Печи цветной металлургии

Плазменные установки

Возможность получения высокой температуры и управ­ления составом газовой среды — основные преимущест­ва плазменного нагрева при получении и плавлении цвет­ных и редких металлов. Это особенно необходимо в металлургии тугоплавких металлов и соединений.

Плазма образуется при про­хождении газа через специальное устройство — плазматрон, где происходит его ионизация и нагрев. В метал­лургии используется низкотемпературная плазма с тем­пературой до 50000 К и небольшой степенью ионизации (~1% ). Выбор газа для получения плазмы определяет­ся требованиями технологического процесса и его энер­гетическими свойствами.

Все технологические процессы можно проводить в га­зовых средах трех типов — восстановительной, окисли­тельной и нейтральной. Для получения восстановитель­ной среды целесообразно применять недорогой и недефи­цитный активный восстановитель — водород. В качестве окислительной среды широкое использование находит кислород. Для получения нейтральной среды применяют дефицитные благородные газы — аргон и гелий — и лишь ограниченно используют азот, поскольку с азотом при высокой температуре некоторые металлы образуют нит­риды. Кроме того, азот нужно тщательно очищать от примеси кислорода, что приводит к его удорожанию.
В отдельных случаях применяются воздух, аммиак. Мо­жет использоваться среда из смеси газов.

Зависимость удельной энтальпии плазмы от темпе­ратуры для различных газов при атмосферном давленииЭнергетические характеристики газов обусловлены способностью их ионизации, теплоемкостью и теплопро­водностью плазмы, ее энтальпией. На рис. 166 приведены зависимости удельной энтальпии ряда газов от темпе­ратуры. Из рис. 166 видно, что при относительно низких температурах идет процесс диссоциации многоатомных газов, а затем с повышением температуры — ступенчатая ионизация с образованием одно-, двух- и более заряд­ных ионов. Образование многозарядных ионов имеет мес­то при температурах выше 30000 К. Водород, гелий и азот имеют наибольшие значения удельной энтальпии, т. е. при одной и той же температуре количество тепла, со­держащееся в единице массы у водорода, гелия и азота больше, чем у других газов. Большая теплопроводность водорода (в 10 раз больше, чем у аргона) делает водород весьма ценной газовой средой, особенно в восстановительных процессах. Вместе с тем ряд металлов с во­дородом образует соединения — гидриды. Это ограничи­вает возможность применения водородной плазмы. Поэтому особую ценность имеет нейтральная среда из ар­гона, гелия. Из-за большой дефицитности гелия он при­меняется редко. В связи с широким использованием ар­гона усиленно развивается попутное его извлечение при получении кислорода и азота. Разрабатываются методы его очистки и регенерации после использования в плазменных устройствах. Что касается энергетических харак­теристик аргона, то они невысокие (низкие значения энтальпии, теплопроводности, теплоемкости). Для улуч­шения энергетических параметров плазмообразующих газов применяют смеси газов (аргон — водород, аргон — гелий, азот — водород и др.).

Дуговые плазматроны и диаграммы падения напря­женияДля получения плазмы используются два типа плазматронов — дуговые,или электродные, и индукционные, или безэлектродные. Дуговые плазматроны в свою оче­редь могут быть двух типов — косвенного и прямого дей­ствия (рис. 167). В плазматронах косвенного действия (рис. 167, а) электрическая дуга горит между электро­дом 1 (катод) и соплом 4 (анод). Плазмообразующий газ подается в пространство между электродом и стенка­ми рабочей камеры 2. Рабочая камера и сопло охлаж­даются водой и электрически изолированы друг от дру­га прокладкой 3. Нагреваемый объект 5 за счет тепло­обмена получает тепло от плазмы. Электропитание дуги осуществляется от источника 6 в большинстве случаев постоянным током, чтобы обеспечить равномерность го­рения дуги. При этом катодом является электрод, а ано­дом — сопло. Такое направление тока позволяет увели­чить срок службы катода, так как на катоде выделяется меньшая мощность, чем на аноде. Кроме того, рекомби­нация ионов происходит на катоде без загрязнения на­греваемого материала. Возможна работа плазматрона и на переменном токе. При этом число устанавливаемых плазматронов в печи часто берется кратным трем (если сеть трехфазная). Потери энергии в плазматроне могут достигать 50—70%. Таким образом, к. п. д. плазматро­на косвенного действия 30—50%.

В плазматронах прямого действия (рис. 167, б) ано­дом служит нагреваемый объект. Это позволяет повы­сить эффективность нагрева и к. п. д. плазматрона до 70—85%. Сопло плазматрона выполняется из меди, об­ладающей высокой тепло- и электропроводностью. За­щита сопла от ядра плазмы осуществляется потоком хо­лодного газа, который в таком состоянии не проводит ток и способствует обжатию струи плазмы. На рис. 167 приведены диаграммы падения напряжения на отдель­ных участках от катода до анода. Помимо падений на­пряжения на катоде и аноде имеет место падение на­пряжения на участках катод — сопло, по длине сопла, а в плазматронах прямого действия еще и на участке сопло — анод. Общее падение напряжения равно напря­жению на дуге.

При недостаточной изоляции в плазматронах прямо­го действия возможен пробой разряда на сопло, тогда вместо дуги I будут гореть две дуги (II/ и III). Это не­желательное явление можно устранить лучшим центри­рованием электрода по отношению к отверстию сопла и уменьшением падения напряжения сопла (Uс). Для стабилизации дуги может применяться магнитное поле, создаваемое вокруг сопла плазматрона.

Электрод плазматрона, охлаждаемый водой, чаще всего делают из тугоплавкого металла (вольфрама, тан­тала, ниобия или молибдена). Для повышения эмиссион­ной способности в материал электрода вводят добавки (окислы тория, иттрия, кальция, церия или бария).

Дуговой плазматрон прямого действия мощностью от 100 до 2000 кВтНа рис. 168 показан дуговой плазматрон на мощность от 100 до 2000 кВт. В нем предусмотрено раздельное водоохлаждение катода 3 и корпуса 5. Плазмообразующий газ подается в зазор между электрододержателем 1 и корпусом и выходит в зазор между катодом и соплом 2. Сопло изготовлено из меди и имеет каналы для охлаж­дения водой. Во избежание двойного дугообразования сопло имеет жаростойкое изолирующее покрытие 4. Плазматрон такого типа с катодом диаметром 12,7 мм и соплом диаметром 19 мм при массовом расходе арго­на 2,5—2,8 г/с имеет силу тока 2—2,5 кА, напряжение 177—165 В и мощность 355—410 кВт, длину дуги 305—760 мм.

Схема высокочастотного индукционного плазматрона и изотермы температурыНа рис. 169 показаны схема высокочастотного ин­дукционного плазматрона и изотермы температур полу­чаемой плазмы. Плазматрон состоит из кварцевой трубы 7 с индуктором 4 вокруг нее. Труба крепится к устройст­ву для подачи газа 2 с по­мощью бронзового зажима 3. Электропитание индуктора осуществляется от лампового генератора переменного тока с частотой 1—40 МГц.

Выбор оптимальной частоты зависит от применяемо­го газа и диаметра кварцевой трубы. В зависимости от рода газа частоту рекомендуется брать равной, МГц: для аргона 1,57; воздуха, азота, кислорода 7,86; гелия 3,93; водорода 39,3.

Диаметр кварцевой трубы выбирают в зависимости от мощности плазматрона. При мощности 5; 10 и 20 кВт применяются трубы диаметром 15—40; 60 и 85 мм со­ответственно.

Первоначально плазму поджигают с помощью гра­фитового стержня 1, опускаемого в зону индуктора. При его разогреве в поле индуктора повышается ионизация газа и загорается плазма 5. Образующийся горячий газ 6 выходит из трубки 7 и используется для нагрева. Види­мую границу плазмы 8 отделяет от стенок трубки более холодный газ. Для лучшего охлаждения стенок газ подается в трубку тангенциально. Такая подача заставля­ет основную массу газа протекать спиралеобразно вдоль стенок трубки, что приводит к более интенсивному охлаждению внутренней стенки кварцевой трубки при минимальном сжатии плазмы и дает возможность увели­чить мощность. Наибольшая температура плазмы по изо­термам находится в центре плазмы (16000 К). По мере удаления от центра температура падает до 5000 К вбли­зи стенок. Преимуществом индукционных плазматронов является большая чистота плазмы. В электродном плазматроне происходит частичное распыление материала катода и возможно некоторое загрязнение нагреваемого объекта.

Плазменная установка для прямого восстановления металла в ду­геНаибольший эффект при применении плазменного на­грева достигается при прямом восстановлении металлов из руд и концентратов. Показана возможность непосред­ственного получения чистых металлов (бериллий, алюми­ний, магний, титан, цирконий, вольфрам и др.), для ко­торых прямое восстановление обычными методами за­труднено или вообще невозможно. На рис. 170 показана установка для прямого восстановления металла в дуге высокой интенсивности. Она состоит из камеры, в кото­рую помещены два электрода. Катодом 2 служит обыч­ный графитовый стержень с механизмом подачи 11. Анодом 3 служит обрабатываемый материал с механизмом подачи и вращения 9. Анод изготавливается из смеси окислов и графита. Графит добавляется для увеличения электропроводности анода. В других случаях в качестве анода применялся стержень, состоящий из графитовой оболочки, в которую постоянно подается сырой концентрат. В камере поддерживается необходимая атмосфера и давление. При получении хлоридов и нитри­дов в камеру подается хлор и азот. Реакционная камера установки непосредственно связана с холодильной каме­рой 6 и фильтром. Быстрое охлаждение продуктов реак­ции необходимо для того, чтобы не успевала протекатьобратная реакция. Параметры установки для обработки окиси бериллия следующие: диаметр анода 50 мм, ток дуги 750 А, напряжение на дуге 80 В.

Плазменный нагрев может быть использован в печах для плавления металла. Плазменная дуговая печьНа рис. 171 показана печь, на­поминающая обычную дуговую, в которой электроды за­менены одним или несколькими плазматронами прямого действия 1, работающими на аргоне. В подине вмонтиро­ван заподлицо с ее внутренней поверхностью подовый во­доохлаждаемый электрод 4. Для перемешивания ме­талла установлен соленоид 3. Для герметизации печного пространства свод печи имеет песочный затвор 2. Такие печи имеют высокую стабильность электрического режи­ма (колебание силы тока ±2%, в дуговых печах — до 50%) и большую скорость процесса. В них отсутствуют короткие замыкания. Значительное снижение содержа­ния примесей и газов в переплавленном металле, кото­рый по своим свойствам превосходит металл, получен­ный в вакуумной индукционной печи.

Повысить к. п. д. печи, увеличить срок службы футе­ровки и снизить расход воды на охлаждение плазматрона можно установив плазматроны на боковых стенах под углом 45°.

Другой разновидностью плавильной печи является печь для плавки в водоохлаждаемый кристаллизатор, схема которой показана на рис. 172. Несколько плазматронов 3 располагаются в камере 2 радиально под углом к вертикали. Переплавляемый слиток 1 помещается вер­тикально над кристаллизатором. Слиток вращается во­круг вертикальной оси и опускается. Печь для плавки в водо­охлаждаемый кристаллизаторПлазменная струя плавит слиток и нагревает ванну металла в кристалли­заторе 5. Закристаллизовавшийся слиток постепенно опускается с помощью механизма вытягивания 6.

В печах такого типа обеспечиваются широкое регу­лирование скорости переплава, более высокая степень перегрева металла выше температуры плавления. Созда­ние плоской металлической ванны улучшает структуру получаемых слитков.

Высокочастотные индукционные плазматроны имеют небольшую мощность, ограниченную мощностью высоко­частотных генераторов. Они применяются для плавки сверхчистых тугоплавких металлов, большей частью по­рошкообразных, а также для выращивания монокристал­лов тугоплавких металлов и окислов по методу Вернеля. Схема установки для получения монокристаллов пока­зана на рис. 173, а. Установка для получения монокристалловРост монокристаллов происходит при подаче нагретого порошка на оплавленную поверхность кристалла 8. Порошок материала из питателя 3 по ма­гистрали 4 поступает в зону высокой температуры плаз­мы. Детали устройства высокочастотной горелки пока­заны на рис. 173, б. Нагрев газа производится горизон­тальным спиральным индуктором 7. Концентрически расположенные кварцевые трубки 12 предназначены для подачи порошка (внутренняя трубка), для подачи плаз­мообразующего газа (средняя трубка). В зазор между внешней и второй трубкой подается защитный газ. По мере роста кристалла он постепенно опускается вниз со скоростью несколько сантиметров в час.

Известны и другие направления использования плаз­мы. Ее применяют при нанесении металлических покры­тий, получении тонкодисперсных металлических порош­ков путем испарения и конденсации металла, синтезиро­вании различных тугоплавких соединений металлов и т. д. Есть все основания полагать, что применение плазмы в металлургии цветных металлов будет и дальше расширяться.

Все рубрики