Лекция №16. Плазматроны, используемые в металлургии

План лекции:

1. Плазмотрон, работающий на переменном токе.

2. Плазмотроны для работы в вакууме.

Кроме плазматронов, работающих по различным электрическим схемам с использованием прежде всего постоянного тока, в плазменной металлургии применяют также особые типы плазматронов, предназначенных, например, для достижения максимальной энтальпии плазменного пламени; предусмотрена также возможность использования переменного тока и других, не инертных газов. К этой категории плазматронов относятся так называемые дуговые газонагреватели, описанные, например, Дж. Лоутоном. К другой весьма перспективной группе относятся так называемые электротопливные горелки, которые позволяют значительно повысить энтальпию продуктов сгорания газовых горелок и достичь, таким образом, высоких температур при промышленном нагреве. Важной группой являются и плазматроны, в которых широко используется кинетическая энергия электронов, падающих на анод. Эти плазматроны могут работать при сравнительно высоком вакууме в диапазоне 1 - 0,01 Па.

Металлургический плазмотрон, работающий на переменном токе высокого напряжения

К особым типам плазматронов, используемых в плазменной металлургии, можно отнести и так называемые генераторы плазмы, работающие на высоком напряжении, которые используются фирмой Union Carbide Corp. Кожух такого плазматрона охлаждается водой, он приспособлен под уплотнения в рабочем пространстве печи (рис. 48). От других плазматронов он отличается наличием внутреннего полого электрода, который представляет собой цилиндрическое водоохлаждаемое тело с отверстием в нижней части. Кожух в нижней части снабжен водоохлаждаемым соплом, длина которого в 1,2 - 3 раза больше диаметра канала сопла. Внутренний полый электрод крепится с помощью нейлоновых изоляторов. Устье сопла защищено от теплового излучения экраном из слюды или плавленого кварца. Газ подводится в плазматрон через пространство, образованное внутренним электродом и соплом, и подается через направленное тангенциально приводное отверстие. Вращающийся газ создает вдоль оси камеры пониженное давление. При достаточной скорости истечения газ растекается внутри полости электрода и выходит через сопло в его устье. Этот механизм позволяет создать более длинную дугу и повысить напряжение.

1 - верхний изолятор; 2 - кожух; 3 - внутренний полый электрод; 4 - нижний изолятор; 5 - вихревая камера; 6 - сопло; 7 - вода: 8 - газ

Рисунок 48. Плазматрон, для расплавления металлов работающий на переменном токе

Между соплом и внутренним электродом зажигается вспомогательная дуга, и полученное плазменное пламя выдувается на металлическую шихту. Между расплавляемым металлом и внутренним полым электродом затем присоединяют более мощный источник тока.

Если применяют постоянный ток с нормальной или обратной полярностью, то дуга горит в одном месте внутреннего полого электрода. Чтобы предупредить тепловую перегрузку в этом месте, на плазматрон надевают водоохлаждаемый соленоид и дуга приводится во вращение с помощью магнитного поля. Соленоид не только повышает допустимую силу тока, подводимого к полому электроду, но и устраняет колебания напряжения, поскольку вращение дуги поддерживает его постоянным.

Однако для получения плазменной дуги с помощью этого плазматрона более целесообразно использовать переменный однофазный ток. Конец дуги в каждый полу - период тока перемещается между свободным и глухим концом полого электрода. Дуга при этом занимает всю длину полости электрода. Кроме того, пульсация длины дуги увеличивает проникновение газа в полость внутреннего электрода. Благодаря этому уменьшаются эрозия электрода и загрязнение расплавленного металла.

На работу плазматрона оказывает влияние конфигурация сопла, которое дросселирует и направляет дугу и повышает напряжение в ней. Если отношение длины сопла L к внутреннему диаметру D мало, то радиальный градиент давлений недостаточен для центрирования дуги, тогда дуга переходит на сопло, а с него на расплавляемый металл (двойная дуга). Разрушение сопла наблюдается при отношении L/D = 1,0 - 1,2. Если L/D велико, то тепловой к.п.д. дуги снижается и стабильность ее ухудшается. Соотношение L/D может составлять 1,2 - 3,0, но лучше всего L/D = 2.

Описанный плазматрон испытывали при переплаве углеродистой стали массой 680 кг. Длина полого электрода составляла 254, а внутренний диаметр 32 мм, длина сопла 38, а диаметр 32 мм. В качестве рабочего газа использовали воздух в количестве 6,1 г/с. Плазма - трон питали электрическим током промышленной частоты напряжением 400 В, при силе тока 1,1 кА. Из потребляемой мощности 440 кВт металлу передавалось около 360 кВт, отсюда к.п.д. получается равным 82%. После расплавления металла к.п.д. вследствие больших тепловых потерь (атмосфера, в которой находился плазматрон, была нагрета до 1870 К) снизился до 40%. Весь металл расплавился в течение 2,5 - 3 ч, причем повреждения электродов обнаружено не было.

Применение плазматронов обычного типа для переплава реакционноспособных материалов имеет свои недостатки, обусловленные сравнительно большим расходом потока инертных газов, которые даже при малом содержании примесей кислорода, азота, водорода и других компонентов все же поглощаются переплавляемым металлом. Парциальное давление нежелательных газообразных примесей можно значительно снизить путем проведения процесса в вакууме. Некоторые типы плазматронов могут работать в вакууме с очень низкими расходами потока инертных газов, что существенно ограничивает возможность реакции газовой фазы с нагреваемым металлом.

Плазматроны, работающие в вакууме, не требуют в отличие от электронных пушек высокого разгоняющего напряжения. Плазматроны по сравнению с электронными пушками менее чувствительны к изменениям давления в рабочем пространстве, поэтому выделение газа в период расплавления металлов практически не оказывает влияния на стабильность дуги.

С технологической точки зрения установки с использованием вакуумных плазматронов занимают промежуточное место между электроннолучевыми и вакуумными дуговыми печами. Давление в рабочем пространстве печи можно изменять в пределах 1·10^-2 - 1 Па. В качестве плазмообразующего газа можно использовать аргон или гелии. Количество аргона колеблется в пределах 0,01 - 0,08 г/с.

Вакуумный плазматрон, показанный на рис. 49, состоит из двух вакуум камер, катодной и плавильной камер, разделенных перегородкой. В катодной камере находится катод в виде металлического водоохлаждаемого цилиндра. Анодом служит металл, который подвергается нагреву (изложница или металлическая ванна). Плазмообразующий газ подается в катодную камеру через редукционный клапан. Высокочастотный осциллятор или источник постоянного тока низкого напряжения может служить стартовым (пусковым) источником. Разряд возникает внутри катода и замыкается через отверстие диафрагмы с помощью стартового напряжения 100 - 120 В между катодом и анодом. Аксиальное магнитное поле, создаваемое соленоидами, концентрирует разряд, облегчает прохождение через диафрагму и обеспечивает его концентрацию на поверхности металла, который подвергается нагреву. Большой перепад давлений между катодной и плавильной камерами обеспечивается с по - мощью диафрагмы (давление в катодной камере составляет 13 - 26 Па, а в плавильной камере 1·10^-2 - 1 Па в зависимости от предъявляемых со стороны металлургов требований). Таким образом, поведение разряда в катодной камере в некоторой степени зависит от режима плавления. Однако это не снижает стабильности разряда.