Плазменные плавильные установки - Электротехнологические плазменные установки

Существует два основных направления использования плазмы в металлургии:

    1) интенсификация известных процессов плавки с помощью плазменного подогрева или замены в металлургических агрегатах прежних источников теплоты плазменными; 2) создание принципиально новых металлургических агрегатов, а также плазмотехнологических процессов.

Существует несколько типов установок для обработки и получения металлов с помощью плазмотронов.

Наиболее перспективны те из них, в которых применяются плазмотроны прямого действия (анодом является ванна расплавленного металла). На этой схеме основаны плазменно-дуговые печи (ПДП) для выплавки и переплавки высококачественных металлов.

Плавка плазменной дугой в плазменных печах аналогична вакуумно-дугогой плавке с нерасходуемым вольфрамовым электродом, но плазменная дуга имеет существенные преимущества перед вакуумной: лучшая жесткость и стабильность дуги, большая длина дуги, предохранение металла от загрязнения вольфрамом электрода, более высокие напряжение и мощность.

Состав плазменной струи может задаваться по-разному, что позволяет поддерживать в печи практически любую атмосферу. Поскольку парциальные давления кислорода, водорода и азота в плазменной печи, работающей на инертном газе, невелики, то условия дегазации жидкого металла в ПДП приближаются к условиям дегазации в вакуумных печах, оборудованных сложными и дорогостоящими вакуумными системами. В отличие от вакуумной индукционной, дуговой и электронной плавки при плавке в ПДП наблюдается меньшее испарение ценных компонентов расплава, а применение плазмотронов позволяет получить высокие, легко регулируемые температуры и решить проблему стабильности и регулирования параметров процесса.

Плазменные и дуговые печи могут быть двух типов: плавильная печь с огнеупорной футеровкой и печь для переплава с водоохлаждаемым кристаллизатором (глухим или с вытягиванием слитка).

схема плазменной печи с керамическим тиглем

Рис. 6. Схема плазменной печи с керамическим тиглем: а - с одним плазмотроном в своде; б - с плазмотронами, установленными в стенках; 1 - кожух; 2 -- футеровка; 3 - свод; 4 - плазмотрон; 5 - подовый электрод

При выплавке металла в ПДП с огнеупорной футеровкой (рис. 8.14) форма печи и материал огнеупорной футеровки идентичны форме и материалу обычной дуговой печи. Водоохлаждаемый медный анод - подовый электрод5монтируется заподлицо с подиной и контактирует с переплавляемым металлом. Камера печи, из которой откачан воздух, заполняется вытекающим из плазмотрона4газом, и после достижения определенного давления начинается процесс плавки.

Плазменная дуга вначале проплавляет в шихте узкий канал, и стекающий вниз жидкий металл скапливается на подине ванны, после чего расплавляется весь металл. Дегазация и рафинирование металла особенно интенсивно происходят на поверхности ванны в месте контакта жидкого металла с высокотемпературной струей. Для плавки применяются плазмотроны постоянного и переменного токов различных мощностей. Промышленные печи СССР и ГДР емкостью 5, 10 и 30 т оснащены плазмотронами постоянного тока, работающими на прямой полярности. Наиболее ответственными и теплонапряженными деталями плазмотрона являются катод 2 и сопло 3, через кольцевой зазор между которыми вытекает плазмообразующий газ. При запуске печи первичная дуга зажигается осциллятором между катодом и соплом и затем сносится газом до соприкосновения с металлом печи. После этога пусковая дуга отключается и горит только рабочая дуга между катодом и расплавом в потоке плазмы. Длина дуги, а следовательно, напряжение на ней определяются размерами и конструкцией печи (а не плазмотрона), поэтому для плазмотрона существует один рабочий параметр - ток дуги. Некоторые данные по плавильным плазмотронам приведены в табл. 1.

Катоды изготовлены из торированного или лантанированного вольфрама. Прочие конструкции плавильных плазмотронов имеют дополнительные каналы для подачи в плавильное пространство других газов, необходимых для металлургического процесса. Напряжение на дуге 150-660 В, вводимая мощность в период расплава равна 12-15 МВт, удельный расход энергии составляет 625 кВт-ч/т.

Таблица 1

Параметры

Режим

Ток, А

800

2000

4000

5000

10000

Диаметр катода, мм

5-6

10-12

18-20

24-25

48-50

Расход аргона, л/с

1

2

3

4

6

При плазменно-дуговом переплаве с целью получения особо чистых металлов используются ПДП с кристаллизаторами (рис. 7).

Переплавляемый металл в виде штанги 6 с сечением любой формы подается с постоянной скоростью и оплавляется одной или несколькими плазменными дугами. Анодом в этом случае является поверхность ванны жидкого металла в кристаллизаторе. Стекающий со штанги металл прогревается плазменной струей и растекается по поверхности ванны. В контакте с газовой атмосферой металл рафинируется и затем затвердевает и вытягивается в виде слитка. Рабочее давление в этих печах может изменяться в широких пределах от избыточного (1ч3)105Па до пониженного 1- 10 Па.

схема печи для плавки в кристаллизаторе

Рис. 7. Схема печи для плавки в кристаллизаторе: 1 - слиток; 2 - кристаллизатор; 3 - корпус печи; 5 - плазмотрон; 4 - корпус печи; 5 - механизм подачи и вращения заготовки; 6 - переплавляемая заготовка; 7 - источник питания; 8 - механизм вытягивания слитка

По сравнению с печами других типов плазменные печи обладают рядом преимуществ: хорошая поверхность слитков; незначительная потеря металлом легирующих компонентов (Сr, Аl, Ti, Мn, Si и т. д.); возможность легирования металла газообразным азотом; гибкая связь между мощностью дуг и скоростью плавления слитка, позволяющая регулировать время пребывания металла в жидком состоянии.

Недостатками этих печей являются большая сложность и стоимость эксплуатации.

Для повышения экономичности плазменных печей разрабатываются плазмотроны с полыми катодами и схемы установок с комбинированным питанием постоянным и переменным током.

Похожие статьи




Плазменные плавильные установки - Электротехнологические плазменные установки

Предыдущая | Следующая