66/44 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 PROTOTYPOWE STANOWISKO DO PLAZMOWEGO TOPIENIA METALI STRESZCZENIE A. MODRZYŃSKI 1, K. GRZEŚKOWIAK 2 Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej R. NAMYŚLAK 3, R. NIEWIEDZIAŁ 4 Instytut Elektroenergetyki Politechniki Poznańskiej 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 2 Mgr inż. 3 Dr inż. 4 Dr inż.
490 piec powinien pozwalać na uzyskanie przegrzania metalu do temperatury 1800 o C 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 Typ Pieca Łukowy z topliwą Elektrodą Pojemność Pieca Możliwość topienia dowolnego wsadu Możliwość uzyskania wysokiej próżni dowolna nie tak (0,1-10 Pa ) Indukcyjny dowolna tak tak ( ok. 1 Pa ) Elektronowiązkowy mała ograniczon tak a (0,01-10 Pa ) Możliwość stosowania atmosfery regulowanej Moc zainstalowana, kw/kg stopu tak 100-180 tak 22-25 tak ok.80 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 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, Rys. 1. Schemat prototypowego stanowiska do plazmowego topienia metali Fig. 1. Scheme of prototype stand for plasma melting of metals 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 1800 o C o dokładności wskazań ± 10 o C. 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 1500 o C. 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 Ciśnienie przed komorą Ciśnienie w komorze Spadek ciśnienia Wydatek argonu Natężenie prądu łuku Napięcie na łuku Moc łuku Długość łuku Czas pracy Topiony materiał hpa Tr hpa l/h A V kw m min 1 2213 128 2046 2842 458 31,2 14,29 0,12 25 Nikiel 1 2213 128 2046 2842 452 29,2 13,2 0,12 35 Nikiel 2 2018 62 1937 1383 465 22,4 10,42 0,08 26 Miedź 2 1813 80 1709 1948 463 19,4 8,98 0,08 29 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 1550 o C 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 SUMMARY PROTOTYPE STAND FOR PLASMA MELTING OF METALS 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