Плазменно-дуговые печи

Получение и применение плазменной дуги в сталеплавильных печах

Одним из экономичных и перспективных методов получения металла высокого качества является плазменно-дуговая плавка (ПДП), при которой нагрев и плавление металла происходят под действием тепла, генерируемого в плазменной или сжатой дуге. Сжатую высокотемпературную дугу получают при помощи специальных устройств — плазмотронов. В металлургии применяют в основном плазмотроны, в которых сжатие дуги осуществляется потоком газа.

Металлургический плазмотрон постоянного тока состоит из корпуса, в котором расположен коаксиально электрододержатель; на нем крепятся сопло и другие детали. Снаружи корпус окружен водоохлаждаемым кожухом. Внутри корпуса на электроизоляционных втулках закреплен электрододержатель в виде водоохлаждаемого штока, в нижнюю часть которого ввинчивается съемный катод из тугоплавких материалов. На верхней части штока имеется наконечник для крепления контактных токоподводящих щек. Внизу к корпусу через уплотнительные кольца крепится медное съемное водоохлаждаемое сопло. Плазмотрон изготовляют из коррозионностойких материалов, и элементы его конструкции соединяют 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 рабочий газ. Газ, истекающий из плазмотрона тангенциально через сопло, отрывает дугу от сопла, являющегося анодом, и замыкает цепь между катодом плазмотрона и поверхностью нагреваемого металла, к которому также подводится положительный потенциал. После появления дуги между катодом плазмотрона и нагреваемым металлом сопло плазмотрона отключают от электрической цепи и, поднимая плазмотрон, растягивают сжатую газовым потоком дугу до необходимой длины.

Плазменно-дуговые печи с керамическим тиглем

По конструкции печи этого типа являются модификацией обычных дуговых сталеплавильных, отличаясь от них тем, что вместо электродов устанавливают один или несколько плазмотронов, а для подачи потенциала на нагреваемый металл в подину закладывают подовый электрод. Для уменьшения подсоса в пространство печи воздуха кожух печи выполняют герметичным и уплотняют места сочленений. В России работают плазменно-дуговые печи с керамическим тиглем, созданные на базе стандартных дуговых сталеплавильных печей ДСВ-5 и ДСВ-10. Вместо графитированных электродов на них установлены плазмотроны и подовый водоох-лаждаемый электрод, печной трансформатор заменен силовым понижающим трансформатором и блоком полупроводниковых выпрямителей, улучшена герметичность кожуха и уплотнений. Мощность источника питания увеличена более чем в три раза. Несмотря на значительное увеличение мощности и концентрации тепла в сжатой дуге, тепловая нагрузка на футеровку стен благодаря экранированию дуги газом не увеличилась. При вертикальном расположении используют один плазмотрон.

Установки плазменно-дугового переплава заготовокв водоохлаждаемый кристаллизатор

Плавильная камера установки (рис. 92) представляет собой вакуумплотный резервуар, состоящий из двух усеченных конусов, соединенных болтами. К верхнему конусу—крышке камеры через изоляционное кольцо крепится камера заготовки с механизмом подачи заготовки, шесть патрубков для крепления плазмотронов и патрубок для крепления датчика уровня ванны. Плазмотроны располагают под углом к оси заготовки и кристаллизатора.

На нижнем конусе-крышке камеры имеются фланцы для крепления плиты кристаллизатора и камеры слитка с механизмом вытягивания и разгрузки слитка, патрубок для крепления механизма подачи флюса, патрубок вакуумной системы. Укороченный кристаллизатор состоит из трех во-доохлаждаемых поясов: двух медных и одного (нижнего) стального. Токоведущим штоком слиток из кристаллизатора вытягивается в камеру слитка. Подъем и опускание камеры со слитком осуществляется четырьмя гидроцилиндрами. Заготовку подвешивают к штоку, на нижнем конце которого укреплен захват с токоподводом. Водоохлаждаемый шток входит в камеру заготовки через вакуумное уплотнение. Верхним концом шток крепят к траверсе, перемещающей его вверх и вниз. Для более равномерного оплавления заготовки специальным механизмом, закрепленным на траверсе, осуществляется реверсионный поворот штока на угол 60°. На камере заготовки установлены взрывной люк, который в рабочем положении удерживается пружинами, патрубок для системы рециркуляции газа и патрубок с люком для обслуживания камеры.

Для увеличения возможностей рафинирования металла в процессе переплава предусмотрена подача флюса в ванну кристаллизатора по ходу переплава.

Установки снабжены шестью плазмотронами. Особенностью некоторых установок является их питание переменным трехфазным током промышленной частоты. Плазмотроны объединены в два блока. Каждый блок питается от своего силового трансформатора. Цепь между плазмотронами замыкается по ванне металла в кристаллизаторе, как в обычной дуговой печи.

Установки оборудованы системой рециркуляции плазмообразующего газа, вакуумной системой для удаления воздуха из объема плавильной камеры, приборами контроля и управления.

Плавка может осуществляться не непосредственно в кристаллизатор, а в промежуточную емкость, из которой расплав постепенно перетекает в кристаллизатор. В этом случае также разделяются процессы плавления, рафинирования и кристаллизации.