Одним из экономичных и перспективных методов получения стали высокого качества является плазменно-дуговая плавка (ПДП), при применении которой нагрев и плавление металла происходят за счет тепла, генерируемого в так называемой плазменной дуге.
Плазма, по определению Лэнгмюра и Тонкса, предложенному ими в 1923 г., представляет собой газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизирована. В полностью ионизированное состояние переходит вещество, нагретое до температуры в миллионы градусов, когда вследствие большой кинетической энергии частиц нарушаются связи между электронами и атомными ядрами. Естественно, получить и использовать такую температуру в промышленных установках, в том числе и в плазменных печах, не представляется возможным, да, по-видимому, и не нужно.
Источником тепла в плазменно-дуговых установках является сжатая в поперечном направлении электрическая дуга. Сжатие дуги газовым потоком или магнитным полем приводит к значительному увеличению плотности тока, вследствие чего заметно возрастает степень ионизации частиц и, следовательно, среднемассовая температура дуги, которая достигает 10000—30000° С. В отличие от обычного дугового разряда, когда температура столба дуги не превышает 6000—8000° С, такую дугу называют интенсивной или плазменной, хотя по физической сущности ее лучше бы называть сжатой или отшнурованной дугой.
Сжатую высокотемпературную плазменную дугу получают при помощи специальных устройств — плазмотронов. В металлургии применяют в основном плазмотроны, в которых сжатие дуги осуществляется потоком газа.
Металлургический плазмотрон (рис. 1) состоит из корпуса, кожуха и электрододержателя. Основным узлом, на котором крепятся электрододержатель, сопло и другие детали, является корпус. Снаружи корпус окружен водоохлаждаемым кожухом. Наружная поверхность кожуха обработана по ходовой посадке, позволяющей вводить плазмотрон в печной объем через специальное уплотнение. Внутри корпуса на электроизоляционных втулках закреплен электрододержатель, выполненный в виде водоохлаждаемого штока, в нижнюю часть которого ввинчивается съемный вольфрамовый катод. На верхней части штока имеется наконечник для крепления контактных токоподводящих щек. Внизу к корпусу через уплотнительные кольца крепится медное съемное водоохлаждаемое сопло. Плазмотрон изготавливают из коррозионностойких материалов, и сочленяющиеся части его соединяются герметично.
В начальный момент при помощи осциллятора возбуждается дежурная дуга между катодом и соплом плазмотрона, к которому на время возбуждения дуги подводится положительный потенциал. В момент появления дежурной дуги в кольцевой зазор между электрододержателем и корпусом подают под давлением через сопло рабочий газ. Газ, истекающий из плазмотрона тангенциально через сопло, отрывает дугу от сопла, являющегося анодом, и замыкает цепь между электродом плазмотрона и поверхностью нагреваемого металла, к которому также подводится положительный потенциал. После появления дуги между электродом плазмотрона и нагреваемым металлом сопло плазмотрона отключают от электрической цепи и, поднимая плазмотрон, растягивают сжатую газовым потоком дугу до необходимой длины, достигающей в зависимости от типа установки 1—2 м.
Омываемая относительно холодным газовым потоком отшнурованная плазменная дуга обладает сравнительно малой излучательной способностью. Поэтому, несмотря на высокую температуру в столбе дуги и его большую длину, доля тепла, излучаемого через боковую поверхность плазменной дуги, невелика.
По сравнению с обычным электродуговым нагревом плазменно-дуговой нагрев имеет ряд преимуществ:
Высокая концентрация тепла в отшнурованной плазменной дуге и экранирование ее струей относительно холодного газа позволяют проводить нагрев и плавление металла со значительно более высокими скоростями.
Более высокая степень ионизации газа в столбе плазменной дуги обусловливает более низкий градиент напряжения в дуге, в связи с чем при одинаковом общем падении на дуге сжатая дуга в несколько раз длиннее обычной. При большой длине дуги ни обвалы твердой шихты, ни всплески жидкого металла не оказывают заметного влияния на стабильность горения сжатой дуги, поэтому для стабилизации и регулирования отшнурованной плазменной дуги нет необходимости постоянно перемешивать плазмотрон, отпадает надобность в сложном оборудовании перемещения электродов и защиты электрооборудования от коротких замыканий.
При использовании для образования плазмы определяемого газа (аргона, азота, водорода и др.) над жидким металлом может быть создана любая атмосфера — нейтральная, восстановительная, окислительная и благоприятные условия для протекания в металле тех или иных реакций.
Плавка в плазменных печах с нейтральной атмосферой и низким парциальным давлением вредных газов по возможностям дегазации металла сопоставима с вакуумной индукционной плавкой. Это позволяет осуществлять эффективную дегазацию стали без использования дорогостоящего вакуумного оборудования, а при повышенном давлении в объеме плазменной печи эффективная дегазация не сопровождается повышенным угаром летучих примесей.
Отшнурованная плазменная дуга в принципе может поддерживаться при изменении в рабочей камере давления в широких пределах — от пониженного, близкого к давлениям в вакуумных агрегатах, до избыточных. Это делает ПДП более гибкой и универсальной по сравнению с обычной электродуговой плавкой.
Отсутствие электродов из углеродистых материалов при плазменно-дуговой плавке исключает науглероживание стали, что имеет особое значение для производства низкоуглеродистых сталей и сплавов. Применение плазмотронов особой конструкции, в которых используется электромагнитное вращение дуги, приводящее к быстрому перемещению катодных и анодных пятен дуги, позволяет уменьшить износ катода и практически вообще исключить загрязнение металла материалом электрода.
Таким образом, сжатая плазменная дуга является очень удобным способом получения качественной стали, основанным на превращении электрической энергии в тепловую и позволяющим с большой скоростью нагревать и плавить металл, не загрязняя его материалом электрода, а также обрабатывать расплав плазмообразующим газом.
В настоящее время сжатую дугу используют в качестве источника нагрева в печах двух типов — в плазменно-дуговых печах с керамическим тиглем и в установках плазменно-дуговой плавки заготовок в водоохлаждаемый кристаллизатор.
Смотрите видео на металлургическую тематику в нашем новом разделе - "ВИДЕО"
