Плазматроны переменного тока
Плазматроны переменного тока также находят применение в металлургии, хотя они и требуют особых дополнительных условий для обеспечения устойчивости дуги. Основные требования к плазмотронам переменного тока:
1. Материал электродов должен способствовать легкому и быстрому восстановлению дуги после каждого перехода через нуль. Для этого электроды изготовляют из вольфрама с добавками тория, лития и других элементов, снижающих работу выхода электронов. Графитовые электроды используют редко из-за высокой эрозии и низкой плотности тока.
2. Дуга наиболее устойчива в среде чистого аргона, добавки молекулярных газов (особенно, водорода) приводят к ее дестабилизации. Для стабилизации дуги используют различные приемы, например, вспомогательную дугу постоянного тока, чтобы в дуговом промежутке был постоянно резерв ионов и электронов.
3. Напряжение горения и зажигания дуги возрастают с увеличением давления и скорости газа.
4. В целом напряжение дуги в плазматроне переменного тока выше, чем в плазматроне постоянного тока, т.к. в результате периодического прерывания дуги и остывания газа температура столба уменьшается, а градиент потенциала в столбе возрастает.
Существует и ряд нерешенных проблем, ограничивающих применение плазмотронов этого типа. Основные из них:
1. Проблема устойчивости и непрерывности дуги переменного тока.
2. Проблема эрозии вольфрамового катода.
В настоящее время плазматроны используют в качестве источника нагрева на печах с керамическим тиглем и в переплавных установках с водоохлаждаемым кристаллизатором.
2.4.3. Плазменная плавка стали в печи с керамическим тиглем
Элементы конструкции плазменных печей ПП
Плазменные печи с керамическим тиглем по форме печного пространства подобны ДСП (рис. 2.22). В большинстве случаев они работают с плазмотронами постоянного тока и подовым электродом в днище тигля. Подовый электрод служит для подвода тока к ванне.
Рис. 2.22. Схема плазменно-дуговой электропечи с керамическим тиглем:
1 — плазматрон; 2—подовый электрод; 3 — индукционная катушка для перемешивания металла; 4 — песочный затвор; 5 — газонепроницаемая крышка выпускного отверстия
С целью предупреждения загрязнения печной атмосферы печь уплотняется с помощью лабиринтного песочного затвора. Выпускное отверстие печи во время плавки герметично закрывают крышкой.
В зависимости от вместимости и мощности ПП могут иметь один или несколько плазматронов. При использовании одного плазматрона его укрепляют вертикально на своде, как на рис. 2.22. Несколько плазматронов располагают вертикально в своде или наклонно в боковых стенках. При питании печей трехфазным током подовый электрод в ванне подсоединяется к нулевой фазе электрической схемы, а количество плазматронов кратно трем.
При вертикальном расположении плазматронов - тепловая нагрузка на футеровку более равномерная, проще конструкция узла уплотнения, меньше габариты печи. В то же время затруднена смена поврежденного плазматрона без остановки печи, кроме того, при использовании нескольких плазматронов постоянного тока происходит электродинамическое взаимодействие дуг, что при определенных условиях приводит к нарушению стабильности горения плазменной дуги.
При наклонном расположении плазматронов - электродинамическое взаимодействие дуг практически отсутствует, возможна быстрая замена поврежденного плазматрона в процессе плавки (без отключения печи). В то же время футеровка стен вблизи места ввода плазматронов подвергается высоким тепловым нагрузкам, а также несколько увеличиваются габариты печи.
Плазматроны печей снабжены механизмами перемещения, позволяющими менять длину дуги между электродом и расплавленным металлом.
Технология плавки
Процесс ПП предусматривает расплавление предварительно загруженной в печь шихты, выдержку жидкого металла до достижения заданной степени рафинирования и выпуск. Технология плазменной плавки в печах с керамическим тиглем близка к технологии плавки в ДСП, но есть и свои особенности.