Плазматрона косвенного температуры плазменной

Плазменные печи

Общая характеристика

Работа плазменных печей (установок плазменного нагрева) основана на использовании газоразрядной плазмы в качестве теплоносителя. Достаточная электрическая проводимость плазмы обеспечивает преобразование электрической энергии в тепловую за счет токов проводимости Iпр. подводимых через электроды (кондукционный способ) или возбуждаемых переменным электромагнитным полем (индукционный способ). Поскольку формирование плазмы связано с эндотермическими процессами диссоциации и ионизации газов, плазма характеризуется достаточно высоким энергосодержанием, позволяющим использовать её в энергоёмких пирометаллургических процессах, в том числе для плавки высоколегированных сталей и сплавов, прямого восстановления металлов из руд и получения ферросплавов.

Плазмотрон – устройство для преобразования электрической энергии источника питания в тепловую энергию струи (потока) плазмы, т.е. плазменный генератор. В зависимости от способа преобразования электрической энергии в тепловую различают плазмотроны: дуговые, индукционные (высокочастотные) и электронные (сверхвысокочастотные).

Наибольшее распространение получили дуговые плазматроны, в которых возможно достижение температуры плазмы порядка 10000 К путём сжатия столба дуги стенками канала (гидродинамическое сжатие), газовым потоком (аэродинамическое сжатие) или внешним магнитным полем (электромагнитное сжатие). Для получения дугового разряда можно применить как постоянный, так и переменный ток. Стремясь получить стабильную работу плазматрона, чаще всего используют постоянный ток во избежании обрыва дуги при переменном токе. Различают плазматроны с независимой дугой (косвенного действия) и с зависимой дугой (прямого действия). Выбор схемы работы плазмотрона зависит от назначения печи и необходимых требований по эффективности её работы

Принцип работы плазматрона косвенного действия

Принцип работы плазматрона косвенного действия используют в тех случаях, когда замкнуть электрическую цепь между электродом плазматрона и нагреваемым материалом нельзя. Схема такого плазматрона показана на рис.1. Вокруг водоохлаждаемого катода 1 находится водоохлаждаемый корпус 3. В щель между катодом и корпусом подают плазмообразующий газ 2. Корпус отделяют от водоохлаждаемого сопла- анода 6 изоляционные вставки 4. Катод и анод соединяют электрической сетью 9.Между катодом и анодом зажигается электрическая дуга 5. Дуга ионизирует плазмообразующий газ главным образом путём термической ионизации. Конструктивное оформление катодно-анодного участка выполнено так, что дуга сжимается относительно холодными слоями газа и собственным магнитным полем дуги. Это противодействие расширению площади дуги (как это наблюдается при свободно горящей дуге) и повышает плотность тока в дуге.

Все элементы плазматрона охлаждаются водой, поэтому часть тепла, которая выделяется в горящей дуге, передаётся системе охлаждения, в следствии чего КПД плазмотрона сравнительно невысок. Его можно повысить расходом плазмообразующего газа Qv (рис.2), однако при этом падает средняя температура струи плазмы, выходящей из сопла плазматрона. Среднюю температуру плазмы можно повысить увеличением подводимой мощности P (рис.3). Нелинейность повышения температуры при этом, в первую очередь, объясняется повышением теплопроводности и излучения столба плазмы.

Одним из недостатков плазматронов с независимой дугой является высокая тепловая нагрузка в месте анодного тепла, что может привести к разрушению материала анода. Поэтому иногда на анод устанавливают магнитную катушку, которая своим полем вращает анодное пятно по поверхности анодного сопла, что увеличивает время службы плазматронов.

Рис. 1.Плазматрон с независимой дугой (косвенного действия):

Катод; 2- плазмообразующий газ;3- водоохлаждаемый корпус; 4- электрическая дуга; 5-изоляционная вставка; 6- водоохлаждаемый анод; 7-плазменная струя; 8- нагреваемый материал; 9-электрическая сеть

Рис. 2.Зависимость к.п.д. Рис. 3. Зависимость средней

плазматрона косвенного температуры плазменной