Плазменная печь

Электрическая печь для нагрева, плавки и металлургической переработки металлов и сплавов, в которой источником тепла служит плазма, получаемая с помощью плазматронов. Дуговой плазматрон постоянного тока состоит из следующих основных узлов: одного (катода) или двух (катода и анода) электродов, разрядной камеры и узла подачи плазмообразующего вещества; разрядная камера может быть совмещена с электродами — так называемыми плазматронами с полым катодом. (Реже используются дуговые плазматроны, работающие на переменном напряжении; при частоте этого напряжения 105 гц их относят к ВЧ плазматронам.) Существуют дуговые плазматроны с осевым и коаксиальным расположением электродов, с тороидальными электродами, с двусторонним истечением плазмы, с расходуемыми электродами и т.д. Отверстие разрядной камеры, через которое истекает плазма, называется соплом плазматрона (в некоторых типах дуговых плазматронов границей сопла является кольцевой или тороидальный анод). Различают две группы дуговых плазматронов — для создания внешней плазменной дуги (обычно называется плазменной дугой) и плазменной струи. В плазматронах 1-й группы дуговой разряд горит между катодом плазматрона и обрабатываемым телом, служащим анодом. Эти плазматроны могут иметь, как только катод, так и второй электрод - вспомогательный анод, маломощный разряд на который с катода (кратковременный или постоянно горящий) «поджигает» основную дугу. В плазматронах 2-й группы плазма, создаваемая в разряде между катодом и анодом, истекает из разрядной камеры в виде узкой длинной струи.

Стабилизация разряда в дуговых плазматронах осуществляется магнитным полем, потоками газа и стенками разрядной камеры и сопла. Один из распространённых способов магнитной стабилизации плазменноструйных плазматрон с анодом в форме кольца или тора, коаксиального катоду, состоит в создании (с помощью соленоида) перпендикулярного плоскости анода сильного магнитного поля, которое вынуждает токовый канал дуги непрерывно вращаться, обегая анод. Поэтому перемещаются по кругу анодные и катодные пятна дуги, что предотвращает расплавление электродов (или их интенсивную эрозию, если они выполнены из тугоплавких материалов).

К числу способов газовой стабилизации, теплоизоляции и сжатия дуги относится так называемая «закрутка» — газ подаётся в разрядную камеру по спиральным каналам, в результате чего образуется газовый вихрь, обдувающий столб дуги и генерируемую плазменную струю: слой более холодного газа под действием центробежных сил располагается у стенок камеры, предохраняя их от контакта с дугой. В случаях, когда не требуется сильного сжатия потока плазмы (например, в некоторых плазматронов с плазменной дугой, используемых для плавки металла, стабилизирующий газовый поток не закручивают, направляя параллельно столбу дуги, и не обжимают соплом (катод располагают на самом срезе сопла). Очень часто стабилизирующий газ одновременно является и плазмообразующим веществом. Применяют также стабилизацию и сжатие дуги потоком воды (с «закруткой» или без неё).

Различают плазменнодуговые (ПДП) и плазменные высокочастотные (ПВП) печи.

Рис. 5.4. Подовая плазменнодуговая печь:

1— плазматрон; 2 — электрод; 3 — отверстие с крышкой

Известны 2 основных типа ПДП: подовые (или тигельные) печи периодического действия и печи с кристаллизатором полунепрерывного действия. Подовая ПДП (рис. 5.4) по форме ванны и футеровочным материалам не отличается от обычной дуговой печи того же назначения. Для отбора проб по ходу плавки, замера температуры металла, присадки легирующих добавок, раскислителей и шлакообразующих материалов в своде или корпусе печи имеется одно или несколько отверстий с водоохлаждаемыми крышками. Уплотнение технологических отверстий обеспечивает поддержание в печи избыточного давления плазмообразующего газа. В ПДП катодом дугового разряда постоянного тока служат катоды одного или нескольких плазматронов (чаще всего из вольфрама или специального тугоплавкого сплава), а анодом — обрабатываемый металл в ванне печи. Ток, проходящий через металл, отводится установленным в подине печи так называемым подовым электродом (как правило, водоохлаждаемым). Дуга в ПДП обдувается прямым или завихрённым потоком инертного газа (обычно аргона); это, во-первых, стабилизирует дугу и повышает её температуру до 10 000—20 000 К и, во-вторых, создаёт над выплавляемым металлом (сплавом) нейтральную атмосферу. ПДП применяют для производства особо ответственных сталей и специальных сплавов.

Рис. 5.5. Высокочастотная плазменная печь:

1 — запальный электрод; 2 — подача газопорошковой смеси; 3 — герметичная камера; 4 — плазма; 5 — индуктор; 6 — выращиваемый кристалл.

В ПДП с кристаллизатором переплавляемые заготовки по схеме института электросварки АН УССР располагаются вертикально (рис. 5.6, а), а по схеме института металлургии АН СССР — горизонтально (рис. 5.6, б) с подключением к ним в случае надобности дополнительного питания переменным током. Возможна подача вместо компактных заготовок мелкофракционного материала. В камере печи поддерживается избыточное давление (обычно небольшое, но возможно его повышение до нескольких десятков атм. Процессом кристаллизации слитка в ПДП можно управлять в более широких пределах по сравнению с вакуумной дуговой и электрошлаковой печами благодаря раздельному регулированию скорости плавления и мощности теплового потока дуги.

Для плавки газонасыщенных материалов, обеспечивающей их дегазацию, применяют ПДП низкого давления (103—0,10 н/м2, или 10-2—10-6 кгс/см2); они используются вместо более дорогих и сложных электроннолучевых печей.

В ПВП (рис. 5.5) плазма вследствие особенностей устройства плазматрона не содержит частиц вещества электродов и является более чистой; поэтому печи такого типа чаще применяют для выращивания монокристаллови переработки чистых веществ.

Рис. 5.6. Плазменнодуговые печи с кристаллизатором:

а — вертикальное расположение заготовок, б — горизонтальное;

1 — плазматрон; 2 — переплавляемый металл.

Дата добавления: 2015-07-25