Действия от расхода аргона струи от подводимой мощности

Таким образом, для правильного конструирования плазматронов необходимо знать их вольт- амперные характеристики, от которых зависят размеры рабочих частей плазматрона, вид и расход плазмообразующего газа, длину дуги и другие параметры.

Принцип работы плазматрона прямого действия

В настоящее время для металлургических целей, особенно для переплава металла, применяют мощные плазматроны, работающие с зависимой дугой (рис. 4). При помощи таких плазматронов можно достичь гораздо большей мощности, чем при использовании плазматронов косвенного действия. Надо однако учитывать, что при этом конструкция должна выдерживать более высокие тепловые нагрузки во всех основных частях плазматрона. Высокая концентрация тепловой энергии достигается дросселированием электрической дуги с помощью сопла. Сопло одновременно стабилизирует дугу. При использовании таких плазматронов 75% передаётся материалу электрической дугой и лишь 25% потоком плазмы. Дросселирование столба дуги повышает плотность тока, концентрацию энергии и напряжение дуги, что в свою очередь повышает температуру выходящего из плазматрона потока плазмы до 16000 К и выше, тогда когда у плазматрона косвенного действия эта температура не превышает 5500 К.

Одной из важных характеристик мощных плазматронов прямого действия является восходящая вольт – амперная характеристика, что позволяет повышать ток дуги и напряжение между катодом и анодом. Это значительно увеличивает мощность плазматронов данного типа. Сейчас имеются плазматроны прямого действия, которые имеют мощности свыше 6 МВт, работающие на напряжении 700 В с током до 9 кА.

На рисунке 4 видно, что характер образования столба дуги значительно отличается от него же в плазматроне косвенного действия. Столб дуги здесь на много длиннее, что существенно влияет на распределение напряжения. Из рисунка 4 так же видно, столб дуги в сопле изолирован от хорошо проводящего материала сопла лишь тонким слоем газа. Хотя этот слой газа на много холоднее, чем ионизированная плазма, он, как и изоляция, весьма не надёжен. Из этого следует, что надо исключить возможность раздвоения дуги при пробое, когда образуются дуги между катодом и соплом, а так же между анодом и соплом. Пробои и последующие раздвоения дуги нарушают режим работы, являются опасным для стойкости элементов плазматрона и снижают мощность. Поэтому основным требованием при эксплуатации плазматронов прямого действия является исключение пробоев.

Рис.4. Плазматрон с зависимой

Дугой (прямого действия),

обозначения см. рис. 1.

Плазмообразующие газы

В металлургической практике могут использоваться такие инертные плазмообразующие газы как аргон, азот, водород, гелий, характеристики которых представлены в таблице 1.

Из таблицы 1 следует, что состав плазмообразующей смеси сильно влияет на энергетические параметры электрического разряда и плазменной струи. Кроме того, необходимо учитывать химическое воздействие плазмообразующих газов на металл и на процесс эрозии катодного материала. Можно ожидать, что в будущем будут широко использоваться плазмообразующие смеси, которые с одной стороны энергетически более выгодны и с другой стороны менее дефицитны и более дешевы, чем атомарные газы (аргон, гелий). Из таблицы 1 видно, что двухатомные газы имеют преимущества перед атомарными газами.

Таблица 1. Характеристики плазмообразующих газов

* -максимальное значение при Т=7*10^{8 К} равно 6,08 Вт (м*к)

** -максимальное значение при Т=3,8*10⁴ К равно13,4 Вт (м*к)

В настоящее время используют 2 типа плазменно-дуговых печей: с огнеупорной футеровкой и с водоохлаждаемым кристаллизатором. В обоих типах плазменно-дуговых печей переплав можно осуществить в вакууме или в регулируемой газовой атмосфере.

Плазменно-дуговые печи с огнеупорной футеровкой (рис.5) эксплуатируют как промышленно производственные агрегаты (табл. 2). Самые крупные 35-т плазменно-дуговые печи, разработанные совместно ГДР и СССР, сооружены с использованием четырёх плазматронов мощностью 6 МВт каждый. Плазматроны поставлены по бокам под наклоном. Расход аргона на все работающие плазматроны составляет 45 м³/ч (22,5 г/с). Расход воды соответственно 167 м³/ч. Скорость расплавления составляет 20000 кг/ч и расход электроэнергии на расплавление соответственно 500 кВт*ч/т. Огнеупоры выдерживают около 150 плавок и плазматроны практически возобновляются через 30 часов. Печи уже несколько лет работают стабильно. Их эксплуатация протекает практически бесшумно, что значительно облегчает работу у печей. Годовая производительность 35-т печей - составляет 80000 т высоколегированной стали. На основании опыта печей вместимостью 15 и 35 т в Германии проводились исследования с целью создания более крупных печей вместимостью 65и 110т.

Исследования тепловой работы крупных печей показали, что они работают эффективно только тогда, когда плазменная струя передаёт тепло в расплавленные каналы шихты, т.к. мощность дуги, передаваемая шихте излучением, конвекцией и теплопроводностью характеризуется следующим отношением Р_изл.:Р_и:Р_т=40:8:1. Для обеспечения надёжного зажигания плазматронов часто в крупных печах применяют дополнительную (вспомогательную) горелку.

Таблица 2.Характеристика плазменно-дуговых печей с керамическим тиглем