Плазматрон; 2- шихта; 3-кристаллизатор

Тепловая мощность, передаваемая металлу в анодном пятне, Р_а зависит от силы тока и длины дуги, когда закончено формирование конического участка столба со стороны катодного пятна. По данным М.М. Крутянского:

Pa, max=0.4P_Д, при l_Д^max= (4÷5) D_ст,

где D_ст – диаметр цилиндрической части столба дуги.

Особенность распределения теплового излучения от вертикальной плазменной дуги между поверхностями свободного пространства ПДП по сравнению с ДСП заключается в меньшей направленности излучения высокотемпературного столба на ванну (<30-40%), практическом отсутствии экранирования тепловых потоков на свод и в наличии опасной для тепловой работы футеровки стены зоны «горячего пояса» на высоте, равной половине длины дуги, т.е. h_гор=0,5l_Д.

Неравномерность облучения свода зависит не только от длины дуги l_Д, но и от высоты расположения свода. Поэтому при конструировании ПДП необходимо выбирать рациональное соотношение (h_cn/D_o)_равн, обеспечивающий равномерную облучённость поверхности свода при данной длине плазменной дуги.

С учётом вышеизложенного, рациональный тепловой режим ПДП зависит от параметров плазменной дуги. Вся мощность дуги Р_Д складывается из мощности, передаваемой ванне в анодном пятне Р_а, мощности, выделяемой в столбе дуги Р_ст и мощности, выделяемой в катодной области Р_н. Как уже отмечалось мощность Р_а полностью поглощается металлом и не зависит от геометрических размеров рабочего пространства ПДМ. Мощность Р_н составляет 1-2% от величины Р_Д и её значением можно пренебречь. Поэтому мощность передаваемая плазменной дуге на ванну Р_в=Р_а+xР_ст, где x- доля мощности, передаваемая ванне от столба дуги, которая в условиях лучистого теплообмена (с точностью до 5-45%) является угловым коэффициентом, зависящим от отношения l_д/D_o и определяемым, например, методом светового моделирования.

Результаты расчетов, выполненных Л.Н. Курляндским для ПДП вместимостью до 12 тонн, показывают:

1) для каждого значения силы тока дуги существует рациональное значение её длины l^рацд»2lд^max , при котором мощность Р_в максимальная и составляет от всей мощности дуги 42-45%;

2) наибольшее отношение Р_в/Р_д, равное 56%, достигается при наиболее короткой дуге, равной l_д=l_д^max . Однако меньшее напряжение дуги в этом случае является причиной абсолютного снижения мощности Р_n;

3) чрезмерное удлинение дуги (l_д>2l_д^max) приводит к резкому снижению P_n , несмотря на соответствующее увеличение U_д (при неизменной температуре футеровки), так как мощность, передаваемая через анодное пятно, постепенно уменьшается до нуля, снижая эффективность плазменного нагрева.

Следует особо отметить, что рациональную длину плазменной дуги следует устанавливать, когда металл почти расплавлен. В начале периода расплавления можно работать и на более длинных дугах, чтобы ввести в печь максимально возможную мощность Р_д, которую можно получить от источника питания.

Геометрические размеры свободного пространства согласуют с выбранным l_д^рац. или заданным значением (по электрическим условиям) длины дуги, чтобы высота стены, определяющая расположение пят свода, соответствовала условию: h^cт_кр<h_ст<h_ст^равн, где h^cт_кр - наименьшая допустимая высота расположения свода, при которой происходит равнозначное облучение плазменными дугами футеровки свода и стены в «горячем поясе».

Условие h_ст^равн<h_ст при данной длине дуги l_д связано с увеличением заглубления плазматронов в свободное пространство и возрастанием тепловых потерь с охлаждающей средой, тогда как облучённость поверхности свода практически не изменяется.

Как уже отмечалось, параметры электрического режима ПДП, определяемые вольтамперной характеристикой плазменной дуги, зависят от целого ряда внешних факторов- состава и расхода плазмообразующего газа, температурной ситуации в рабочем пространстве, длины дуги.

В отличии от ДСП в рабочем режиме ПДП не требуется непрерывного передвижения плазматрона, так как существует определённая длина дуги l_д^рац , зависящая от силы тока, при которой происходит наиболее эффективна передача тепла от плазменной дуги к ванне т.е. P_в максимальна. Передвижение плазматрона необходима для зажигания дуги. Последовательность операций такая: сначала проводят пробой промежутка между катодом и соплом высоковольтным искровым зарядом, возбуждаемым специальным разрядником – высокочастотным осциллятором и зажигают вспомогательную дугу с силой тока до 200 А; затем при помощи, например, гидравлического привода передвигают плазматрон в сторону шихты до тех пор, пока под действием напряжения холста хода источника питания не произойдёт пробой рабочего промежутка, ионизируемого потоком плазмы вспомогательной дуги, и зажигание плазменной дуги между анодом-шихтой. После зажигания основной дуги устанавливают плазматрон в рабочем положении, характеризуемом рациональной для заданной силы тока длиной дуги l_д^рац.

Электротехническим недостатком ПДП является снижение U_д с увеличением температуры рабочего пространства и соответствующее уменьшение мощности нагрева по ходу плавки (при неизменных значениях силы тока и массового расхода плазмообразующего газа). В ряде случаев удаётся стабилизировать или даже повысить напряжения и мощность плазменной дуги путём введения второго компонента в плазмообразующий газ - водорода или азота, поскольку в этих газах дуговой разряд имеет более высокую вольт - амперную характеристику. Но водород, кроме того, что увеличивает взрывоопасность, оказывает вредное влияние на ход технологического процесса и качество некоторых марок сталей. В таких случаях возможно вдувание в рабочее пространство ПДП дополнительного объёма холодного газа с последующей его откачкой и охлаждением. Потери тепла с откачиваемым газом могут быть компенсированы снижением тепловых потерь во всех элементах печи в результате ускорения плавки при более высокой мощности плазменных дуг.

В печах с огнеупорной футеровкой максимальное значение мощности дуг Р_д ограничено допустимой температурой Т_ф из-за особых условий теплопередачи от плазменных дуг. Поэтому эксплуатация ПДП возможна только с системой автоматического регулирования величины Р_д по непрерывно измеряемой температуре футеровки Т_ф.