasmallekin 2 läpi ja niiden viemisen sulaan metallimassaan 3.

Laite sulan metallin käsittelemiseksi valuastiassa toimii seuraavalla tavalla.

Käsittelyä varten käytetään paljon mangaania sisäl-20 tävää terästä. Kuumennus suoritetaan induktiouunissa. Sula • .·. metalli kaadetaan uunista valuastiaan 4 nosto- ja kääntöme- kanismin avulla.

Vettä johdetaan veden syöttöjärjestelmiin 25 (kuvio 1) plasmageneraattorin 1 jäähdytysyksikköjä varten. Plasmaa 25 muodostavan kaasun vapauttamisen yhteen 26 läpi aloitetaan samanaikaisesti. Voimasyöttölähde 19 kytketään päälle, jännite kytketään plasmageneraattoriin 1 ja valokaari syttyy.

Suuttimella 5 varustettu plasmageneraattori 1 lasketaan alas, minkä vuoksi suutin 5 uppoaa sulaan metalliin 3. 30 Tulokseksi muodostuu hormivyöhyke, jossa sula metalli käsitellään.

Esillä olevan keksinnön paremmin ymmärtämiseksi on alla annettu sen edullisia suoritusmuotoja kuvaavia erityisiä esimerkkejä.

is 81383

Esimerkki 1

Induktiouunissa tuotetaan terästä, jolla on seuraa-va kemiallinen koostumus, % massasta: hiiltä 0,36 %, piitä 0,29 %, mangaania 0,61 %. Sitten sula metalli kaadetaan ka-5 pasiteetiltaan 160 kg valuastiaan ja siihen viedään plasma-generaattori nosto- ja kääntömekanismin avulla. Plasmagene-raattori kytketään päälle seuraavilla toiminta-arvoilla: valokaarivirta 350Δ, plasmaa synnyttävän kaasun (argon) kulutus 3,2 g/s. Sitten plasmageneraattorisuutin upotetaan 10 sulaan metalliin 60 mm syvyyteen ja käsittelyä jatketaan 10 minuutin pituisen jakson ajan. Sen jälkeen metalli saatetaan valettavaksi. Samanaikaiset metallinäytteet otetaan mekaanisten ominaisuuksien testaamiseksi. Saadut näytteet laitettiin normalisoitumaan. Käsitellyn teräksen mekaaniset 15 ominaisuudet ovat seuraavat: -560 MPa, £-23 %, ψ -28 %, KCV (iskulujuus) -460 kJ/m2, missä ^ on vetolujuus, on venymä.

Vertailuksi saman, mutta käsittelemättömän teräksen mekaaniset omainaisuudet ovat seuraavat: ^-480 MPa,^',-16 %, 20 ψ-21 %, KCV (iskulujuus) 355 kJ/m2. Plasmakäsittelyn jälkeen valetun metallin tutkimukset tekivät mahdollisiksi määrittää 30-50 % pieneneminen ei-metallisten epäpuhtauksien määrässä verrattuna saman koostumuksen omaavaan teräkseen, jota ei oltu plasmakäsitelty. Ja ei-metalliset epäpuhtaudet 25 jauhetaan, saadaan oikea fasetointi ja ne ovat jakautuneet yhtenäisesti metalliin.

Oleellinen väheneminen plasmalla käsitellyssä metallissa olevien kaasujen määrässä havaitaan. Esimerkiksi havaittiin happisisällön pieneneminen 0,0035 %:sta jopa 0,0024 30 %:iin. Plasmakäsittelyn jälkeen tutkitulla teräksellä on alhainen vetysisältö - 0,00065 %, mikä on oleellisesti alhaisempi kuin lähtöainemetallissa, jossa vetysisältö on jopa 0,00085 %. Nämä positiiviset tekijät takaavat valukappaleiden mekaanisten ja toimintaominaisuuksien merkittävän kas-35 vun.

i6 81 383

Esimerkki 2 Käsittelyyn on saatettu kulutuksen kestävä teräs, joka on valmistettu induktiouunissa ja jolla on seuraava kemiallinen koostumus, % massasta: hiiltä 1,10 %, mangaa-5 nia 12,20 %, piitä 0,83 %, titaania 0,09 %, rikkiä 0,03 7 %, fosforia 0,074 %, typpeä 0,0072 %. Sitten sula metalli kaadetaan kapasiteetiltaan 160 kg valuastiaan, jossa se leje-röidään typellä, joka on peräisin plasmavalokaaresta, joka on upotettu sulaan metalliin suuttimen avulla.

10 Plasmageneraattori kytketään päälle seuraavien toi minta-arvojen mukaan: valokaarivirta 300 A, plasmaa muodostavan kaasun (typen) kulutus 4,5 g/s. Suuttimen alempi pää on upotettu sulaan metalliin 50-60 mm syvyyteen. Sellainen käsittelymalli tapaa metallin ja kaasun tehokkaan sekoittu-15 misen, mikä antaa hyvin kehittyneen pinnan lämmön- ja aineensiirtoa varten. Metallin kemiallinen koostumus sen jälkeen, kun sitä on puhallettu 12 minuutin pituisen jakson ajan, on seuraavanlainen: hiiltä 1,07 %, mangaania 12,0 %, piitä 0,85 %, rikkiä 0,032 %, fosforia 0,068 %, typpeä 0,065 20 %. Teräksen mekaaniset omainaisuudet käsittelyn jälkeen ovat seuraavat: -760 MPa, ^.-570 MPa,/^-20,8 %, ψ -24,1 %, KCV (iskulujuus) -2100 kJ/m^.

Lähtöaineteräksellä on seuraavat mekaaniset ominaisuudet: 6^-680 MPa, £»,.-390 MPa,^-19,2 %, JP-23,2 %, KCV (is-25 kulujuus) -1980 kJ/m^.

Isku-hankaus-kulutusolosuhteiden simuloimiseksi suoritettiin kokeet pallomyllyssä, joka koostuu kahdesta rummusta, jotka on järjestetty 45 % kulmaan suhteessa niiden akseliin. Rumpujen sisämitat: halkaisija 20 mm, pituus 320 30 mm. Rummut pyörivät nopeudella 33 rpm. Kumpaankin rumpuun lastattiin 10 kg halkaisijaltaan 50 mm (HRC 50) teräspallo-ja, 6 kg määrätyn kokoista (tilauksessa 10-20 mm) graniit-tikivimurskaa ja käsittelyn alaisia teräsnäytteitä kooltaan 10x10x25 mm. Teräksen kulutuskestävyysarviota luonnehdit-35 tiin suhteellisella kulutusarvolla. Standardiksi otettiin lähtöaineteräksestä valmistettu näyte.

i7 81 383

Tutkimukset osoittivat, että esitetyn tekniikan mukaan typellä lejeröidyn teräksen kulutuskestävyys on 30 % korkeampi kuin läntöaineteräksen kulutuskestävyys.

Esimerkki 3 5 Harkkorauta, jolla on seuraava koostumus, % massas ta: hiiltä 3,98 %, piitä 0,91 %, mangaania 0,52 %, fosforia 0,110 %, rikkiä 0,026 % sulatetaan induktiouunissa. Uunista sula metalli kaadetaan kapasiteetiltaan 160 kg va-luastiaan. Metallin lämpötila ennen käsittelyä on 1260 C.

10 Operointia varten valmistettu plasmageneraattori viedään valuastiaan ja sijoitetaan sulan metallin yläpuolelle. Plasmageneraattori kytketään päälle seuraavilla toiminta-arvoilla: valokaarivirta 300-400 A, jännitteen alenema 180-250 V, plasmaa muodostavan kaasun kulutus 4 g/s. Plasmaa muodosta-15 va kaasu koostuu argonista (95 %) ja hapesta (5 1). Suutin upotetaan sulaan metalliin 70-80 mm syvyyteen. Samanaikaisesti viedään sulaan metalliin kuonanmuodostajalisäaineita hienoksi jauhetun jauheen muodossa (partikkelien koko on valittu olosuhteiden mukaan, jotka takaavat plasmageneraat-20 torin käyttökelpoisuuden), jolla jauheella on seuraava koostumus, % massasta: kalkkia 80 % ja fluorisälpää 20 %. Jauheen kokonaiskulutus on 13 kg/t.

Läpäistyään plasmavalokaaren pääsevät jauhepartikke-lit sulaan metalliin kuumennetussa tai sulassa tilassa.

25 Asettautuneina puhallusvyöhykkeeseen on olemassa olosuhteet kuonanmuodostaja-aineita sisältävän kaasuplasmaliekin ja sulan metallin tehokkaalle sekoittumiselle. Plasman muodossa oleva happi edesauttaa erittäin aktiivisen ferrirauta-kalkkikuonan muodostumista sulassa metallimassassa puhallus-30 prosessin aikana. Tästä aiheutuu nopea ja tehokas fosforin-poistoprosessien toteuttaminen, mikä tässä tapauksessa tapahtuu puhallusvyöhykkeellä ja jatkuu kuonapartikkelien noustessa ylöspäin. 3 minuutin puhallusjakson jälkeen havaitaan sulan harkkoraudan lämpötilan kasvu 1285 C:seen.

35 Sen jälkeen kun sula metalli on käsitelty kaasu-plas- 18 81 383 maliekillä, suoritetaan kuonanpoisto-, hapenpoisto- ja metallin valuoperaatiot.

Käsittelyn jälkeen harkkoraudalla on seuraava koos-mus, % massasta: hiiltä 3,60 %, piijäämiä, mangaanijäämiä, 5 fosforia 0,01 %, rikkiä 0,018 %.

Esillä olevaa keksintöä voidaan käyttää edullisimmin tuotettaessa tavallisia rauta-hiililejeerinkejä ja lejee-rinkejä, jotka sisältävät kalliita ja harvinaisia alkuaineita, erityisiä lejeerinkejä, kuten esimerkiksi kulutuk-10 sen kestäviä, korroosion kestäviä, lämmönkestäviä ja kor- kealämpötilalejeerinkejä, sekä myös erityisiä rautaa sisältäviä ja sisältämättömiä, esimerkiksi alumiinilejeerinkejä.

Claims (10)

1. Sulan metallin käsittelymenetelmä, jossa mata-lalämpötilainen plasmaliekki (2) muodostetaan johtamalla 5 plasmaa muodostavaa ainetta valokaaren läpi ja matalaläm-pötilainen plasmaliekki (2) johdetaan sulaan metalliin (3), tunnettu siitä, että matalalämpötilainen plasma-liekki (2) johdetaan sulan metallin (3) massan sisäpuolelle sulan metallin pinnan puolelta nopeudella noin 1500 rn/s 10 sulan metallin (3) sekoittamiseksi, ja plasmallekin (2) alustavasti läpäisseet lisäaineet viedään joukkoon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että typpeä sisältäviä aineita käytetään lisäaineina.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että käytetyt lisäaineet ovat kuonanmuo-dostajalisäaineita, jotka on alustavasti jauhettu noin 0,1 mm... noin 1,0 mm partikkelikokoon.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, t u n-20 n e t t u siitä, että kuonanmuodostajalisäaineiden kanssa käytetty plasmaa muodostava aine sisältää happea määränä 0... 100 tilavuus-% plasmaa muodostavasta aineesta.

5. Laite patenttivaatimuksen 1 mukaisen sulan metallin käsittelymenetelmän toteuttamiseksi, joka laite käsit- 25 tää plasmageneraattorin (1) matalalämpötilaisen plasmallekin (2) tuottamiseksi asennettuna edestakaista liikettä varten pystysuorassa tasossa ja sijoitettuna sulan metallin (3) pinnan yläpuolelle, tunnettu siitä, että plas-mageneraattori (1) on varustettu suuttimella (5), jonka 30 loppupää on vastatusten sulan metallin (3) kanssa ja jonka sisäänmenoalue vastaa oleellisesti plasmageneraattorin (1) ulosmenoaluetta matalalämpötilaisen plasmallekin (2) ulos-tulopaikassa, sulaan metalliin (3) upotetun suuttimen (5) osan pituuden ollessa noin 0,1... noin 0,8 sulan metalli-35 kolonnin korkeudesta. 2o 81383

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että plasmageneraattori (1) on asennettu vaakasuorassa tasossa liikkumista varten.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen laite, 5 tunnettu siitä, että käytetään puhalluslampputyyp-pistä plasmageneraattoria (1).

8. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että käytetään plasmageneraattoria (1), jossa on ulkoinen valokaari.

9. Patenttivaatimuksen 5-7, tai 5, 6, 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että suutin (5) on varustettu ulosmenoalueen vyöhykkeessä levyllä (21), jonka kes-kusaukko on samankeskinen suuttimen sisäaukon kanssa, ja jossa on pystysuoria läpikäytäviä (23), joiden määrä kas-15 vaa keskeltä kohti levyn (21) ulkoreunaa.

10. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että suuttimessa (5) on sisäänmenoalueen vyöhykkeellä aukko (24) lisäaineiden viemistä varten. 2i 81383