Плазмотроны

Температура в электрической дуге тем выше, чем больше плотность тока и меньше потерь на излучение. Однако в обычной дуге с увеличением подво­димой мощности тока к электродам одновременно воз­растает сечение дуги, сопротивление уменьшается, а плотность тока стремится остаться постоянной. Стаби­лизация дуги при увеличении мощности в плазмотронах может быть достигнута, в частности, газовым слоем и охлаждаемыми экранами (стенками).

Плазмотроны с независимой (а) и зависимой (б) дугой

Существуют два типа плазмотронов — с независимой и с зависимой дугой (рис. 112). В том и другом плазмо­тронах электрод (обычно вольфрамовый), закрепленный в электрододержателе, помещается в корпус. Разность потенциала от источника постоянного тока .накладыва­ется между электродом (катодом) и корпусом, который одновременно является анодом. Корпус и электрододержатель изолированы друг от друга и оборудованы системой охлаждения. Плазмообразующий газ (аргон, гелий, водород и т. д.) подается между электродом и корпусом, а плазма выдувается через сопло. В плазмо­троне с зависимой дугой напряжение подается также к нагреваемому материалу. Благодаря промежуточно­му сопротивлению параметры плазмы в основном определяются разностью потенциала между электродом и на­греваемым материалом (анодом). В плазмотронах с за­висимой дугой большое количество энергии передается нагреваемому материалу. В связи со стабилизацией дуги холодным газом в ней повышается плотность тока и температура возрастает до 5000—20000° С.

Установки плазменнодугового переплава

Установки, оборудованные плазмотронами, могут быть с водоохлаж­даемыми металлическими кристаллизаторами и с огне­упорной (керамической) футеровкой. Разработанная в институте электросварки им. Е. О. Патона конструкция установки плазменно-дугового переплава (ПДП) схема­тично представлена на рис. 113. Переплавляемый элек­трод размещается вертикально над водоохлаждаемым кристаллизатором, в который и наплавляется слиток. Два или несколько плазмотронов устанавливают вокруг кристаллизатора под углом к нему. Ниже приведена характеристика некоторых из отечественных установок ПДП с водоохлаждаемым кристаллизатором:

таблица

Большинство установок ПДП с керамическим тиглем построено на основе обычных сталеплавильных печей, в которых электроды заменены плазмотронами (рис. 114).

Установка ПДП с охлаждаемым кристаллизатором

В установках ПДП с керамическим тиглем использу­ют плазмотроны с зависимой дугой. В поддоне устанавливают водоохлаждаемые электроды по числу плазмотронов.

Установка ПДП с керамическим тиглемПерспективной может быть установка ПДП на переменном трехфазном токе. В этом случае плазмотрон оборудуют вспомогательным элек­тродом, благодаря которому в плазмотроне дуга горит непре­рывно независимо от направления переменного тока между основными электродами. Мощность, подводимая к вспомогательному электроду, составляет 10—15% от мощности основного электрода.

В установках ПДП как с водоохлаждаемым кристал­лизатором, так и с керамическим тиглем напряжение между электродами в плазмотроне может быть выше напряжения дуг в обычных дуговых электропечах, а рабо­чая сила тока соответственно меньше, что имеет преиму­щества при конструировании и эксплуатации электри­ческого оборудования. В рассматриваемых печах отсут­ствуют ограничения по плотности тока в электродах, и электроды почти не загрязняют металл. При герметиза­ции печи и использовании атмосферы из аргона можно получить сталь высокого качества.

Получение металла на установках ПДП

При ПДП в установке с медным водоохлаждаемым кристаллизато­ром перед началом процесса заготовку подают через люк камеры слитка и специальным захватом подвешива­ют ее над кристаллизатором. Затем откачивают воздух из камеры до 1,3 Па (10-2 мм рт. ст.). После промывки камеры аргоном возбуждают плазмотрон. Процесс ПДП ведут при давлении газа от нормального до избыточного в зависимости от марки стали. В зависимости от марки стали выбирают также тип плазмообразующего газа, в качестве которого используют либо чистый аргон, либо смесь аргона с азотом (при переплаве азотосодержащих сталей), либо смесь аргона с водородом (при переплаве нефлокеночувствительных сталей).

В процессе переплава заготовка непрерывно подает­ся в зону плавления, а слиток вытягивается из кристаллизатора с заданной постоянной скоростью. Уровень жидкой ванны в кристаллизаторе поддерживается посто­янным регулирующим устройством. Все агрегаты уста­новки оборудованы дистанционным управлением.

При переплаве в установках с керамическим тиглем в рабочем пространстве создается высокотемператур­ный, относительно длинный, плазменный шнур, простира­ющийся от плазмотрона, установленного на своде до ванны. Обычно содержание кислорода в печи поддержи­вается низким (иногда < 1 %). Последнее обстоятельст­во обеспечивает более высокое усвоение легирующих примесей из шихты, чем при плавке в открытых дуговых электропечах. Например, усвоение хрома составляет 95—100%. Поэтому при получении стали ПДП можно увеличить долю легированных отходов в шихте.

Вместе с тем в установке ПДП возможны затрудне­ния при форсировании окислительного периода, напри­мер при продувке ванны кислородом, так как вследст­вие интенсивного образования брызг может выйти из строя плазмотрон. По изложенным причинам установки ПДП с керамическим тиглем целесообразно использо­вать для получения легированных сталей и сплавов пе­реплавом шихты с высоким содержанием легированных отходов.

После расплавления и отбора проб металла и шлака часть шлака скачивают и начинают восстановительный период. Технология выплавки при этом аналогична при­меняемой при выплавке стали в открытых электропечах.