Плазменные печи (стр. 2 из 3)
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 Ризл.:Ри:Рт=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
| Страна | Вместимость, кг | Глубина металла мм | Диаметр ванны, мм | Высота мм | Мощность кВт | Сила тока, кА | Напряжение дуги, В |
| СНГ | 300 30000 | 130 - | 640 - | 390 - | 300 До 24000 | 2 - | 50-150 - |
| Германия | 250 15000 35000 | 160 550 - | 510 2900 - | 470 1400 - | 3×100 3×4000 4×6000 | - 6 9 | - до 700 до 700 |
| США | 23 136 900 | - 150 - | 305 560 1525 | 205 - 1525 | - 120 - | 0,5-0,6 1,5 2,5 | 110 - 160-177 |
Плазменно-дуговые печи с кристаллизатором
Плазменно-дуговые печи с кристаллизатором имеют большие перспективы, так как плазменный нагрев успешно применяется как при переплаве высококачественных сталей и сплавов, так и тугоплавких металлов. В водоохлаждаемом кристаллизаторе непосредственно получается слиток. Процесс хорошо регулируется в широких пределах скорости переплава, печное устройство сравнительно простое. Эти печи используют при пониженном, нормальном и повышенном давлении. Слитки производят массой от 100 кг до 5 тонн (табл.3).Путём изменения скорости вытягивания слитка можно создать различные условия кристаллизации и перегрева жидкого металла. Регулированием атмосферы печи легко осуществить различные технологические операции (дегазацию, азотирование, и т.д.). Такие печи строят в двух вариантах: с боковой подачей шихты (рис.5а) и с центральной подачей шихты (рис.5b).Строят так же печи с горизонтальными кристаллизаторами. Из-за отсутствия огнеупорной футеровки обслуживание этих печей облегчается, но энергетические показатели их хуже, чем в печах с футеровкой. К подготовке шихты здесь так же предъявляются более высокие требования. Но из-за отсутствия огнеупорной футеровки можно плавить металлы, температура расплавления которых превышает температуру эксплуатации огнеупоров. Одним из преимуществ таких печей является возможность выплавления слитков весьма высокой чистоты.
Таблица 3. Характеристика плазменно-дуговых печей с кристаллизатором конструкции института электросварки им. Патона
| Параметры | Тип печи | ||||
| У-365 | У-487 | У-400 | У-500 | У-555 | |
| Мощность плазматронов, кВт…… Число плазматронов….. Мощность вспомогательного оборудования, кВт….. Напряжение питания, В…… Максимальная масса слитка, кг… Максимальная длина слитка, кг… Макс. диаметр слитка, мм……. Макс. длина переплавляемой заготовки, мм…. Скорость вытягивания слитка, мм*мин-1.. Высота установки, мм……… | 240 6 18,5 - 130 150 950 1500 1-40 3550 | 240 6 29 80 170 1200 150 2000 1,5-15 7600 | 240 6 32 - 380 1000 250 2000 1,5-15 10350 | 2000 6 35 - 3500 1500 630 3000 1,5-15 10000 | 2800 6 35 До 200 5000 2100 630 3500 1,5-15 11500 |
Особенности тепловой работы. Теплообменные условия характеризуют теплопередачу от плазменной дуги в рабочее пространство ПДП: на боковую поверхность футеровки происходит, в основном излучение (до 85-95% всего теплового потока) от плазменной как линейного высокотемпературного (100000-25000 К) излучателя; на ванну в зоне анодного пятна поступает 35-50% тепла в результате конвективного переноса плазмы из столба дуги.
Рис.5. ПДП с водоохлаждаемым кристаллизатором:
а- боковая подача шихты; b-центральная подача шихты;
1- плазматрон; 2- шихта; 3-кристаллизатор
Тепловая мощность, передаваемая металлу в анодном пятне, Ра зависит от силы тока и длины дуги, когда закончено формирование конического участка столба со стороны катодного пятна. По данным М.М. Крутянского:
Pa, max=0.4PД, при lДmax= (4÷5) Dст,
где Dст – 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. hгор=0,5lД.
Неравномерность облучения свода зависит не только от длины дуги lД, но и от высоты расположения свода. Поэтому при конструировании ПДП необходимо выбирать рациональное соотношение (hcn/Do)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 РД складывается из мощности, передаваемой ванне в анодном пятне Ра, мощности, выделяемой в столбе дуги Рст и мощности, выделяемой в катодной области Рн. Как уже отмечалось мощность Ра полностью поглощается металлом и не зависит от геометрических размеров рабочего пространства ПДМ. Мощность Рн составляет 1-2% от величины РД и её значением можно пренебречь. Поэтому мощность передаваемая плазменной дуге на ванну Рв=Ра+xРст, 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 lд/Do 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 lрацд»2lдmax , при котором мощность Рв максимальная и составляет от всей мощности дуги 42-45%;
2) наибольшее отношение Рв/Рд, равное 56%, достигается при наиболее короткой дуге, равной lд=lдmax . Однако меньшее напряжение дуги в этом случае является причиной абсолютного снижения мощности Рn;
3) чрезмерное удлинение дуги (lд>2lдmax) приводит к резкому снижению Pn , несмотря на соответствующее увеличение Uд (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 Рд, которую можно получить от источника питания.
Геометрические размеры свободного пространства согласуют с выбранным lдрац. или заданным значением (по электрическим условиям) длины дуги, чтобы высота стены, определяющая расположение пят свода, соответствовала условию: hcткр<hст<hстравн, где hcткр - наименьшая допустимая высота расположения свода, при которой происходит равнозначное облучение плазменными дугами футеровки свода и стены в «горячем поясе».
Условие hстравн<hст при данной длине дуги lд 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 lдрац , зависящая от силы тока, при которой происходит наиболее эффективна передача тепла от плазменной дуги к ванне т.е. Pв 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 lдрац.
Электротехническим недостатком ПДП является снижение Uд 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.