МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ПЛАЗМОТРОН

Преимущества и недостатки генераторов низкотемпературной плазмы как источников нагрева в металлургии общеизвестны. Поэтому в последние 35 лет область их применения обозначилась достаточно четко. В основном это — спецметаллургия, а именно производство высоколегированных сталей и сплавов, где плазмотроны успешно конкурируют с электрон нолучевыми.

В зависимости от требований технологии в плазменных печах применяются плазмотроны двух типов: работающие при давлении в плавильном пространстве, близком к атмосферному (2 10)*104 Па или в вакуумном диапазоне давлений (0,1 50) Па.

Однако ряд современных технологий выплавки сложнолегированных сплавов предъявляют к металлургическому плазмотрону требование работоспособности в более широком диапазоне давлений — от вакуума (Р = 0,1 Па) до атмосферного (или небольшого избыточного) с возможностью перехода из одной области давлений в другую в процессе плавки. В связи с этим была поставлена задача создания металлургического плазмотрона, обладающего принципиально новой эксплуатационной характеристикой — широким диапазоном рабочих давлений — 0,1 — 105 Па.

Конструкция и изготовление

Конструктивно катодный узел плазмотрона представляет собой сочетание элементов многополостного и стержневого катодов. Катодный узел через резьбовое соединение крепится к медному водоохлаждаемому электрододер жателю, защищенному цилиндрическим экраном, находящимся под плавающим потенциалом. В комплект поставки к одному плазмотрону может входить несколько катодных узлов различных типоразмеров, рассчитанных на соответствующие предельные токи (мощности). Конструкция плазмотрона и катодного узла не содержит элементов, требующих интенсивного охлаждения, и полностью исключает аварийность, связанную с попаданием охлаждающей воды в рабочее пространство печи. Катодный узел технологичен в изготовлении. Наружный диаметр корпуса катода D используется как параметр, определяющий его типоразмер.

Заключительная стадия изготовления катодного узла — нанесение упрочняющего эмиссионного покрытия. Цель этой операции — придание эмиссионной поверхности катода высокой механической прочности и увеличения срока службы катодного узла в 1,5 — 2 раза. Операция нанесения покрытия проводится, как правило, в используемом технологическом агрегате. После выработки основного ресурра катод может быть снова подвергнут указанной обработке, в. результате чего его эксплуатационные показатели полностью восстанавливаются. Таким образом, ресурс катодного узла может быть доведен до 2 • 103 ч.

Эксплуатационные параметры

Основными параметрами плазмотрона, обеспечивающими заданную производительность агрегата и качество выплавляемого металла, являются мощность и ее распределение в анодном пятне на поверхности металла; давление и состав газов над указанной поверхностью.

В свою очередь известно, что мощность и ее распределение являются функцией давления, расхода и рода плазмообразующего газа и межэлектродного расстояния.

Плавка начинается, как правило, в вакууме при давлении 0,6 — 1,0 Па и расходе плазмообразующего газа (0,5 3,0)10“5м3/с.

После расплавления шихты проводится рафинирование металла путем его дегазации и удаления неметаллических включении. После окончания рафинировочной стадии щюцесса производится доводка расплава до заданного состава. В случае легирования элементами с высокой упругостью пара (например, хромом, марганцем, скандием и т.д.) давление в камере повышают до величины, определяемой требованиями технологии. При этом закрывают затворы вакуумных насосов и плавно увеличивают расход газа через плазмотрон. С повышением давления увеличивается плотность тока в столбе разряда и его опорных пятнах и при давлении порядка 103 Па разряд переходит из диффузной в контрагированную форму. В результате уменьшения электрической проводимости разрядного промежутка ток разряда падает, а напряжение возрастает. На рис.2 приводится временная диаграмма электрического режима работы плазмотрона (плавка суперсплава по заказу фирмы Leibold). На приведенной диаграмме: т0 — тг — интервал, соответствующий рафинировочной стадии плавки при Р = 0,8 Па; хх — т2 — переходный процесс при повышении давления до 3,5 104 Па (в реальном времени); т2 — т3 — завершающий период плавки при давлении (3,5 — 5,0) • 104 Па.

Изучены зависимости, связывающие геометрические соотношения, эксплуатационные параметры (давление в рабочем пространстве, расход газа, межэлектродное расстояние) с мощностными характеристиками в вакуумном, атмосферном и промежуточном режимах. Описан алгоритм перехода из одной области рабочего давления в другую, приведены соответствующие диаграммы тока и напряжения. Показано, что эксплуатационные свойства катодного узла, подверженного регенерации в используемом технологическом агрегате, полностью восстанавливаются, что дает возможность поднять суммарный ресурс катода до нескольких тысяч часов.

Плазмотрон прост в изготовлении и надежен в эксплуатации. Широкий диапазон рабочих давлений позволяет проводить в одном агрегате все операции по выплавке сложнолегированных сталей и сплавов.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 3, Москва 1994