Pobierz

Solidification of Metals and Alloys,
Year 2000, Volume 2, Book No. 44
Krzepnięcie Metali i Stopów,
Rok 2000, Rocznik 2, Nr 44
PAN – Katowice PL ISSN 0208-9386
66/44
PROTOTYPOWE STANOWISKO DO PLAZMOWEGO
TOPIENIA METALI
A. MODRZYŃSKI1, K. GRZEŚKOWIAK2
Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej
R. NAMYŚLAK3, R. NIEWIEDZIAŁ4
Instytut Elektroenergetyki Politechniki Poznańskiej
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono budowę i dokonano charakterystyki elementów składowych
prototypowego stanowiska do topienia metali przy wykorzystaniu jako źródła ciepła
plazmy niskotemperaturowej generowanej w warunkach obniżonego ciśnienia. Podano
wyniki wstępnych badań parametrów pracy stanowiska uzyskane podczas topienia
czystej miedzi i niklu. Prezentowane stanowisko docelowo przeznaczone jest do
topienia tytanu i jego stopów w tyglu „garnisażowym”.
1.
WSTĘP
Topienie tytanu i jego stopów nastręcza poważne problemy technologiczne
ponieważ [1-5]:
• tytan w podwyższonej temperaturze reaguje aktywnie z tlenem i azotem z atmosfery
pieca tworząc tlenki i azotki,
• roztopiony tytan aktywnie reaguje z większością materiałów ogniotrwałych zwykle
stosowanych do wykonywania tygli ogniotrwałych.
W związku z tym agregaty metalurgiczne stosowane do topienia tytanu i jego stopów
powinny spełniać następujące warunki [1-5]:
• topienie należy prowadzić w próżni lub atmosferze ochronnej,
• tygiel stosowany do topienia metalu nie powinien wchodzić w reakcję ze
składnikami stopu,
1
Dr hab. inż. prof. Politechniki Poznańskiej
Mgr inż.
3
Dr inż.
4
Dr inż.
2
490
piec powinien pozwalać na uzyskanie przegrzania metalu do temperatury 1800oC
dzięki zastosowaniu źródła ciepła o dużej koncentracji energii.
Powyższe warunki spełniają agregaty metalurgiczne charakteryzujące się
odizolowaniem układu metalurgicznego od atmosfery i posiadające tzw. tygle
„garnisażowe”. Do takich jednostek można zaliczyć [3,4,5]:
• piece indukcyjne wyposażone w tzw. zimny tygiel, w których proces topienia
przebiega w próżni lub atmosferze gazu obojętnego,
• piece próżniowe łukowe,
• piece próżniowe elektronowiązkowe,
• piece plazmowe.
Charakterystyka porównawcza tych jednostek została przedstawiona w tabeli 1.
•
Tabela 1. Cechy charakterystyczne pieców metalurgicznych do topienia tytanu i jego stopów [3]
Table 1. Characteristic parameters of metallurgical furnaces for melting tytanium and tytanium
alloys [3]
Cechy charakterystyczne
Moc
Możliwość
Możliwość
Możliwość
Typ
zainstalowana,
stosowania
uzyskania
topienia
Pieca
Pojemność
kW/kg
atmosfery
wysokiej
dowolnego
Pieca
stopu
regulowanej
próżni
wsadu
dowolna
nie
tak
tak
100-180
Łukowy z
(0,1 - 10 Pa )
topliwą
Elektrodą
Indukcyjny
dowolna
tak
tak
tak
22 - 25
( ok. 1 Pa )
Elektronomała
ograniczon
tak
tak
ok.80
wiązkowy
a
(0,01 - 10 Pa )
Plazmowy
dowolna
tak
tak
tak
20 -24
Z analizy danych zawartych w tabeli 1 można wysnuć wniosek, że za jedno z
najbardziej funkcjonalnych rozwiązań należy uznać piec plazmowy ponieważ:
• nie ma ograniczeń co do pojemności tygla i rodzaju stosowanego wsadu
(z wyjątkiem jego kawałkowatości),
• zastosowanie do generacji plazmy oczyszczonego argonu , przy pracy w warunkach
obniżonego ciśnienia, pozwala stworzyć warunki zbliżone do uzyskiwanych w
piecach próżniowych (porównywalne ciśnienie cząstkowe tlenu i azotu),
• piece te cechuje mała wartość wskaźnika mocy zainstalowanej przypadającej na
1 kg topionego metalu,
Szczegółowa analiza teoretyczna warunków topienia tytanu i jego stopów w
piecach plazmowych została opublikowana we wcześniejszych publikacjach [6,7,8].
491
W ramach projektu badawczego KBN nr 7 TO8B 020 15 w Zakładzie
Odlewnictwa Instytutu Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej zostało
zbudowane prototypowe stanowisko do plazmowego topienia metali w warunkach
obniżonego ciśnienia. Niniejszy artykuł prezentuje doświadczenia zebrane podczas
wytopów próbnych testujących stanowisko podczas topienia miedzi i niklu.
2. BUDOWA STANOWISKA
Rys. 1. Schemat prototypowego stanowiska do plazmowego topienia metali
Fig. 1. Scheme of prototype stand for plasma melting of metals
Prototypowe stanowisko do plazmowego topienia metali i stopów w
warunkach obniżonego ciśnienia składa się z następujących podstawowych elementów
składowych:
• komora robocza chłodzona wodą,
• plazmotron łukowy prądu stałego z drążoną katodą dostosowany do pracy w
warunkach obniżonego ciśnienia wraz z układem zasilania i chłodzenia,
• instalacja próżniowa i chłodzenia gazów odlotowych wraz z układem pomiarowym
do analizy składu tych gazów,
• instalacja zasilania plazmotronu gazem roboczym (argonem) wraz z urządzeniem do
oczyszczania argonu oraz pomiarem ciśnienia gazu i natężenia przepływu,
• układ pomiaru temperatury metalu w komorze pieca.
Schemat stanowiska do topienia plazmowego przedstawia rys.1, a na rys.2
przedstawiono budowę prototypowego plazmotronu łukowego prądu stałego typ
PPNA/99-DC-E-Ar skonstruowanego i zbudowanego w ramach projektu badawczego.
Plazmotron ten posiada następujące dane charakterystyczne:
• ciśnienie w komorze roboczej - 2,5 kPa - 0,01 MPa ,
• gaz roboczy
- argon
• typ katody
- drążona z wolframu torowanego,
• rodzaj pracy
- łuk zewnętrzny,
• anoda pomocnicza
- pręt wolframowy ,
• anoda robocza
- materiał przetapiany,
• maksymalne natężenie prądu - do 1000A,
• wymiary gabarytowe
- φ 60/1000 mm.
Schemat ideowy układu zasilania przedstawiono również na rys.1. Stanowisko
zasilane jest z nowo wybudowanej rozdzielnicy niskiego napięcia przez rozłącznik
bezpiecznikowy typu RB z wkładkami bezpiecznikowymi o prądzie znamionowym
200A. Do rozdzielnicy dołączony jest zespół prostownikowy DP3a-100 o mocy
znamionowej pozornej S=180kVA i mocy znamionowej czynnej P=100kW oraz
obciążalności długotrwałej w obwodzie prądu wyprostowanego 600A (na podstawie
informacji producenta - Zakładu Doświadczalnego Instytutu Spawalnictwa w
492
Rys. 2. Plazmotron do pracy przy obniżonym ciśnieniu
Fig. 2. Plasmatron for working in a low pressure
Gliwicach). Po stronie pierwotnej zasilacza dołączona jest automatyczna bateria
kondensatorów KM 110 o mocy znamionowej 110 kVar do kompensacji mocy biernej
pobieranej przez zasilacz. Przy małym współczynniku mocy zasilacza (cos ϕ < 0.8)
kompensator pozwala na pracę z pełną mocą czynną bez wymiany istniejącego łącza
kablowego. Zasilacz posiada wbudowaną automatykę zapłonową. Po załączeniu z
pulpitu sterującego układu zamykają się styczniki S1 i S2 oraz uruchamia się
wysokonapięciowy układ zapłonowy UZ podający impuls WN o częstotliwości kilku
kHz pomiędzy elektrodę zapłonową (anodę pomocniczą) a katodę. Wewnątrz
wydrążonej katody następuje zapłon łuku pomocniczego o prądzie ograniczonym
opornikiem R do kilkudziesięciu amperów, jonizując podawany przez katodę argon.
Plazma łukowa, przyspieszając wskutek intensywnego nagrzewania w kierunku wylotu
z katody, jest wystrzeliwana do anody zewnętrznej tworząc galwaniczne połączenie
pomiędzy katodą a anodą - tyglem i inicjuje zapłon łuku zewnętrznego. Pojawienie się
prądu w obwodzie łuku zewnętrznego powoduje otwarcie stycznika S2 i zgaszenie łuku
pomocniczego. W przypadku zaniku prądu w obwodzie łuku zewnętrznego w sposób
automatyczny następuje uruchomienie procedury odwrotnej polegającej na zamknięciu
stycznika S2 i ponownym załączeniu procedury zapłonu.
Do pomiaru temperatury ciekłego metalu poprzez wziernik zastosowano
pirometr dwubarwowy firmy Raytek o zakresie pomiarowym 700 do 1800oC o
dokładności wskazań ± 10oC.
W celu umożliwienia analizy składu fazy gazowej pieca stanowisko jest
wyposażone w uruchamiane alternatywnie dwa układy analizujące:
• w ogniwo stężeniowe gazowe do pomiaru ciśnienia cząstkowego tlenu,
• w mikroprocesory system monitorująco-rejestrujący MSMR-1 wyposażony w
czujniki do pomiaru:
• tlenu w zakresie w zakresie 0-25% ( elektrochemiczny),
• tlenku węgla w zakresie 0-4% ( elektrochemiczny),
493
• dwutlenku węgla w zakresie 0-50% ( infra red ).
Instalacja próżniowa pozwala na wytworzenie w komorze próżni rzędu 133 Pa. Argon
z butli poprzez oczyszczalnik UNIGAZ typu UG 104 i urządzenia pomiarowe
podawany jest do plazmotronu.
3.
WYNIKI BADAŃ TESTUJĄCYCH STANOWISKO
W czasie uruchamiania stanowiska przeznaczonego docelowo do topienia
tytanu i jego stopów wykonano około 10 wytopów próbnych topiąc miedź gat. ME-1 i
nikiel elektrolityczny w tyglu grafitowym.
Zarejestrowano następujące parametry pracy stanowiska:
• natężenie prądu łuku
- 428 do 469A,
• napięcie na łuku
- 15,5 d0 31,2V
• moc łuku
- 7,1 do 14,54kW,
• wydatek argonu
- 1267 do 2961 l/h,
• długość łuku
- 8,0 d0 13 cm,
• gaz roboczy
- oczyszczony Ar,
• temperatura metalu w tyglu
- do 1500oC.
W czasie badań testujących stanowisko sumaryczny czas pracy plazmotronu wyniósł
około 5 godzin. Po tym okresie pracy nie stwierdzono widocznego zużycia katody
drążonej z wolframu torowanego. Nie wystąpiły też żadne problemy techniczne z
zapłonem łuku zewnętrznego nawet przy odległości kilkunastu centymetrów pomiędzy
katodą drążoną a wsadem metalowym. W tabeli 2 podano przykładowe zestawienie
parametrów pracy plazmotronu w komorze próżniowej.
Tabela 2. Parametry pracy plazmotronu w wybranych wytopach testujących
Table 2 . Parameters of plasma brener during selected testing melts
Nr
Wytopu
1
1
2
2
Ciśnienie
przed
komorą
hPa
2213
2213
2018
1813
Ciśnienie
w
komorze
Tr
128
128
62
80
Spadek
ciśnienia
Wydatek
argonu
hPa
2046
2046
1937
1709
l/h
2842
2842
1383
1948
Natężenie
prądu
łuku
A
458
452
465
463
Napięcie
na łuku
Moc
łuku
Długość
łuku
Czas
pracy
V
31,2
29,2
22,4
19,4
kW
14,29
13,2
10,42
8,98
m
0,12
0,12
0,08
0,08
min
25
35
26
29
Topiony
materiał
Nikiel
Nikiel
Miedź
Miedź
Na podstawie obserwacji zjawisk zachodzących w komorze w warunkach
obniżonego ciśnienia stwierdzono tendencję do utraty stabilności wyładowania
łukowego przy ciśnieniu w komorze poniżej 2,7 kPa (20 Tr). Łuk w tych warunkach
przyjmował postać dyfuzyjną i pojawiały się liczne plamki katodowe na całej
powierzchni zewnętrznej plazmotronu, które były źródłem chaotyczne
ukierunkowanych strumieni plazmy. Wraz ze wzrostem ciśnienia w komorze roboczej
stanowiska obserwowano wzrost stabilności łuku.
494
W celu wyeliminowania dużych strat cieplnych wskutek promieniowania
zastosowano ceramiczną osłonę termiczną wokół stolika roboczego, na którym
umieszczano tygiel z topionym metalem.
W chwili obecnej prowadzone są prace mające na celu umożliwienie
wykorzystania pełnej mocy roboczej zasilacza poprzez włączenie w obwód regulatora
rezystancyjnego prądu stałego oraz prace związane z konstrukcją i wykonaniem tygla
do topienia „garnisażowego”.
4.
WNIOSKI
Przeprowadzone próby rozruchowe stanowiska do topienia tytanu i jego
stopów poprzez wykonanie wytopów próbnych miedzi i niklu wykazały:
• pełną przydatność skonstruowanego w ramach projektu plazmotronu łukowego
specjalnej konstrukcji (z drążoną katodą z wolframu torowanego)
• możliwość uzyskania temperatury topionego metalu rzędu 1550oC przy niepełnym
wykorzystaniu mocy zasilacza,
• prawidłową pracę układu próżniowego,
• poprawną pracę układu zasilania i sterowania pracą plazmotronu.
LITERATURA
[1] M. Szweycer, A. Modrzyński: W. Łybacki, J.Jackowski. Fizyczne i chemiczne
warunki topienia tytanu i jego stopów. Mat. Sympozjum „Przetwórstwo tytanu i
jego stopów ”, Wyd. PP, Poznań 1991,s.13-20
[2] M. Szweycer, W. Łybacki, A. Modrzyński: Dobór metod oznaczania
zanieczyszczeń gazowych w tytanie i jego stopach. Mat. II sympozjum „Tytan i jego
stopy. Przetwórstwo i zastosowanie”. Wyd. Instytutu Odlewnictwa w Krakowie,
Kraków 1992, s. 3.1-3.7.
[3] M. Szweycer, W. Łybacki, A. Modrzyński: Ocena krajowych możliwości
konstrukcji i wykonania pieca do odlewania tytanu. Mat. Konferencji „Tytan i jego
stopy - Zastosowanie w technice”. Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochwa
1993 - zbiór referatów.
[4] K. Krone , Giesserei 65 (1978), Nr 20, s.540-549.
[5] K. Krone , Metall, 30Jg, H.6 , (1976), s.556-559.
[6] Modrzyński, R. Niewiedział: Wstępna ocena przydatności plazmotronu łukowego
prądu stałego do topienia tytanu i jego stopów. Mat. IV Ogólnopolskiego
sympozjum
„Tytan
i
jego
stopy”,
Rzeszów
/Łańcut
1995,
s. 5-12.
[7] R. Niewiedział: Plazmotrony łukowe z wydrążoną katodą Cz.I. Ogólna
charakterystyka. Przegląd Elektrotechniczny, Rok LXXII, 1996, nr1, s.7-10.
495
[8] Modrzyński, R. Namyślak, R. Niewiedział: Metalurgiczny plazmotron łukowy do
topienia metali i stopów reaktywnych. Z. Naukowe Pol. Opolskiej, nr 250/1999,
z.58, s.93-100
PROTOTYPE STAND FOR PLASMA MELTING OF METALS
SUMMARY
The characteristic elements of structure and the construction of prototype stand for
vacuum melting of metals with application of low temperature plasma have been
described in this paper. Parameters of testing melts of pure cooper and nickel have been
presented as well. This stand will be using by authors for skull melting titanium and
titanium alloys in a next stage.
Reviewed by prof. Przemysław Wasilewski