Плазменные печи
Общая характеристика
Работа плазменных печей(установок плазменного нагрева) основана на использовании газоразрядной плазмыв качестве теплоносителя. Достаточная электрическая проводимость плазмыобеспечивает преобразование электрической энергии в тепловую за счет токовпроводимости Iпр. подводимых через электроды(кондукционный способ) или возбуждаемых переменным электромагнитным полем(индукционный способ). Поскольку формирование плазмы связано с эндотермическимипроцессами диссоциации и ионизации газов, плазма характеризуется достаточновысоким энергосодержанием, позволяющим использовать её в энергоёмких пирометаллургическихпроцессах, в том числе для плавки высоколегированных сталей и сплавов, прямоговосстановления металлов из руд и получения ферросплавов.
Плазмотрон – устройстводля преобразования электрической энергии источника питания в тепловую энергиюструи (потока) плазмы, т.е. плазменный генератор. В зависимости от способапреобразования электрической энергии в тепловую различают плазмотроны: дуговые,индукционные (высокочастотные) и электронные (сверхвысокочастотные).
Наибольшеераспространение получили дуговые плазматроны, в которых возможно достижениетемпературы плазмы порядка 10000 К путём сжатия столба дуги стенками канала(гидродинамическое сжатие), газовым потоком (аэродинамическое сжатие) иливнешним магнитным полем (электромагнитное сжатие). Для получения дуговогоразряда можно применить как постоянный, так и переменный ток. Стремясь получитьстабильную работу плазматрона, чаще всего используют постоянный ток во избежанииобрыва дуги при переменном токе. Различают плазматроны с независимой дугой(косвенного действия) и с зависимой дугой (прямого действия). Выбор схемыработы плазмотрона зависит от назначения печи и необходимых требований поэффективности её работы
Принцип работыплазматрона косвенного действия
Принцип работыплазматрона косвенного действия используют в тех случаях, когда замкнутьэлектрическую цепь между электродом плазматрона и нагреваемым материаломнельзя. Схема такого плазматрона показана на рис.1. Вокруг водоохлаждаемогокатода 1 находится водоохлаждаемый корпус 3. В щель между катодом и корпусомподают плазмообразующий газ 2. Корпус отделяют от водоохлаждаемого сопла- анода6 изоляционные вставки 4. Катод и анод соединяют электрической сетью 9.Междукатодом и анодом зажигается электрическая дуга 5. Дуга ионизирует плазмообразующийгаз главным образом путём термической ионизации. Конструктивное оформление катодно-анодногоучастка выполнено так, что дуга сжимается относительно холодными слоями газа исобственным магнитным полем дуги. Это противодействие расширению площади дуги(как это наблюдается при свободно горящей дуге) и повышает плотность тока вдуге.
Все элементы плазматронаохлаждаются водой, поэтому часть тепла, которая выделяется в горящей дуге,передаётся системе охлаждения, в следствии чего КПД плазмотрона сравнительноневысок. Его можно повысить расходом плазмообразующего газа Qv (рис.2), однако при этом падаетсредняя температура струи плазмы, выходящей из сопла плазматрона. Среднюютемпературу плазмы можно повысить увеличением подводимой мощности P (рис.3). Нелинейность повышениятемпературы при этом, в первую очередь, объясняется повышением теплопроводностии излучения столба плазмы.
/>Одним изнедостатков плазматронов с независимой дугой является высокая тепловая нагрузкав месте анодного тепла, что может привести к разрушению материала анода.Поэтому иногда на анод устанавливают магнитную катушку, которая своим полемвращает анодное пятно по поверхности анодного сопла, что увеличивает времяслужбы плазматронов.
Рис. 1.Плазматрон снезависимой дугой (косвенного действия):
1- катод; 2-плазмообразующий газ;3- водоохлаждаемый корпус; 4- электрическая дуга;5-изоляционная вставка; 6- водоохлаждаемый анод; 7-плазменная струя; 8-нагреваемый материал; 9-электрическая сеть
/> />
Рис. 2.Зависимостьк.п.д. Рис. 3. Зависимость средней
плазматрона косвенноготемпературы плазменной
действия от расходааргона струи от подводимой мощности
Таким образом, дляправильного конструирования плазматронов необходимо знать их вольт- амперныехарактеристики, от которых зависят размеры рабочих частей плазматрона, вид ирасход плазмообразующего газа, длину дуги и другие параметры.
Принцип работыплазматрона прямого действия
В настоящее время дляметаллургических целей, особенно для переплава металла, применяют мощныеплазматроны, работающие с зависимой дугой (рис. 4). При помощи такихплазматронов можно достичь гораздо большей мощности, чем при использованииплазматронов косвенного действия. Надо однако учитывать, что при этомконструкция должна выдерживать более высокие тепловые нагрузки во всех основныхчастях плазматрона. Высокая концентрация тепловой энергии достигается дросселированиемэлектрической дуги с помощью сопла. Сопло одновременно стабилизирует дугу. Прииспользовании таких плазматронов 75% передаётся материалу электрической дугой илишь 25% потоком плазмы. Дросселирование столба дуги повышает плотность тока,концентрацию энергии и напряжение дуги, что в свою очередь повышает температурувыходящего из плазматрона потока плазмы до 16000 К и выше, тогда когда уплазматрона косвенного действия эта температура не превышает 5500 К.
Одной из важныххарактеристик мощных плазматронов прямого действия является восходящая вольт –амперная характеристика, что позволяет повышать ток дуги и напряжение междукатодом и анодом. Это значительно увеличивает мощность плазматронов данноготипа. Сейчас имеются плазматроны прямого действия, которые имеют мощности свыше6 МВт, работающие на напряжении 700 В с током до 9 кА.
На рисунке 4 видно, чтохарактер образования столба дуги значительно отличается от него же вплазматроне косвенного действия. Столб дуги здесь на много длиннее, что существенновлияет на распределение напряжения. Из рисунка 4 так же видно, столб дуги всопле изолирован от хорошо проводящего материала сопла лишь тонким слоем газа.Хотя этот слой газа на много холоднее, чем ионизированная плазма, он, как иизоляция, весьма не надёжен. Из этого следует, что надо исключить возможностьраздвоения дуги при пробое, когда образуются дуги между катодом и соплом, а также между анодом и соплом. Пробои и последующие раздвоения дуги нарушают режимработы, являются опасным для стойкости элементов плазматрона и снижаютмощность. Поэтому основным требованием при эксплуатации плазматронов прямогодействия является исключение пробоев.
/>
Рис.4. Плазматрон сзависимой
дугой (прямогодействия),
обозначения см. рис.1.
Плазмообразующие газы
В металлургическойпрактике могут использоваться такие инертные плазмообразующие газы как аргон,азот, водород, гелий, характеристики которых представлены в таблице 1.
Из таблицы 1 следует, чтосостав плазмообразующей смеси сильно влияет на энергетические параметрыэлектрического разряда и плазменной струи. Кроме того, необходимо учитыватьхимическое воздействие плазмообразующих газов на металл и на процесс эрозиикатодного материала. Можно ожидать, что в будущем будут широко использоватьсяплазмообразующие смеси, которые с одной стороны энергетически более выгодны и с другой стороны менеедефицитны и более дешевы, чем атомарные газы (аргон, гелий). Из таблицы 1видно, что двухатомные газы имеют преимущества перед атомарными газами.
Таблица 1.Характеристики плазмообразующих газовПараметры Плазмообразующие газы аргон азот водород гелий
Молекулярная (атомная) масса………
Плотность кг*м-3, при:
нормальных условиях………………...
Т=104 К и р~0.1 МПа………………….
Удельная теплоёмкость при нормальных условиях, кДж/(кг*К-1)...
Коэффициент теплопроводности, Вт*(м*К)-1 при:
нормальных условиях ………………..
Т=104 К и р~0.1 МПа……………........
Электропроводность, см/м-1, при Т=104 К и р~0.1 МПа …………………
Энергия диссоциации, МДж*моль-1
Потенциал ионизации, В:
однократной…………………………...
двукратной…………………………….
Энергия ионизации, МДж*моль-1
однократной…………………………...
двукратной…………………………….
Энтальпия плазмы, кДж*моль-1, при:
Т=104 К и р~0.1 МПа…………………
Т=1,5*104 К и р~0.1 МПа…………….
39,940
1,78
0,048
0,52
0,0163
0,42
3650
15,76
27,7
1,50
2,65
6,15
34,6
28,016
1,25
0,018
1,04
0,0243
2,63*
2740
0,72
14,53
29,6
1,40
2,83
50,3
121,5
2,016
0,084
-
14,2
0,174
3,45**
1400
0,43
13,595
-
1,35
460,9
1383
4,002
0,178
-
5,26
0,151
2,29
6300
-
24,59
54,38
2,36
6,22
49,9
74,4
* -максимальное значениепри Т=7*108 К равно 6,08 Вт (м*к)
** -максимальное значениепри Т=3,8*104 К равно13,4 Вт (м*к)
В настоящее времяиспользуют 2 типа плазменно-дуговых печей: с огнеупорной футеровкой и сводоохлаждаемым кристаллизатором. В обоих типах плазменно-дуговых печейпереплав можно осуществить в вакууме или в регулируемой газовой атмосфере.
Плазменно-дуговые печи согнеупорной футеровкой (рис.5) эксплуатируют как промышленно производственныеагрегаты (табл. 2). Самые крупные 35-т плазменно-дуговые печи, разработанныесовместно ГДР и СССР, сооружены с использованием четырёх плазматронов мощностью6 МВт каждый. Плазматроны поставлены по бокам под наклоном. Расход аргона навсе работающие плазматроны составляет 45 м3/ч (22,5 г/с). Расходводы соответственно 167 м3/ч. Скорость расплавления составляет 20000кг/ч и расход электроэнергии на расплавление соответственно 500 кВт*ч/т.Огнеупоры выдерживают около 150 плавок и плазматроны практически возобновляютсячерез 30 часов. Печи уже несколько лет работают стабильно. Их эксплуатацияпротекает практически бесшумно, что значительно облегчает работу у печей.Годовая производительность 35-т печей — составляет 80000 т высоколегированнойстали. На основании опыта печей вместимостью 15 и 35 т в Германии проводилисьисследования с целью создания более крупных печей вместимостью 65и 110т.
Исследования тепловойработы крупных печей показали, что они работают эффективно только тогда, когдаплазменная струя передаёт тепло в расплавленные каналы шихты, т.к. мощностьдуги, передаваемая шихте излучением, конвекцией и теплопроводностьюхарактеризуется следующим отношением Ризл.: Ри: Рт=40:8:1.Для обеспечения надёжного зажигания плазматронов часто в крупных печахприменяют дополнительную (вспомогательную) горелку.
Таблица 2.Характеристикаплазменно-дуговых печей с керамическим тиглемСтрана
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 печис кристаллизатором
Плазменно-дуговые печи скристаллизатором имеют большие перспективы, так как плазменный нагрев успешноприменяется как при переплаве высококачественных сталей и сплавов, так итугоплавких металлов. В водоохлаждаемом кристаллизаторе непосредственнополучается слиток. Процесс хорошо регулируется в широких пределах скоростипереплава, печное устройство сравнительно простое. Эти печи используют припониженном, нормальном и повышенном давлении. Слитки производят массой от 100 кг до 5 тонн (табл.3).Путём изменения скорости вытягивания слитка можно создать различные условиякристаллизации и перегрева жидкого металла. Регулированием атмосферы печи легкоосуществить различные технологические операции (дегазацию, азотирование, ит.д.). Такие печи строят в двух вариантах: с боковой подачей шихты (рис.5а) и сцентральной подачей шихты (рис.5b).Строяттак же печи с горизонтальными кристаллизаторами. Из-за отсутствия огнеупорнойфутеровки обслуживание этих печей облегчается, но энергетические показатели иххуже, чем в печах с футеровкой. К подготовке шихты здесь так же предъявляютсяболее высокие требования. Но из-за отсутствия огнеупорной футеровки можноплавить металлы, температура расплавления которых превышает температуруэксплуатации огнеупоров. Одним из преимуществ таких печей является возможностьвыплавления слитков весьма высокой чистоты.
Таблица 3. Характеристика плазменно-дуговыхпечей с кристаллизатором конструкции института электросварки им. ПатонаПараметры 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 тепловойработы. Теплообменныеусловия характеризуют теплопередачу от плазменной дуги в рабочее пространствоПДП: на боковую поверхность футеровки происходит, в основном излучение (до85-95% 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 сводоохлаждаемым кристаллизатором:
а- боковая подачашихты; b-центральная подача шихты;
1- плазматрон; 2-шихта; 3-кристаллизатор
Тепловая мощность,передаваемая металлу в анодном пятне, Ра зависит от силы тока идлины дуги, когда закончено формирование конического участка столба со стороныкатодного пятна. По данным М.М. Крутянского:
Pa, max=0.4PД, при lДmax= (4÷5) Dст,
гдеDст – диаметр цилиндрической части столбадуги.
Особенность распределениятеплового излучения от вертикальной плазменной дуги между поверхностямисвободного пространства ПДП по сравнению с ДСП заключается в меньшейнаправленности излучения высокотемпературного столба на ванну (
Неравномерность облучениясвода зависит не только от длины дуги lД, но и отвысоты расположения свода. Поэтому при конструировании ПДП необходимо выбиратьрациональное соотношение (hcn/Do)равн,обеспечивающий равномерную облучённость поверхности свода при данной длинеплазменной дуги.
Сучётом вышеизложенного, рациональный тепловой режим ПДП зависит от параметровплазменной дуги. Вся мощность дуги РД складывается из мощности,передаваемой ванне в анодном пятне Ра, мощности, выделяемой в столбедуги Рст и мощности, выделяемой в катодной области Рн.Как уже отмечалось мощность Ра полностью поглощается металлом и независит от геометрических размеров рабочего пространства ПДМ. Мощность Рнсоставляет 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 ваннеот 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.
Результатырасчетов, выполненных Л.Н. Курляндским для ПДП вместимостью до 12 тонн,показывают:
1) для каждогозначения силы тока дуги существует рациональное значение её длины lрацд»2lдmax, при котором мощность Рвмаксимальная и составляет от всей мощности дуги 42-45%;
2) наибольшееотношение Рв/Рд, равное 56%, достигается при наиболеекороткой дуге, равной lд=lдmax. Однако меньшее напряжение дуги в этом случае являетсяпричиной абсолютного снижения мощности Рn;
3) чрезмерноеудлинение дуги (lд>2lдmax) приводит к резкому снижению Pn, несмотря на соответствующееувеличение Uд (при неизменной температуре футеровки), так какмощность, передаваемая через анодное пятно, постепенно уменьшается до нуля,снижая эффективность плазменного нагрева.
Следуетособо отметить, что рациональную длину плазменной дуги следует устанавливать,когда металл почти расплавлен. В начале периода расплавления можно работать ина более длинных дугах, чтобы ввести в печь максимально возможную мощность Рд,которую можно получить от источника питания.
Геометрическиеразмеры свободного пространства согласуют с выбранным lдрац. или заданным значением (по электрическим условиям) длины дуги, чтобывысота стены, определяющая расположение пят свода, соответствовала условию: hcткр
Условиеhстравн
Какуже отмечалось, параметры электрического режима ПДП, определяемые вольтампернойхарактеристикой плазменной дуги, зависят от целого ряда внешних факторов-состава и расхода плазмообразующего газа, температурной ситуации в рабочемпространстве, длины дуги.
Вотличии от ДСП в рабочем режиме ПДП не требуется непрерывного передвиженияплазматрона, так как существует определённая длина дуги lдрац, зависящая от силы тока, прикоторой происходит наиболее эффективна передача тепла от плазменной дуги кванне т.е. Pв максимальна. Передвижение плазматрона необходима длязажигания дуги. Последовательность операций такая: сначала проводят пробойпромежутка между катодом и соплом высоковольтным искровым зарядом, возбуждаемымспециальным разрядником – высокочастотным осциллятором и зажигаютвспомогательную дугу с силой тока до 200 А; затем при помощи, например,гидравлического привода передвигают плазматрон в сторону шихты до тех пор, покапод действием напряжения холста хода источника питания не произойдёт пробойрабочего промежутка, ионизируемого потоком плазмы вспомогательной дуги, изажигание плазменной дуги между анодом-шихтой. После зажигания основной дугиустанавливают плазматрон в рабочем положении, характеризуемом рациональной длязаданной силы тока длиной дуги lдрац.
Электротехническимнедостатком ПДП является снижение Uд сувеличением температуры рабочего пространства и соответствующее уменьшениемощности нагрева по ходу плавки (при неизменных значениях силы тока и массовогорасхода плазмообразующего газа). В ряде случаев удаётся стабилизировать илидаже повысить напряжения и мощность плазменной дуги путём введения второгокомпонента в плазмообразующий газ — водорода или азота, поскольку в этих газахдуговой разряд имеет более высокую вольт — амперную характеристику. Но водород,кроме того, что увеличивает взрывоопасность, оказывает вредное влияние на ходтехнологического процесса и качество некоторых марок сталей. В таких случаяхвозможно вдувание в рабочее пространство ПДП дополнительного объёма холодногогаза с последующей его откачкой и охлаждением. Потери тепла с откачиваемымгазом могут быть компенсированы снижением тепловых потерь во всех элементахпечи в результате ускорения плавки при более высокой мощности плазменных дуг.
Впечах с огнеупорной футеровкой максимальное значение мощности дуг Рдограничено допустимой температурой Тф из-за особых условийтеплопередачи от плазменных дуг. Поэтому эксплуатация ПДП возможна только ссистемой автоматического регулирования величины Рд по непрерывноизмеряемой температуре футеровки Тф.
Технико-экономическиепоказатели.
ПДП согнеупорной футеровкой имеют худшие энергетические показатели по сравнению сДСП из-за дополнительных тепловых потерь в плазматронах и подовом электроде.Общие потери энергии в водоохлаждаемых элементах достигают 35-40%, из которых15-20%-в уплотнителе плазматрона; 8-10%- в самом плазматроне (корпус, сопло,катод); 1-2% в подовом электроде. Для малых печей (вместимостью до 5 тонн)тепловой КПД составляет по данным ВНИИЭТО 0,3-0,35.
ЭлектрическийКПД h0учитывает электрические потери при формированииплазменной печи (h0) в токоведущихэлементах плазматрона (hпл) вовтором токоподводе (hк.в.) и висточнике питания (hи.п.), т.е. h0=hк.вhплhи.п
ОбычноКПД дуговых плазматронов прямого действия h0»1,для плазматронов косвенного действия не превышает 0,7-0,8 (в зависимости отсостава и расхода плазмообразующего газа).
Поданным ВНИИЭТО, удельный расход электроэнергии в плазменно-дуговых печахразличной вместимости m0и разной мощности Р составляет:
m0, т ………………………5 10 30
Р,МВт…………………… 3,5 7-8,5 12-15
W2y, МВт*ч/т……………0,7 0,65 0,625
Wy,МВт*ч/т………… 0,9-1,1 Нет св. Нет св.
В ПДПс кристаллизатором диаметром Dкр величина Wу составляет:
Dкр, мм 150 250 320
Wy,МВт*ч/т 2,4 1,2 0,96
Потехнологическим инструкциям рекомендуемая скорость вытягивания слитка исоответствующая массовая скорость Qm плазменно-дугового переплава зависит от размера (диаметра Dкр) кристаллизатора, сортаментапереплавляемых сталей и сплавов, электрического режима, составляя, например,для печей типа У-400 (мощность 240 кВт) 2,5-9 мм/мин и 50-200 кг/ч. При этомгодовая производительность достигает 100-260 тонн «черных» слитков диаметром150 мм.
Длядуговых плазматронов различной мощности принимают Qv»15÷60 м3/ч. Поэтомуудельный расход плазмообразующих газов при низкой производительности ПДП можетбыть чрезмерно большим (до 20-30 м3/т), определяя при высоких ценахна аргон значительные затраты. Эти аппараты снижают за счёт: применения смесейболее дешевых плазмообразующих газов (например, аргон с азотом); регенерацииотработанных газов; удаления воздуха из рабочего пространства герметичной ПДПпутём вакуумирования вместо обычной продувки плазмообразующим газом.
Сравнительныйэкономический анализ различных методов электроплавки показывает, что:
1)плазменная плавка в печах с футеровкой может быть самой экономичной, посколькуза счет снижения угара (при плавке) и увеличения выхода годного (при дальнейшемпеределе) по сравнению с плавкой в ДСП возможно уменьшение сквозного расходаметалла, снижение себестоимости (на 10-15%) при меньших удельных капитальныхзатратах (на 10-12%);
2)плазменный переплав в печах с кристаллизатором занимает промежуточное положениемежду вакуумно-дуговым переплавом и электронной плавкой. Однако прииспользовании ПДП с расходуемым плазматроном экономичность процесса возрастает.