Механизм образования шлаковых и неметаллических включений при рафинировании железоуглеродистых расплавов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

III ТЕХНОЛОГІЇ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

УДК 669.046.564.001 Канд. техн. наук Б. Ф. Белов1, д-р техн. наук А. И. Троцан1, канд. техн. наук И. Л. Бродецкий1, канд. хим. наук Ф. С. Крейденко1, В. С. Кобец2

1 Институт проблем материаловедения НАН Украины, г. Киев

2 ООО Фирма «Ун и кон», г. Донецк

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ШЛАКОВЫХ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ ПРИ РАФИНИРОВАНИИ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ РАСПЛАВОВ

Выполнен анализ структурно-химического состояния промежуточных фаз на полигональных диаграммах Ре0-Ь'і02-Са0 и Са0-А1203-8Ю2. Исследован механизм образования ковшевых шлаков и неметаллических включений при рафинировании железоуглеродистых расплавов присадочными материалами. Предложена технологическая схема ЭРПС-процесса с использованием плавильного шлака и бесфтористых ТШС.

Ключевые слова: шлак, структура, фазы, полигональная диаграмма состояния, рафинирование, расплав.

При ковшевой обработке сталей железоуглеродистый расплав доводят до марочного состава посредством обработки присадочными материалами, в том числе шлаковыми смесями, которые в процессах рафинирования образуют шлаковые и неметаллические включения в жидком металле. При этом существующие рафинировочные шлаки обладают невысокой адсорбционной емкостью по вредным примесям, что указывает на целесообразность совершенствования эффективности рафинирования [1, 2].

Процессы образования шлаков и неметаллических включений при рафинировании железоуглеродистых расплавов подчиняются правилу «С-тетраэдра», определяющему функциональную зависимость структурнохимических параметров жидких и твердых металлургических фаз: с о став ^ структура сво йств а с инте з. Правило «С-тетраэдра» сформулировано на основе феноменологической теории строения жидких и твердых металлургических фаз по модели гармонических структур вещества (теория МГС-фаз) [3].

Теория МГС-фаз основывается на комплексе методов физико-химических исследований, включающем: системный анализ (СХС-анализ) структурно-хи-мическош состояния жидких и твердых металла и шлака с помощью полигональных диаграмм состояния (ДДС), построенных новым графоаналитическим методом (ДЦС-метод); наноструктурный анализ ион-но-молекулярных комплексов (СИМ-комплексов), энергетические и геометрические параметры которых рассчитываются на основе радиально-орбитальной модели электронного строения атомов (РОМ-атом); стохастический анализ (СТС-анализ) механизмов шла-

кообразования и рафинирования при обработке железоуглеродистых расплавов присадочными материалами с помощью балансовых уравнений структурно-хи-мических реакций.

Ниже приведен СХС-анализ полигональных диаграмм РеО-8Ю2-СаО и Са0-А1203-8Ю2, позволяющий определить стехиометрический, химический и фазовый составы, температуры образования и плавления, области гомогенности твердых и жидких растворов и химических реакций образования плавильных и ковшевых шлаков.

Анализ структурно-химического состояния системы ГеО-8Ю2-СаО

На рис. 1 представлена ЦДС системы РеО-8Ю2-СаО, в таблице 1 приведена классификация промежуточных фаз переменного состава пРеОт8Ю2кСаО, на основе которой выполнен СХС-анализ тройной системы. В вершинах треугольника - исходные компоненты РеО (вюстит), ЗЮ2 (кремнезем), СаО (известь), на ребрах треугольника - бинарные системы: РеО-8Ю2, РеО-СаО, ЗЮ2-СаО. Двойные и тройные фазы условно обозначены трехзначными числами: первые цифры отвечают стехиометрическим коэффициентам для вюстита, вторые - кремнезема, третьи - извести.

Фигуративные точки бинарных систем отвечают ряду промежуточных фаз:

ПДС ГеО-8КХ: РеО(100)->6Ре08Ю2 (610)-» ->4Ре08Ю2 (410)—» ЗРе08Ю2 (310, Э)-> 2Ре08Ю2 (210, ППФ) -> ЗРе028Ю2 (320, Э) -> РеОЭЮ^ПО) -> ->Ре028Ю2 (120) -> Ре038Ю2 (130, М2) -> Ре048Ю2 (140)—> Ре063Ю2 (160, М)-> Ре0248Ю2 (1.24, М,)-> ->8Ю? (010).

© Б. Ф. Белов, А. И. Троцан, И. Л. Бродецкий, Ф. С. Крейденко, В. С. Кобец, 2012

і ш 2-й- МЇ 4І' ЗД- -Ш ?й -ш. Л

мм:с',%

Рис. 1. Полигональная диаграмма системы РеО-8Ю2-СаО

ПДС 8і(Х-СаО: 8Ю2(010) -> 248Ю2СаО (0.24.1, М,) -> 68Ю2СаО (061, М) -> ЗЗЮ2СаО (031, М2) -> ->28Ю2СаО (021) -> 38Ю22СаО (032, Э) -> 8Ю2СаО (011) ^ 28Ю2ЗСаО (023, Э) -> 8Ю22СаО (012, ППФ)-> -> 8Ю2ЗСаО (013) -> 8Ю24СаО (014) ->• 8Ю26СаО (016) —> СаО (001).

ПДС ГеО-СаО: Ре0(100) ->• ЕеОСаО (101, ППФ)-> -►СаО(ООІ),

ще ППФ - первичная промежуточная фаза, Э-эв-тектика, М, Мр М2 - монотектические точки купола несмешиваемости.

Триангуляция тройной диаграммы выделяет четыре области существования окислительных силикатных шлаков: шлаки на основе первичных промежуточных фаз бинарных систем - область ППФ, ограниченная внутренним треугольником 012-101-210; шлаки на основе вюстита - область 101-Ее0-210; шлаки на основе кремнезема - область 210-8і02-012 и шлаки на основе извести - область 012-Са0-101.

Шлаки в области ППФ включают первичную тройную триангуляционную фазу 2Ее08і022Са0(212), разделяющую первичные шлаки на три подсистемы на базе первичных бинарных фаз: примыкающих к 8і022Са0 на плоскости четырехугольника 012-214-212-111; РеОСаО на плоскости 101-412-212-214 и 2РеО 8Ю2 на плоскости 210-111-212-412. Область ППФ содержит 13 тройных фаз: 212-436-112-111-211-634(Э8) -312 (Э7) -412-124-313-214-213(Эб) -323 (Э9),

из которых пограничными фазами являются 412 (ТеО -область), 214 (СаО-область) и 11 1 (8і02-область). Область «ЕеО»-зона «В» содержит две фазы: 612, 10.3.2 (Э^ и 412; область «СаО» - зона «С» - две фазы: 2.1.6 и 2.1.4; область «8Ю2» - зона «К» - одиннадцать фаз: 1.12.1-1.6.1-1.4.1-1.2.1-2.3.1-2.2.1-4.3.1(Э2)-1.2.2-1.3.2-1.4.3 (Э3)-1.3.4 (Э4).

Всего в системе Ее0-8і02-Са0 образуются 27 тройных фаз, тогда как на классической диаграмме - три: Ее028і022Са0 (122) - железистый окерманит; Ее08і02Са0 (111) -железистый монтичеллит (кирш-тейнит) и Ее028і02Са0 (121) - геденбергит [4]. Кроме того, приведенный химический состав тройных фаз на классической диаграмме, стехиометрический состав которых (по нашим определениям) отвечает фор-мулам: Ее08Ю22Са0 (112), 12Ее038і022Са0 (Э112.3.2), ЗЕе028і02Са0(3.2.1) и2Ее028і02Са0 (221).

При заданной окисленности плавильных шлаков, содержащих до 30,0 % РеО, на тройной диаграмме ЕеО-8іОг-СаО они располагаются в квазибинарной системе Са0-Ее038і02 на базе волластонита Ее028Ю22Са0 (23,7/39,5/36,7; В0 = 0,93), ранкинита -Ее038Ю24Са0 (15,1/37,8/47,1; В0 = 1,24) белита -Ре028Ю24Са0 (17,3/28,8/53,8; В0 = 1,87) и алита -2Ее08Ю24Са0 (33,7/14,0/52,3; В°=3,73). Максимальной жидко подвижностью обладают шлаки эвтектического состава на базе ранкинита, для высокой основности оптимальный состав шлаков отвечает Ее028і024Са0 на базе белита.

Таблица 1 - Классификация системы ЕеО-8Ю2-СаО

Химические формулы Усл. обози. Химсостав, масс. % В (СаО/БіОг) М (Са0/8Ю2+А1203)

РеО ао. СаО

2Ре08Ю22Са0 2.1.2 45,6 19,0 35,4 1,87 4,27

4Ре08Ю22Са0 4.1.2 62,6 13,1 24,3 1,87 6,63

ЗРе08Ю22Са0 3.1.2 (Э7) 55,7 15,5 29,9 1,87 0,41

2Ре08Ю2Са0 2.1.1 55,4 23,1 21,5 0,93 3,33

Ре08і02Са0 1.1.1 38,3 31,9 29,8 0,93 2,13

Ре028Ю24Са0 1.2.4 17,3 28,8 53,8 1,87 2,47

2Ре08Ю24Са0 2.1.4 33,7 14,0 52,3 3,73 6,13

2Ре08Ю2ЗСа0 2.1,3(Э6) 38,7 16,1 45,2 2,80 5,20

6Ре038Ю24Са0 6.3.4(Э8) 51,7 21,5 26,2 1,24 3,64

Ре08Ю22Са0 1.1.2 29,5 24,6 45,9 1,87 3,07

4Ре038Ю26Са0 4.3.6(Э5) 35,8 22,4 41,8 1,87 3,47

ЗРе028і02ЗСа0 3.2.3(Э9) 42,9 23,8 33,3 1,4 3,2

ЗРе08і02ЗСа0 3.1.3 48,6 13,6 37,8 2,8 6,4

6Ре08і022Са0 6.1.2 71,5 10,0 18,5 1,87 9,0

10РеО38іО22СаО 10.3.2(30 71,1 17,8 11,1 0,62 4,6

2Ре08і026Са0 2.1.6 26,7 11,1 62,2 5,6 8,0

4Ре038і02Са0 4.3.1(32) 55,0 34,4 10,6 0,31 1,91

2Ре028і02Са0 2.2.1 45,0 37,5 17,5 0,47 1,67

2Ре038іО2СаО 2.3.1 38,0 47,3 14,7 0,31 1,91

Ре038і022Са0 1.3.2 19,8 49,4 30,8 0,62 1,02

Ре028і02Са0 1.2.1 29,0 48,4 22,6 0,47 1,07

Ре048і02ЗСа0 1.4.3 (Эз) 15,3 51,0 35,7 0,70 1,0

Ре048і02Са0 1.4.1 (М2) 19,6 65,2 15,2 0,23 0,53

Ре068і02Са0 1.6.1 14,8 73,8 11,4 0,16 0,36

Ре0128і02Са0 1.12.1 (М) 8,5 84,9 6,6 0,08 0,18

Ре028і022Са0 1.2.2 23,7 39,5 36,7 0,93 1,53

Ре038і024Са0 1.3.4 (Э4) 15,1 37,8 47,1 1,24 1,64

Анализ структурно-химического состояния системы Са0-А120з-8і02

Системным определителем структур но-химическо-го состояния шлаковых и неметаллических включений при ковшевой обработке является диаграмма состояния тройной системы Са0-А1203-8і02. На рис. 2 представлена ЦЦС Са0-А1203-8Ю2, построенная новым графоаналитическим методом на базе бинарных систем СаО-А1203, Са0-8і02,А1203-8Ю2.

Линии, соединяющие бинарные ППФ, образуют внутренний треугольник 210-011-201, разделяющий общее концентрационное поле на три зоны у каждой вершины треугольника. Зона первичных алюмосиликатов кальция включает 15 промежуточных фаз 211 —>221 ->212—>411 ->632->433->623432(Э2)->412-> -^613(Э4)^311(Э5)^111->122-> 423 (З,)-» 421(3,).

Зона глинозема включает три фазы: 261 —>231 —> 121, зона извести - три фазы: 1211—>811 —>611, зона кремнезема- 12 фаз: 2.1.72 (Ц) -^2.1.18 (М)->2.1,9(М2)-> —>2.1.6—> 2.1.4—> 1.1.2—>4.1.5(Э7)—>5.1.4(Э8)—>3.1.3. Здесь трехзначные числа условно обозначают стехиометрический состав тройных фаз: первая цифра - СаО, вторая - А1203, третья - 8Ю2; Э - эвтектики, М - моно-тектики. ЦЦС тройной системы Са0-А1203-8і02 включает квазибинарную линейную систему ЗСа02А1203-ЗСа028Ю2, которая состоит из трех эвтектических фаз: высоко глиноземистая (Э,) - 4Са02А12038і02 (45,9/ 41,8/12,3; В0 = 4,6), среднеглиноземистая (Э5) -ЗСа0А12038Ю2 (50,9/30,9/18,2; В0 = 2,8) и низкоглиноземистая (Э4) - 6Са0А120338 і02 (54,4/16,5/29,1; В°= 1,87). Оптимальный состав ковшевых рафинировочных шлаков, содержащих до 20,0 % глинозема,

«й:,%

Рис. 2. Полигональная диаграмма состояния системы Са0-А1203-8Ю2

отвечает составу низкоглиноземистой эвтектики.

В таблице 2 представлены промежуточные фазы тройной системы стехиометрический и химический состав, основность, модуль шлака, температуры образования и плавления).

Технологическая модель рафинирования стали

Механизм рафинирования при ковшевой обработке стали и включает последовательный ряд структур-но-химических реакций активирования и формирования попутного плавильного и ковшевого шлаков, раскисления, десульфурации и легирования жидкого металла. В качестве плавильного шлака, как уже отмечалось, служит стехиометрическая фаза Ре028Ю24Са0 на ЦЦС РеО-ЗЮ2-СаО, для ковшевых рафинировочных шлаков - бСа0А120338Ю2 на ЦЦС СаО- А1203-8Ю2. К присадочным материалам относятся ТШС (известь), углеродистые материалы (УГМ), ферросилиций ФС65 (Те814), ферромарганец ФМн70 (ТеС2Мп4) и ферроалюминий ФАЗО (ТеА1). Последовательный ряд структурно-химических реакций рафинирования включает:

4(Т’е0281024Са0)гшш+302Т+16С(УГМ)^

^4РеМе+16СОТ+4(Са2+)АКШ+3(8810210Са02Са+)АКШ;(1)

20(ТеС2Мп4)Ме^20ЕеМе+40СМе+80МпМе’

(2)

15(Ее814)Ме+ 15[0]Ме —» 15РеМе+5381Ме +

+7(8102)акш; (3)

20(РеА1)Ме+ 15[0]Ме->20РеМе+ ЮА1Ме +

+5(А1203)акш; (4)

(8810210Са02Са+)дКШ+7(8102)дКщ+5(А1203)дКщ+ + 14Са0ТЦ1С^(158Ю25А120324Са02Са+)АКШ; (5)

4(Са2+)АКШ+(158Ю25А120324Са02Са+)АКШ +6[8]Ме^ ^(158Ю25А120324Са06Са8)АКШ; (6)

Х:4(Ре028Ю24Са0)ппш+14СаОШ1С+16С(УГМ)+302Т+ 20(РеС2Мп4)Ме+15(Ре814)Ме++20(РеА1)Ме+29[0]Ме+

б[8]ме^59р еМе+40СМе+80МпМе+53 31Ме+10 А1Ме+

+16СС)Т+ +(158Ю25А120324Са06Са8)АКШ, (7)

ще ППШ - попутный плавильный шлак, АКШ - активированный ковшевой шлак; РеС2Мп4 РеБц РеА1 -стехиометрические составы ферросплавов; химические реакции: 1 - активирование ППШ + УГМ; 2 - легирование металла ФМн70; 3 - раскисление металла ФС65; 4 - раскисление металла ФАЗО; 5 - присадка ТШС+АКШ; 6 - десульфурация металла АКШ; 7 -реакция материального баланса.

Реакция материального баланса (7) описывает технологическую модель энершресурсоприродосберега-ющеш процесса (ЭРПС-процесса) рафинирования ста-

Таблица 2 - Тройные фазы системы Са0-А1203-8Ю2

Стехиометрический состав Химический состав, масс.% Условные обозначения В М Температура, °С

СаО А1203 8і02 Образо- вания Плавления

2Са0А12038Ю2 40,9 37,2 21,9 2.1.1 (Г Н) 0,87 0,69 900 1600

2Са02А12038і02 29,8 54,2 16,0 2.2.1 1,87 0,42 1100 1500

2 Са0А1203 2 8Ю2 33,5 30,5 36,0 2.1.2 0,93 0,50 1000 1500

4Са0А12038Ю2 58,0 26,4 15,6 4.1.1 3,73 1,38 1200 1500

6Са03А120328Ю2 44,1 40,2 15,7 6.3.2 2,8 0,79 1200 -

4Са03А120338і02 31,5 43,1 25,4 4.3.3 1,24 0,46 1300 1300

6Са02А120338і02 46,7 28,3 25,0 6.2.3 1,87 0,88 1250 1250

4Са03А120328Ю2 34,5 47,1 18,4 4.3.2(32) 1,87 0,53 1300 1300

4Са0А120328Ю2 50,2 22,9 26,9 4.1.2 1,87 1,00 1050 1350

6Са0А120338Ю2 54,4 16,5 29,1 6.1.3(Э4) 1,87 1,20 1200 -

ЗСа0А12038Ю2 50,9 30,9 18,2 3.1.1 (Э5) 2,8 1,04 1300 1300

Са0А12038Ю2 25,7 46,8 27,5 1.1.1 0,93 0,35 1100 1500

Са02А120328Ю2 14,7 53,7 31,6 1.2.2 0,47 0,17 1400 -

4Са02А120338Ю2 36,8 34,6 29,6 4.2.3(Э3) 1,24 0,58 1400 1400

4Са02А12038Ю2 45,9 41,8 12,3 4.2.1(30 4,67 0,60 1500 1500

2Са06А12038Ю2 14,3 78,1 7,6 2.6.1 1,87 0,17 1500 1800

2Са03А12038і02 23,4 64,0 12,6 2.3.1 1,87 0,30 1400 -

Са02А12038Ю2 17,5 63,8 18,7 1.2.1 (Г Л) 0,93 0,21 н.д. 1550

2Са0А1203728і02 2,5 2,2 95,3 2.1.72СМ0 0,03 0,02 1700 1700

2Са0А12031 В8І02 8,7 7,9 83,4 2.1.18(М/Ми) 0,10 0,09 1600 1700

2Са0А120398і02 14,9 13,5 71,6 2.1.9 (М2) 0,21 0,17 1700 1700

2Са0А120368і02 19,5 17,8 62,7 2.1.6 0,31 0,24 1475 1475

2Са0А120348і02 24,7 22,5 52,8 2.1.4 0,47 0,33 1300 -

Са0А120328і02 20,1 36,7 43,2 1.1.2 (АН) 0,47 0,25 н.д. 1265

4Са0А120358і02 35,8 16,3 47,9 4.1.5 (Э7) 0,75 0,55 1300 1300

5Са0А120348і02 45,0 16,4 38,6 5.1.4 (Эа) 1,17 0,82 1350 1350

ЗСа0А120338і02 37,3 22,7 40,0 3.1.3 0,93 0,60 н.д. 1000

12Са0А12038і02 84,7 9,6 5,7 12.1.1 14,9 5,5 1700 -

8Са0А12038і02 73,5 16,7 9,8 8.1.1 7,5 2,8 1900 1900

6Са0А12038і02 67,5 20,5 12,0 6.1.1 5,6 2Д 1400 -

Примечания: ГН—геленит; Э —эвтектики; ГЛ — глинозит; М — монотектики; АН — анортит.

ли, регламентирующую расходные коэффициенты присадочных материалов, состав и количество шлаковых и неметаллических фаз, а также химический состав металлического расплава.

Присадочные материалы для ковшевой обработки стали в количестве 2,64 кг/т шлакообразующих (1,66 кг/т ППШ + 0,78 кг/т ТШС (СаО) + 0,19 кг/тУГМ (С) и 10,2 кг/т ферросплавов (6 кг/т ФМн70+2,5 кг/т ФС65 + 1,66 кг/т ФАЗО) формируют рафинировочный шлак в количестве 3,2 кг/т, содержащий (масс. %) 28,2 ЗЮ2 + 16,0 А1203 +42,2 СаО + 13,6 Са8 с основностью В0 = 1,5 и адсорбционной емкостью (масс. %) 6,0 А,. + + 13,2 8Ю2 + 16,0 А1203 + 24,6 СаО + 13,6Са8. Металлический расплав, без учета химического состава полупродукта, содержит (масс.%): 0,05 С+ 0,15 8І + 0,44 Мп + +0,03 А1, масса которого увеличивается на 3,3 кг/т Ре, уменьшается на 0,46 кг/т [0]Ме (0,046 %) и 0,192 кг/т [8]Ме (0,019 %). Присадка ферросплавов (ФС65, ФАЗО) формирует в количестве 0,93 кг/т заданный тип силлиманит-кварцитовых неметаллических включений стехиометрического состава 78і025А1203, которые

адсорбируются активированным шлаком с образованием покровного шлака в ковше.

Выводы

На основе теории МГС-фаз сформулировано правило «С-тетраэдра», регламентирующая функциональную зависимость структурно-химических параметров состав структура свойства —» синтез жидких и твердых металлургических фаз. Выполнен анализ структурно-химического состояния промежуточных фаз на полигональных диаграммах состояния тройных систем ¥еО-8Ю2-СаО и Са0-А1203-8Ю2, являющихся системным определителем плавильных и ковшевых шлаков, соответственно. Исследован механизм образования ковшевых шлаков и неметаллических включений при рафинировании железоуглеродистых расплавов присадочными материалами и разработана технологическая модель ЭРПС-процесса с использованием попутного плавильного шлака и без-фтористых ТШС.

Список литературы

1. Процессы шлакообразования и рафинирования жидкого полуиродуктодукта в конвертере и при ковшевой обработке стали / [Буга И. Д., Белов Б. Ф., Троцан А. И. и др.] // Процессы литья. - 2011. - №1. - С. 17-24.

2. Повышение эффективности рафинирования с использованием конвертерного шлака при ковшевой обработке стали / [Исаев О. Б., Кислица В. В., Троцан А. И. и др.] // Электрометаллургия. - 2011. - № 2. - С. 16-20.

3. Белов Б. Ф. Структуризация металлургических фаз в жидком и твердом состояниях / Б. Ф. Белов, А. И. Троцан, П. С. Харлашин // Изв. ВУЗов. ЧМ. - 2002. - № 4. -С. 70-75.

4. Торопов Н. А. Высокотемпературная химия силикатных и других окисных систем / Н. А.Торопов, Н. А. Борзаковский В. П. - М. : Изд-во АН СССР. - 1963. - 255 с.

Одержано 29.02.2012

Бєлов Б.Ф., Троцан А.І., БродецькийІ.Л., Крейденко Ф.С., Кобець B.C. Механізм утворення шлакових і неметалічних включень при рафінуванні залізовуглецевих розплавів

Виконано аналіз структурно-хімічного стану проміжних фаз на полігональних діаграмах FeO-SiO,-СаО і СаО-Аїр,- Si02. Досліджено механізм утворення ківшових шлаків і неметалічних включень при рафінуванні залізовуглецевих розплавів присаджувальними матеріалами Запропонована технологічна схема ЕРПС-процесу з використанням плавильного шлаку та безфтористих ТШС.

Ключові слова: шлак, структура, фази, полігональна діаграма стану, рафінування, розплав.

Belov В., Trotsan A., Brodetskiy., Kreydenko F., Kobets V. The mechanism of slag shots and nonmetallic inclusions formation under iron-carbon melts refining

The analysis of structural-chemical condition of intermediate phases on polygonal diagrams of state Fe0-Si02-CaO and Ca0-Al203-Si02 was done. The mechanism of ladle slag and nonmetallic inclusions formation under refining iron-carbon melts by filler materials is investigated. The technological scheme energy-resource-nature saving process with use of the melting slag and without the fluoric solid slag alloys is offered.

Key words: slag, structure, phases, polygonal diagram of state, refining, melt.

UDC 537.525.5 A. A. Lisenkov1, V. P. Valuev2, E. L. Sanchugov3

11nstitute of problems of mechanical engineering of Russian Academy of ScienceRussian Federation, Saint-Petersburg

2 Saint-Petersburg State Institute of Machine-Building (LMZ-VTUZ), Russian Federation, Saint-Petersburg

3 German Society for Material Science, FUN Leibniz University of Hanover, Germany, Hanover

RESEARCH OF THE VACUUM ARC DISCHARGE ON INTEGRALLY COLD CATHODE DURING COATING PROCESSES

The vacuum arc plasma source of extended design generating the directed belt plasma stream and operating in pulse mode was presented. The researches carried out gave additional information about development of the cathode spots of the vacuum arc discharge. It is found that the cathode spots ’motion speed depends on the cathode temperature.

Key words: plasma, vacuum-arc discharge, cathode spot, coating.

The vacuum arc discharge is a self-maintained discharge developing in the cathode material vapor. The emission center of the discharge is a cathode spot with small dimensions of 10“6... 10“3 m. For veiy short period of time, the temperature in the cathode spot exceeds the temperature of boiling, what results in the intensive evaporation of the cathode material [1-3].

The cathode spot includes an emitting zone and an adjacent collisionless layer of the spatial charge, where the cathode drop is localized and the eneigy is transmitted

to the ions. Amount of this eneigy is enough to heat the cathode to the temperature ensuring eneigy distribution of the free electrons in the cathode body and reproduction of required amount of the evaporable material.

Discharge combustion is impossible when the temperature in the cathode spot is below certain critical temperature, which is specified by thermophysical properties of the cathode material and electrical parameters of the circuitry: U , > U , I , > I , where

J power supply car power supply mur

U , - supply voltage; U - cathode drop; I , -

power supply 1 L j o ? cat 1 7 power supply

© A. A. Lisenkov, V. P. Valuev, E. L. Sanchugov, 2012 66