Электротехнологические установки (стр. 19 из 32)
dUист/dI < dUд/dI,
здесь (Uист - статическое напряжение источника питания; Uд - статическое напряжение дуги.
Для устойчивой работы плазмотрона с падающей ВАХ необходимо иметь крутопадающую внешнюю характеристику источника питания. Это требование усиливается необходимостью строгого поддержания заданной мощности в технологическом процессе, что также требует жесткой стабилизации тока. Поэтому для питания плазмотронов используют следующие типы источников питания с крутопадающей внешней характеристикой: 1) источники на базе управляемого выпрямителя с автоматической стабилизацией тока; 2) установки с дросселями насыщения и магнитоуправ-ляемыми трансформаторами; 3) параметрические источники тока, работающие на принципе резонанса напряжения в трехфазных электрических цепях.
Источник первого типа изготовляют индивидуально к каждой плазменной технологической установке, содержащей мощные высоковольтные плазмотроны; они включаются в общую схему автоматического управления технологическим процессом.
Источники второго и третьего типов стандартные и применяются для питания низковольтных плазмотронов, используемых в технологических процессах плазменного напыления, наплавки, резки, сварки, переплава металла и другие. Нелинейный характер ВАХ дуги приводит к возникновению высокочастотных колебаний, которые могут проникать в питающую сеть и отрицательно влиять на работу других потребителей. Поэтому для создания источников питания первого типа применяется схема со сглаживающим дросселем в цепи дуги (рис. 8.12). Сглаживающий дроссель в цепи дуги в значительной степени сужает частотный спектр возмущений, влияющих на электрическую систему в целом.
Зажигание дуги в плазмотронах производится путем пробоя межэлектродного промежутка осциллятором.
В плазмотронах с секционированным выходным электродом во время запуска анодную цепь питания подключают к первой, ближней к катоду секции, а затем по мере развития дуги последовательно переключают вниз по потоку плазмы и устанавливают на последнем аноде.
Рис. 8.13. Принципиальная схема ВЧИ-установки, работающей на частоте 1,76 МГц:
1 - анодный трансформатор; 2 - анодный выпрямитель
Высокочастотные плазменные установки питаются от ламповых преобразователей частоты. Принципиальная схема одного из них показана на рис.
8.13. Установка ВЧИ-63/1,76-ИГ-Л01 мощностью 103 кВт с частотой тока 1,76-2,5 МГц включает в себя анодный трансформатор с напряжением 0,38/1,4 кВ, анодный выпрямитель на тиратронах с напряжением 10,5 кВ и рассчитана на анодный ток 8 А и колебательную мощность 63 кВт. Колебательный контур, являющийся основной нагрузкой лампового генератора, образован эквивалентной индуктивностью плазмотрона L8 и емкостью С7. Генераторная лампа является основным элементом источника питания, определяющим его КПД на уровне 0,6-
0,7 и срок службы порядка 2000 ч.
8.3. Плазменные плавильные установки
Существует два основных направления использования плазмы в металлургии:
1) интенсификация известных процессов плавки с помощью плазменного подогрева или замены в металлургических агрегатах прежних источников теплоты плазменными;
2) создание принципиально новых металлургических агрегатов, а также плазмотехнологических процессов.
Существует несколько типов установок для обработки и получения металлов с помощью плазмотронов.
Наиболее перспективны те из них, в которых применяются плазмотроны прямого действия (анодом является ванна расплавленного металла). На этой схеме основаны плазменно-дуговые печи (ПДП) для выплавки и переплавки высококачественных металлов.
Плавка плазменной дугой в плазменных печах аналогична вакуумно-дуго-гой плавке с нерасходуемым вольфрамовым электродом, но плазменная дуга имеет существенные преимущества перед вакуумной: лучшая жесткость и стабильность дуги, большая длина дуги, предохранение металла от загрязнения вольфрамом электрода, более высокие напряжение и мощность.
Состав плазменной струи может задаваться по-разному, что позволяет поддерживать в печи практически любую атмосферу. Поскольку парциальные давления кислорода, водорода и азота в плазменной печи, работающей на инертном газе, невелики, то условия дегазации жидкого металла в ПДП приближаются к условиям дегазации в вакуумных печах, оборудованных сложными и дорогостоящими вакуумными системами. В отличие от вакуумной индукционной, дуговой и электронной плавки при плавке в ПДП наблюдается меньшее испарение ценных компонентов расплава, а применение плазмотронов позволяет получить высокие, легко регулируемые температуры и решить проблему стабильности и регулирования параметров процесса.
Плазменные и дуговые печи могут быть двух типов: плавильная печь с огнеупорной футеровкой и печь для переплава с водо-охлаждаемым кристаллизатором (глухим или с вытягиванием слитка).
Рис. 8.14. Схема плазменной печи с керамическим тиглем:
а - с одним плазмотроном в своде; б - с плазмотронами, установленными в
стенках; 1 - кожух; 2 — футеровка; 3 - свод; 4 - плазмотрон; 5 - подовый электрод
При выплавке металла в ПДП с огнеупорной футеровкой (рис. 8.14) форма печи и материал огнеупорной футеровки идентичны форме и материалу обычной дуговой печи. Водоохлаждаемый медный анод - подовый электрод 5 монтируется заподлицо с подиной и контактирует с переплавляемым металлом. Камера печи, из которой откачан воздух, заполняется вытекающим из плазмотрона 4 газом, и после достижения определенного давления начинается процесс плавки.
Плазменная дуга вначале проплавляет в шихте узкий канал, и стекающий вниз жидкий металл скапливается на подине ванны, после чего расплавляется весь металл. Дегазация и рафинирование металла особенно интенсивно происходят на поверхности ванны в месте контакта жидкого металла с высокотемпературной струей. Для плавки применяются плазмотроны постоянного и переменного токов различных мощностей. Промышленные печи СССР и ГДР емкостью 5, 10 и 30 т оснащены плазмотронами постоянного тока, работающими на прямой полярности. Наиболее ответственными и теплонапряженными деталями плазмотрона являются катод 2 и сопло 3, через кольцевой зазор между которыми вытекает плазмообразующий газ. При запуске печи первичная дуга зажигается осциллятором между катодом и соплом и затем сносится газом до
соприкосновения с металлом печи. После этога пусковая дуга отключается и горит только рабочая дуга между катодом и расплавом в потоке плазмы. Длина дуги, а следовательно, напряжение на ней определяются размерами и конструкцией печи (а не плазмотрона), поэтому для плазмотрона существует один рабочий параметр - ток дуги. Некоторые данные по плавильным плазмотронам приведены в табл. 8.1.
Катоды изготовлены из торированного или лантанированного вольфрама. Прочие конструкции плавильных плазмотронов имеют дополнительные каналы для подачи в плавильное пространство других газов, необходимых для металлургического процесса. Напряжение на дуге 150-660 В, вводимая мощность в период расплава равна 12-15 МВт, удельный расход энергии составляет 625 кВт·ч/т.
Таблица 8.1
| Параметры | Режим |
| Ток, А Диаметр катода, мм Расход аргона, л/с | 800 2000 4000 5000 10000 5-6 10-12 18-20 24-25 48-50 1 2 3 4 6 |
При плазменно-дуговом переплаве с целью получения особо чистых металлов используются ПДП с кристаллизаторами (рис. 8.16).
Рис. 8.16. Схема печи для плавки в кристаллизаторе:
1 - слиток; 2 - кристаллизатор; 3 - корпус печи; 5 - плазмотрон; 4 - корпус печи; 5 - механизм подачи и вращения заготовки; 6 - переплавляемая заготовка; 7 - источник питания; 8 - механизм вытягивания слитка
Переплавляемый металл в виде штанги 6 с сечением любой формы подается с постоянной скоростью и оплавляется одной или несколькими плазменными дугами. Анодом в этом случае является поверхность ванны жидкого металла в кристаллизаторе. Стекающий со штанги металл прогревается плазменной струей и растекается по поверхности ванны. В контакте с газовой атмосферой металл рафинируется и затем затвердевает и вытягивается в виде слитка. Рабочее давление в этих печах может изменяться в широких пределах от избыточного (1÷3)105Па до пониженного 1- 10 Па. По сравнению с печами других типов плазменные печи обладают рядом преимуществ: хорошая поверхность слитков; незначительная потеря металлом легирующих компонентов (Сr, Аl, Ti, Мn, Si и