Лекция №12. Комбинированные электрические схемы плазматронов

План лекции:

1. Схемы однофазных плазматронов

2. Схемы трехфазных плазматронов

3. Эффективность электрических схем

Существует несколько принципиально возможных электрических схем, применимых в плазменной метал­лургии. Кроме схемы с независимой дугой, приведенной на рис. 25, которую можно заменить схемой, представ­ленной на рис. 34, в плазменной металлургии обычно используют комбинированную схему, предусматриваю­щую работу с независимой и зависимой дугой. Эта схема показана на рис. 35. При работе плазматрона с за­висимой дугой эта дуга используется в большинстве слу­чаев только при старте, т. е. для ионизации пространст­ва между катодом и расплавляемым материалом. Пос­ле замыкания электрической цепи между катодом и расплавляемым материалом источник, питающий неза­висимую дугу, обычно отключают.

1 - катод: 2 - сопло; 3 - анод (расплав)	1 - катод; 2 - сопло; 3 - анод (расплав)
Рисунок 32. Электрическая схема плаз- матрона при работе с зависимой дугой и соответствующая эквивалентная схема	Рисунок 33. Принципиальная электрическая схема плазматрона со вспомогательной независимой дугой и рабочей зависимой дугой и эквивалентная схема

На практике используют только один источник постоянного тока, подсоеди­ненный к катоду, а нагреваемый металл, имеющий по­ложительный заряд, может быть подсоединен к соплу плазматрона. В ответвление к соплу обычно включают сопротивление для снижения силы тока во вспомога­тельной дуге. Другая электрическая схема, предусмат­ривающая использование вспомогательной дуги не только для старта плазматрона и «зажигания» рабочей дуги, но и для регулирования общей мощности плазматрона, приведена на рисунке 34.

1 - катод; 2 - сопло; 3 - анод (расплав) Рисунок 34. Принципиальная электрическая схема плазматрона с управляющей и накладывающейся дугой, горящей между соплом и расплавляемым металлом, и эквивалентная схема:

Она обеспечивает работу плазматрона с минимальной нагрузкой на катод, к которому подводится мощность, необходимая только для ионизации пространства между соплом плазматрона и расплавляемым материалом. Сравнительно низкая то­ковая нагрузка на катод, которая у плазматрона со­ставляет всего несколько киловатт, обеспечивает возможность при специальной конструкции разрядного пространства и канала сопла использовать при переплаве тугоплавких металлов катод из того же материала, что и переплавляемый материал. Благодаря этому достигается минимальное загрязнение переплавляемого металла при переходе материала катода в расплав. Этот принцип можно использовать для зонного рафинирования металлов высокой чистоты.

Схемы, предусматривающие применение более дешевых источников переменного тока, были разработаны Д. Тредупом. На рисунке 37 приведены электрические, а также резервные схемы, предусматривающие возможность использования постоянного и переменного тока.

1- катод: 2 - сопло; 3 - анод (расплав)

Рисунок 35. Принципиальные электри­ческие схемы и эквивалентные схе­мы однофазных плазматронов с ис­пользованием постоянного и пере­менного тока

1- катод; 2- сопло; 3 - анод (рлеплав); 4 - трансформатор вы­сокого напряжения

Рисунок 36. Электрическая схема одно­фазного плазматрона переменного тока

1 - катод: 2 - сопло

Рисунок 37. Принципиальная электри­ческая схема трехфазного плазма- трона с соплом, образованным тре­мя сегментами (плазматрон рабо­тает с независимой дугой)

Главной причиной изучения этих схем было стремление попользо­вать более дешевые и более эффективные ис­точники по сравнению с выпрямителями. Однако ли­тературных данных о действительном использовании этих схем в промышленных условиях очень мало. Это объясняется большим количеством технических проблем, требующих решения, которые связаны с необходимостью обеспечения эксплуатационной надежности и эффектив­ности плазматронов в промышленных условиях. Основ­ной идеей схем, приведенных на рис. 35, являются полу­чение вспомогательного дугового разряда малой мощ­ности и последующий нагрев ионизированного простран­ства за счет теплопроводности с помощью переменного тока. В случае электрических схем, показанных на рис. 35, а и в, переменный ток подводится к катоду и аноду (расплаву), тогда как согласно схемам на рис. 35, б и г переменный ток подводится к соплу и расплавляемому металлу. При варианте схемы, приведенном на рис. 35, б, плазматрон может быть снабжен «сервосоплом», кото­рое по отношению к главному соплу электрически иони­зировано и действует как гальванический делитель для цепей постоянного и переменного тока, благодаря чему отпадает необходимость в применении каких-либо дру­гих делителей в электрической цепи.

Факторы, касающиеся конструкции и рабочей мощ­ности однофазного плазматрона, которые оказывают влияние на его работу, были установлены И. Гарри. В его докладе описывается работа плазматрона при использовании схемы, приведенной на рис. 36. Что­бы с помощью переменного тока в главной цепи тока (катод-расплав) можно было получить компактный столб плазменной дуги, параллельно подключена систе­ма зажигания с напряжением около 30 кВ. Эта система предупреждает угасание дуги переменного тока при от­сутствии тока в каждом полупериоде. Конденсатор ем­костью С и катушка индуктивности L служат делитель­ными элементами для обоих контуров тока. Такая схе­ма требует, кроме высокого напряжения, очень тщатель­ного конструктивного выполнения всей электрической системы.

Кроме приведенных однофазных схем электрических контуров переменного тока, сопло плазматрона может быть выполнено и таким образом, чтобы трехфазный ток подводился непосредственно к плазматрону, как это показано на рис. 39. Преимущество показан­ной на рис. 6 схемы заключается в том, что перемещаю­щаяся по фазам плазма характеризуется собственным сильным стабилизирующим эффектом.

Другой принципиальный вариант применения пере­менного тока для питания плазматрона приведен на рис. 38. Этот плазматрон работает с тремя като­дами, что обеспечивает самостабилизацию плазмы.

1 - сопло; 2 - электроды	1 - источник тока
Рисунок 38. Принципиальная схема плазматрона с тремя электродами	Рисунок 3. Электрическая схема плазматрона с использованием накладывающейся дуги и трехфазного то­ка

Плазматроны переменного тока, показанные на ри­сунках, пока не доведены до такого состояния, чтобы их преимущества, заключающиеся в более низких расходах на электрооборудование, превзошли преимущества плазматрона постоянного тока. В промышленных усло­виях, особенно там, где для пирометаллургических про­цессов требуется большая длина столба плазменной дуги, ведущее место в настоящее время занимают одно­фазные плазматроны постоянного тока.

Особым случаем использования переменного тока и, видимо, наиболее перспективным способом достижения высоких мощностей при высокой концентрации тепловой энергии в плазме является принцип, приведенный на рис. 38. Показанная на рис. 38 схема позволяет использовать два (при однофазном принципе) или три плазматрона, получающих питание от вспомогательных источников постоянного тока таким образом, что под действием независимых дуг образуются ионизированные потоки плазмы, которые соединяются между собой с по­мощью источника переменного тока. Переменный ток подводится к плазме через сопла плазматронов. Наилучшие результаты, как показали замеры, проведенные в Горно-металлургическом институте, достигаются при таком взаимном расположении плазматронов, когда угол, заключенный между ними, равен 120°. Эти резуль­таты были подтверждены и при консультации с научны­ми работниками фирмы Electrotherm (Брюссель), ко­торая занимается разработкой плазменных печей с ис­пользованием указанного принципа накладывающейся дуги.

При под­воде переменного тока к соплам плазматронов и созда­нии независимой дуги с достижением максимальной температуры плазмы непосредственно у устья сопла можно достичь минимум такого же к. п. д. плазматронов, как в случае электрической схемы с зависимой и наклады­вающейся дугой (см. рис. 39). С учетом принципа работы плазматронов с накладывающейся дугой (см. рис. 39) можно утверждать, что этот способ получения высоких температур с высокой концентрацией теплового потока является в настоящее время, несомненно, самым выгодным источником тепла для высокотемпературного нагрева неэлектропроводных материалов, например для переплава высокотемпературных окислов. Можно ожи­дать, что схема, показанная на рис. 39, будете в будущем использоваться и для быстрого нагрева металлических материалов, прежде всего в тех случаях, когда по тех­ническим причинам подводить электрический ток к нагреваемому материалу является почему-либо неудоб­ным.

Контрольные вопросы

1. Принципиально возможные электрические схемы плазматронов.

2. Плазматрон с тремя катодами.

3. Эффективность электрических схем плазматронов.

Литература

1. Крапивина С.А. Основы плазмохимии. Л.: ЛТИ, 1976, - 65с.

2. Моссэ А.Л., Печковский В.В. Применение низкотемпературной плазмы в технологии неорганических веществ. Минск: Наука и техника, 1973.- 213с.

3. Дембовский В. Плазменная металлургия.- М.: Металлургия. 1981. -280с.