Плазменные печи

Плазменный нагрев основан на использовании потока плазмы в качестве теплоносителя. Плазма представляет собой ионизированный и электрически квазинейгральный газ (общий заряд его равен нулю). Ионизация газа происходит под действием внешнего источника энергии (тепловой или электрической). При этом протекают процессы диссоциации и ионизации нейтральных частиц газа, вызывающие повышение его температуры. Чем больше степень ионизации, тем выше температура. В металлургии используют «холодную» (низкотемпературную) плазму со степенью ионизации около 1 % и температурой 5000... 15 000 °С. Степень ионизации «горячей» плазмы близка к единице, а температура составляет сотни тысяч градусов.

Для получения плазмы применяют устройства, называемые плазмотронами (рис. 5.22). По способу нагрева газа до ионизированного состояния (плазмы) различают плазмотроны дуговые, индукционные, электронные и топливные. Проще всего газ можно нагреть до высокой температуры, пропуская его через электрическую дугу.

Схемы дуговых плазмотронов

Рис. 5.22. Схемы дуговых плазмотронов: с плазменной струей (а); плазменной дугой {б); с плазменной дугой переменного тока (в):

  • 1 - катод; 2 - сопло; 3 - электромагнитная катушка; 4 - дуга;
  • 5 - плазменная струя; 6 - нагреваемое изделие;
  • 7 - расплавляемый металл; 8 - маломощная дуга

Большинство дуговых плазмотронов работает на постоянном токе, обеспечивающем стабильность горения дуги. При этом нагрев 114

может производиться плазменной струей и плазменной дугой. Плазменная струя создается в плазмотронах, в которых дуга горит между электродами внутри плазмотрона (см. рис. 5.22, а).

Катодом 1 служит тугоплавкий стержень, а анодом - сопло 2 (выходной канал) плазмотрона. В межэлектродный промежуток подается плазмообразующий газ. Энергией дуги 4 газ ионизируется и вырывается из сопла в виде ярко светящегося факела (плазменной струи 5). Чтобы предотвратить разрушение сопла электрической дугой, ее анодное пятно быстро перемещается по каналу сопла. Это достигается тангенциальной подачей газа (газовый вихрь придает столбу дуги вращательное движение) или установкой вокруг сопла электромагнитной катушки 3.

Для плавки металлов применяют плазмотроны с плазменной дугой (см. рис. 5.22, б), поэтому эти плазмотроны называют также плавильными. Плазменная (электрическая) дуга 4 горит между внутренним электродом 1 (катодом) и расплавляемым металлом 7 (анодом). Для образования плазмы дугу обдувают в продольном направлении потоком газа. В поперечном направлении плазменная дуга сжимается холодными стенками сопла 2 плазмотрона или специально создаваемым магнитным полем. В сжатой дуге повышается плотность тока, вследствие чего увеличивается температура и стабильность горения дуги по сравнению со свободно горящей дугой. Энергия плазмотронов с плазменной (сжатой) дугой передается расплавляемому металлу электрической дугой и струей плазмы, что обеспечивает более высокий КПД этих плазмотронов, по сравнению с КПД струйных плазмотронов.

В некоторых случаях целесообразно применение дуговых плазмотронов, работающих на переменном токе (см. рис. 5.22, в). В нем между катодом 1 и соплом 2 создается маломощная дуга 8 постоянного тока. Основная дуга 4 переменного тока горит между соплом и расплавляемым металлом 7. «Дежурная» дуга ионизирует газ в зоне сопла, что обеспечивает устойчивое горение дуги переменного тока.

Плавильные плазменно-дуговые печи могут быть с огнеупорной футеровкой и с кристаллизатором аналогично электронно-лучевым печам.

Плавильные плазменно-дуговые печи с керамическим тиглем (рис. 5.23, а) применяют главным образом для плавки сталей и сплавов на никелевой основе, а также переплава легированных отходов.

Печь имеет футерованную камеру, закрытую сводом 2. Плазмотроны 1 вводятся в плавильную камеру через свод или реже - через стены. Мощность плазмотронов 100... 2000 кВт. В огнеупорной футеровке ванны установлен подовый электрод 6, подводящий положительный полюс источника тока к жидкометаллической ванне.

Схемы плазменно-дуговых печей с керамическим тиглем (а) и кристаллизатором (б)

Рис. 5.23. Схемы плазменно-дуговых печей с керамическим тиглем (а) и кристаллизатором (б):

  • 1 - плазмотрон; 2 - свод; 3 - песочный затвор; 4 - корпус;
  • 5 - ванна жидкого металла; 6 - подовый электрод; 7 - переплавляемая заготовка; 8 - кристаллизатор; 9 - слиток; 10 - поддон

Плазменно-дуговые печи в отличие от дуговых печей работают при относительно длинных плазменных дугах, поэтому футеровка стен и свода в них должна иметь высокую огнеупорность и выполняться из магнезитохромитового кирпича. Стык свода с кожухом 4 уплотняется песочным затвором 3, герметизируются также вводы плазмотронов в печь.

Плазменно-дуговые печи с кристаллизатором (рис. 5.23, б) могут применяться для выплавки слитков из практически любых металлов и сплавов: сталей, титана, тугоплавких металлов, сплавов с легко испаряющимися добавками, а также для переплава отходов. Печи могут работать в широком диапазоне давлений в плавильной камере - от 0,3 МПа до 10"1 Па.

Плазменная электропечь ПСП-6/8,25-И1 (рис. 5.24) имеет два исполнения: левое, у которого токоподвод от источника питания распо

лагается слева, и правое, у которого токоподвод от источника питания находится справа, если смотреть на печь со стороны сливного носка.

Плазменная электропечь ПС'П-6/8,25-И1

Рис. 5.24. Плазменная электропечь ПС'П-6/8,25-И1:

  • 1 - плазмотронодержатель; 2 - стойка; 3 - кольцо сводное;
  • 4 - шахта; 5 - окно рабочее; 6 - люлька; 7 - механизм наклона;
  • 8 - механизм отката; 9 - механизм подъема свода;
  • 10 - корзина загрузочная; 11 - кожух

Электропечь состоит из следующих основных узлов: кожуха 11, механизма отката 8, люльки 6, механизма наклона 7, установки рециркуляции газа, плазмотронодержателя 1, механизма подъема свода 9, плазмотрона. В кожух электропечи входят днище и верхняя цилиндрическая секция с двумя проемами: один для обслуживания рабочего пространства, другой - для выпуска металла.

Механизм отката 8 служит для выката печи из-под свода на рабочую площадку под загрузку скрапом и возврата ее обратно.

Основной несущей конструкцией является люлька 6, на которой устанавливается механизм отката с ванной и кренятся металлоконструкции шахты и механизм подъема свода. Наклон люльки для слива металла и скачивания шлака обеспечивается механизмом наклона 7.

Плазмотрон, представляющий собой электродуговой генератор плазмы прямого действия постоянного тока, смонтирован на плазмо- тронодержателе 1, который служит для подвода к плазмотрону тока, охлаждающей воды и плазмообразующего газа. Перемещение его в

процессе плавки осуществляется с помощью гидроцилиндра. Плазмотрон в плазмотронодержагеле крепится тремя зажимными болтами, которые допускают центровку его относительно уплотнения на своде.

Для подъема свода служит механизм 9. Для внесения добавок и наблюдения за процессом плавки в электропечи имеется рабочее окно 5, через которое также осуществляется скачивание шлака. Металл сливают через сливной носок при наклоне печи на угол до 40°. Технические характеристики установки следующие:

Номинальная мощность источника питания................................................8250 кВт

Номинальное напряжение источника питания..................................................825 В

Номинальный ток источника питания.......................................................... 10 000 А

Напряжение питающей сети.............................................................................10/6 кВ

Частота питающей сети........................................................................................50 Гц

Расход газа..........................................................................................................20 м3

Расход охлаждающей воды...............................................................................75 м3

Время расплавления подтоков........................................................................100 мин

Масса изделия.......................................................................................................71,4 т

Площадь, занимаемая печью............................................................................. 270 м2

Принципиальная схема промышленной плазменно-дуговой печи показана на рис. 5.25. Плавильная камера состоит из двух усеченных конусов, соединенных болтами. Камера соединена с системой откачки воздуха и газов. К верхней части конуса плавильной камеры через изоляционное кольцо крепится камера, где размещается механизм подачи вертикально расположенной заготовки. Плазмотроны располагаются радиально иод углом к оси заготовки и кристаллизатора.

К нижней части плавильной камеры крепится дополнительная камера, где размещаются кристаллизатор и шток механизма вытягивания слитка. Подъем и опускание слитка со штоком осуществляются четырьмя гидроцилиндрами. Ток прямой полярности подводится с одной стороны к плазматрону (минус), а с другой - к штоку вытягивания слитка (плюс). Для более равномерного оплавления заготовка с помощью специального механизма может реверсивно вращаться на угол до 60°.

Плазменно-дуговая печь (см. рис. 5.25) предназначена для слитков диаметром 140 мм и длиной 1300 мм. В печи устанавливаются 4-6 плазмотронов общей мощностью 100... 220 кВт, скорость подачи заготовки до 23 мм/мин, напряжение сети с частотой тока 50 Гц- 220/380 В.

Печь гшазменно-дугового переплава

Рис. 5.25. Печь гшазменно-дугового переплава:

  • 1 - механизм вытягивания; 2 - механизм подачи заготовки;
  • 3 - плазмотрон; 4 - смотровая система; 5 - слиток; 6 - вакуумная камера
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >