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.

1 - катод; 2 - катодная ка­мера; 3 - диафрагма; 4 - со­леноиды; 5 - анод; 6 - газ

Рисунок 49. Схема вакуумного плазматрона

Контрольные вопросы

1. Использование переменного тока в плазмотронах.

2. Схема плазмотрона на переменном токе.

3. Плазмотроны, работающие в вакууме.

Литература

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

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

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