Воздействие на металл плазменной дугой

Плазму из-за особенностей протекания в ней физико-химических процессов относят к четвертому агрегатному состоянию вещества. В технике, в том числе и в металлургии, используют низкотемпературную плазму, получаемую за счет электрического разряда в газах, степень ионизации которой, как правило, составляет 1 - 2%. Частица в такой плазме обладает энергией в пределах 0,5 - 3 эВ. В связи с тем что 1эВ соответствует энергии теплового движения при температуре около 11600 К, область существования используемой в металлургии плазмы находится в интервале температур 5-103 - 50-103 К.

Плазменное состояние вещества характеризуется наличием заряженных частиц, которые в отличие от нейтральных молекул обычного газа взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях. Общий заряд плазмы равен нулю, т.е. плазма квазинейтральна.

Плазмообразующие газы могут состоять из чистых газов или их смесей, т.е. быть одно- и многокомпонентными. От состава плазмообразующего газа зависят конструкция и энергетические параметры плазматрона, тип и электрический режим источника питания, основные технологические и экономические показатели металлургического процесса.

В качестве плазмообразующей среды применяют аргон, гелий, азот и водород. Подбором состава компонентов можно создать любую среду:

- окислительную, например кислородсодержащие смеси при плазменной резке;

- восстановительную, например водородсодержащие смеси для рафинирования металлов.

При вторичных рафинирующих процессах направленное затвердевание обеспечивается применением водоохлаждаемого поддона и тепловой изоляцией боковых стенок кристаллизатора в сочетании с наличием теплового центра в головной части слитка.

Условия ведения переплавных процессов позволяют получить химически и физически однородные слитки с минимальным содержанием вредных примесей.

Взаимодействие жидкого металла с рафинирующей средой происходит на трех стадиях переплава:

1 - пленке жидкого металла на торце расходуемой заготовки (электрода);

2 - поверхности капли, перемещающейся от заготовки (электрода) к ванне жидкого металла;

3 - поверхности плоской металлической ванны.

Несмотря на то что рафинирующей средой при ПДП является плазменная дуга, при ЭЛП - электронный луч, при ВДП - вакуумная дуга, при ЭШП - шлак, существуют общие закономерности, характерные для переплавных процессов.

К общим закономерностям, протекающих в переплавных процессах относятся химические реакции, протекающие между металлом и рафинирующей средой, которые являются гетерогенными. Например, поглощение и выделение газовых примесей, рафинирование от неметаллических включений и примесей цветных металлов, взаимодействие расплавленного металла со шлаком и газами и т.п. - все это гетерогенные процессы.

Гетерогенные процессы характеризуются наличием многих стадий, основными из которых являются три: 1-я - перенос (диффузия) реагирующих веществ к поверхности раздела фаз - реакционной зоне, 2-я - собственно химическая реакция, 3-я - отвод продукта реакции из реакционной зоны.

Кроме того существенную роль в переплавных процессах играет процесс каплеобразования, который носит ярко выраженный периодический характер: после ухода предыдущей капли расплавленный металл остается в пленке большую часть периода каплеобразования, во время которого происходит его перегрев, необходимый для преодоления сил поверхностного натяжения. Металл стекает и накапливается на конце конуса электрода, а затем отделяется в виде капли.

Преимущественным протеканием процессов рафинирования на поверхности переплавляемой заготовки и в ванне жидкого металла объясняется возможность получения чистого металла при переплавпых процессах.