Плазмові печі
Плазмотрон – пристрій перетворення електричної енергії джерела живлення на теплову енергію струменя (потоку) плазми, тобто. плазмовий генератор. Залежно від способу перетворення електричної енергії на теплову розрізняють плазмотрони: дугові, індукційні (високочастотні) та електронні (надвисокочастотні).
Найбільшого поширення набули дугові плазматрони, в яких можливе досягнення температури плазми близько 10000 До шляхом стиснення стовпа дуги стінками каналу (гідродинамічний стиск), газовим потоком (аеродинамічний стиск) або зовнішнім магнітним полем (електромагнітний стиск). Для отримання дугового розряду можна застосувати як постійний, і змінний струм. Прагнучи отримати стабільну роботу плазматрона, найчастіше використовують постійний струм, щоб уникнути обриву дуги при змінному струмі. Розрізняють плазматрони із незалежною дугою (непрямої дії) та із залежною дугою (прямої дії). Вибір схеми роботи плазмотрона залежить від призначення печі та необхідних вимог щодо ефективності її роботи
Принцип роботи плазматрону непрямої дії
Принцип роботи плазматрона непрямої дії використовують у тих випадках, коли замкнути електричний ланцюг між електродом плазматрона і матеріалом, що нагрівається, не можна. Схема такого плазматрону показано на рис.1. Навколо водоохолоджуваного катода 1 знаходиться водоохолоджуваний корпус 3. У щілину між катодом і корпусом подають плазмоутворюючий газ 2. Корпус відокремлюють від водоохолоджуваного сопла- анода 6 ізоляційні вставки 4. Катод і анод з'єднуються електричною мережею 9гаМедуга. іонізує плазмоутворюючий газ головним чином шляхом термічної іонізації. Конструктивне оформленнякатодно-анодної ділянки виконано так, що дуга стискується відносно холодними шарами газу та власним магнітним полем дуги. Це протидія розширенню площі дуги (як це спостерігається при дузі, що вільно горить) і підвищує щільність струму в дузі.
Всі елементи плазматрона охолоджуються водою, тому частина тепла, що виділяється в дузі, що горить, передається системі охолодження, внаслідок чого ККД плазмотрона порівняно невисокий. Його можна підвищити витратою плазмоутворюючого газу Qv (рис.2), проте при цьому падає середня температура струменя плазми, що виходить із сопла плазматрона. Середню температуру плазми можна підвищити збільшенням потужності P, що підводиться (рис.3). Нелінійність підвищення температури при цьому насамперед пояснюється підвищенням теплопровідності та випромінювання стовпа плазми.
Мал. 1.Плазматрон із незалежною дугою (непрямої дії):
1- катод; 2 - плазмоутворюючий газ; 3 - водоохолоджуваний корпус; 4-електрична дуга; 5-ізоляційна вставка; 6- водоохолоджуваний анод; 7-плазмовий струмінь; 8- матеріал, що нагрівається; 9-електрична мережа
Мал. 2.Залежність к.п.д. Мал. 3. Залежність середньої
плазматрона непрямої температури плазмової
дії від витрати аргону струменя від потужності, що підводиться
Таким чином, для правильного конструювання плазматронів необхідно знати їх вольтамперні характеристики, від яких залежать розміри робочих частин плазматрону, вид і витрата плазмоутворюючого газу, довжину дуги та інші параметри.
Принцип роботи плазматрона прямої дії
В даний час для металургійних цілей, особливо для переплаву металу, застосовують потужні плазматрони, що працюють із залежною дугою (рис. 4). За допомогою такихплазматронів можна досягти набагато більшої потужності, ніж при використанні плазматронів непрямої дії. Треба враховувати, що при цьому конструкція повинна витримувати більш високі теплові навантаження у всіх основних частинах плазматрона. Висока концентрація теплової енергії досягається дроселювання електричної дуги за допомогою сопла. Сопло одночасно стабілізує дугу. При використанні таких плазматронів 75% передається матеріалу електричною дугою та лише 25% потоком плазми. Дроселювання стовпа дуги підвищує щільність струму, концентрацію енергії і напругу дуги, що в свою чергу підвищує температуру потоку плазми, що виходить з плазматрона до 16000 К і вище, тоді коли у плазматрона непрямої дії ця температура не перевищує 5500 К.
Однією з важливих характеристик потужних плазматронів прямої дії є вольт – амперна характеристика, що дозволяє підвищувати струм дуги і напруга між катодом і анодом. Це значно збільшує потужність плазматронів цього типу. Зараз є плазматрони прямої дії, які мають потужності понад 6 МВт, що працюють на напрузі 700 зі струмом до 9 кА.
На малюнку 4 видно, що характер утворення стовпа дуги значно відрізняється від нього в плазматроні непрямої дії. Стовп дуги тут набагато довше, що істотно впливає на розподіл напруги. З малюнка 4 так само видно, стовп дуги в соплі ізольований від матеріалу сопла, що добре проводить, лише тонким шаром газу. Хоча цей шар газу набагато холодніше, ніж іонізована плазма, він, як і ізоляція, дуже не надійний. З цього випливає, що треба виключити можливість роздвоєння дуги при пробої, коли утворюються дуги між катодом і соплом, а також між анодом і соплом. Пробої та подальші роздвоєння дугипорушують режим роботи, є небезпечним для стійкості елементів плазматрону та знижують потужність. Тому основною вимогою під час експлуатації плазматронів прямої дії є виключення пробоїв.
Мал.4. Плазматрон із залежною
дугою (прямої дії),
позначення див. рис. 1.
У металургійній практиці можуть використовуватись такі інертні плазмоутворюючі гази як аргон, азот, водень, гелій, характеристики яких представлені в таблиці 1.
З таблиці 1 випливає, що склад плазмоутворюючої суміші сильно впливає на енергетичні параметри електричного розряду та плазмового струменя. Крім того, необхідно враховувати хімічну дію плазмоутворюючих газів на метал та на процес ерозії катодного матеріалу. Очікується, що в майбутньому будуть широко використовуватися плазмоутворюючі суміші, які з одного боку енергетично вигідніші і з іншого боку менш дефіцитні і дешевші, ніж атомарні гази (аргон, гелій). З таблиці 1 видно, що двоатомні гази мають переваги перед атомарними газами.
Таблиця 1. Характеристики плазмоутворюючих газів
| Параметри | Плазмоутворюючі гази | ||
| аргон | азот | водень | гелій |
| Молекулярна (атомна) маса……… Щільність кг*м-3, за: нормальних умов………………. Т=104 К і р |
0.1 МПа…………………. Питома теплоємність за нормальних умов, кДж/(кг*К-1). Коефіцієнт теплопровідності, Вт*(м*К)-1 за: нормальних умов ……………….. Т=104 К і р
0.1 МПа……………. Електропровідність, см/м-1, при Т=104 К та р
0.1 МПа ………………… Енергія дисоціації, МДж*моль-1 Потенціал іонізації, У: одноразової…………………………. дворазової……………………………. Енергія іонізації,МДж*моль-1 одноразової…………………………. дворазової……………………………. Ентальпія плазми, кДж * моль-1, при: Т = 104 К і р
0.1 МПа………………… Т=1,5*104 К і р
0.1 МПа…………….
* -максимальне значення при Т = 7 * 10 8 До дорівнює 6,08 Вт (м * до)
** -максимальне значення при Т = 3,8 * 10 4 До 13,4 Вт (м * до)
В даний час використовують 2 типи плазмово-дугових печей: з вогнетривкою футеровкою і з водоохолоджуваним кристалізатором. В обох типах плазмово-дугових печей переплав можна здійснити у вакуумі або в регульованій газовій атмосфері.
Плазмово-дугові печі з вогнетривким футеруванням (рис.5) експлуатують як промислово-виробничі агрегати (табл. 2). Найбільші 35-т плазмово-дугові печі, розроблені спільно НДР та СРСР, споруджені з використанням чотирьох плазматронів потужністю 6 МВт кожен. Плазматрони поставлені з обох боків під нахилом. Витрата аргону попри всі працюючі плазматрони становить 45 м 3 /год (22,5 г/с). Витрата води відповідно 167 м-коду 3 /год. Швидкість розплавлення становить 20000 кг/год і витрати електроенергії на розплавлення відповідно 500 кВт*год/т. Вогнетриви витримують близько 150 плавок і плазматрони практично відновлюються через 30 годин. Печі вже кілька років працюють стійко. Їхня експлуатація протікає практично безшумно, що значно полегшує роботу у печей. Річна продуктивність 35 печей - становить 80000 т високолегованої сталі. На підставі досвіду печей місткістю 15 і 35 тНімеччини проводилися дослідження з метою створення більших печей місткістю 65 та 110т.