Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
|
5.1.2 Устройство и рабочий процесс плазмотрона Электрическая дуга в плазмотроне в отличие от свободно горящей всегда находится в условиях вынужденной конвекции. В плазмотронах дугу сжимают, помещая ее в узких каналах и диафрагмах, и обдувают интенсивными потоками газов или жидкостей. Пространственное положение столба дуги в разрядной камере большинства типов плазмотронов однозначно предопределено или стабилизировано внешним силовым воздействием или специальной геометрией разрядной камеры. Стабилизированная дуга позволяет получить существенно большие максимальные температуры, чем свободно горящая дуга. На практике, за исключением особых случаев, не требуется достижение максимальных температур. Наоборот, плазму электрической дуги желательно иметь при столь низкой температуре, насколько это совместимо с требуемыми параметрами, в частности с энтальпией газовой струи на выходе из плазмотрона. Последнее связано с лучистыми потерями. Поскольку излучение весьма сильно зависит от температуры, дуга малого диаметра с высокой температурой будет излучатъ большую мощность, чем дуга большего диаметра с меньшей температурой при той же средней энтальпии в плазмотроне [31]. 341 Взаимодействие электрической дуги с газовым полком и стенками разрядной камеры плазмотрона протекает следующим образом. Газ поступает в канал, взаимодействует с дугой, горящей между стержневым или торцевым катодом и цилиндрическим анодом, и вытекает через сопло, которым в простейшем случае может служить сам анод, Экспериментально установлено, что небольшая закрутка при подаче газа в плазмотрон существенно не отражается на характеристиках дуги. В плазмотронах, используемых для технологических целей, скорость истечения струн существенно ниже звуковой. Условно столб дуги может быть разделен на три участка: начальный, цилиндрический и выходной. Характерными отличиями начального участка служит уменьшающаяся напряженность электрического поля в столбе и возрастающие поперечные размеры дуги. На свойства и характеристики этого участка столба дуги оказывают влияние многие факторы, наиболее существенные из которых следующие: 1. расширение дуги, связанное с нагревом газа внутри нее; 2. магнитное сжатие дуги, вызванное взаимодействием осевой составляющей тока с собственным магнитным полем, которое ускоряет газ в осевом направлении; 3. электродинамическое ускорение плазмы внутри столба в результате взаимодействия радиальной составляющей плотности тока с азимутальным магнитным полем самого столба. На начальном участке дуга постепенно расширяется до тех пор, пока ее «граница» встретится с холодным пограничным слоем, образующимся на стенке канала. Под «границей» в теории взаимодействия дуги с пристеночным пограничным слоем подразумевается поверхность, находящаяся на некотором расстоянии от дуги, где происходит резкое понижение температуры и вязкости плазмы. При неизменном диаметре канала и расходе газа увеличение тока приводит к расширению «границы» дуги и, следовательно, к уменьшению длины начального участка; если же неизменны диаметр канала и ток дуги, то увеличение расхода газа ведет к уменьшению толщины пограничного слоя и, следовательно, к увеличению длины начального участка. После встречи холодного пристеночного слоя с «границей» дуги последняя начинает подвергаться турбулентным возмущениям и разрушению, начинается интенсивное перемешивание потока, ведущее к выравниванию поля температур. Длина второго участка может составить десятки диаметров электрода. Амплитуда поперечных колебаний и их частота на этом участке нарастают вниз по потоку [31]. В плазмотронах с самоустанавливающейся длиной дуги в начале второго участка происходит явление повторяющегося пробоя между столбом 342 дуги и электродом. Это явление в литературе часто называется «шунтированием». На этом участке растет напряженность электрического поля, что связано с интенсификацией теплообмена. Увеличивается также тепловой поток в электрод. Третий участок — зона полностью развитого турбулентного течения. В плазмотронах с гладкой поверхностью обнаружить этот участок трудно вследствие весьма протяженного второго участка, однако в плазмотронах с распределенной подачей газа в межсекционные зазоры он легко обнаруживается вследствие сильного сокращения предыдущих участков. Напряженность электрического поля здесь постоянна и в несколько раз выше, чем на первом участке. Следует отметить, что такая картина справедлива лишь для струйных плазмотронов, в которых дуга горит в канале плазмотрона. В плавильных плазмотронах дуга горит в свободном пространстве и стабилизируется продольным потоком газа, большая часть которого подается не через плазмотрон, а засасывается на начальном участке дуги из окружающей его атмосферы. 5.1.3 Струйные плазмотроны Струйные плазмотроны, которые применяются для высокотемпературного нагрева (в пределах 2000 – 6000 К) газов практически всех видов – восстановительных, нейтральных, окислительных, несмотря на многообразие конструкций могут быть разделены на две группы, отличающиеся способом стабилизации дуги: плазмотроны с продольно обдуваемой дугой — линейные и плазмотроны с поперечно обдуваемой дугой — коаксиальные [31]. Кроме того, признаком классификации может служить род плазмообразующего газа — кислород, воздух, азот, аргон, водород, метан и др. На выбор конструктивной схемы плазмотрона влияют многие факторы, важнейшие из которых следующие: энергетические параметры струи (мощность и среднемассовая энтальпия), род газа, параметры источника питания, необходимый ресурс работы плазмотрона, технологические требования к струе (допустимость ее загрязнения материалами электродов, степень пространственной и временной однородности ее параметров) и т. д. Наиболее широко используются одно- и двухкамерные линейные плазмотроны (рис 5.1, 5.2). 343 Рис. 5.1. Однокамерный плазмотрон с торцевым вольфрамовым катодом. 1 — катод; 2 — вихревая камера; 3 — анод; 4 — магнитная катушка; 5 —диафрагма, Рис. 5.2. Однокамерный плазмотрон с полым охлаждаемым катодом. 1, 3 — электроды; 2 — вихревая камера; 4 — магнитная катушка 5.2.4 Плавильные плазмотроны В плавильных плазмотронах электрическая дуга горит между электродом плазмотрона и расплавляемым металлом. Из экономических соображений расход плазмообразующего газа выбирается минимальным и определяется лишь условиями работы электродно-соплового узла плазмотрона. Плавильные плазмотроны постоянного тока, предназначенные для работы в диапазоне давлений 10 5 —3·10 3 Па, имеют стержневой катод, выполняемый из легированного вольфрама, и сопло. Сопло формирует поток плазмообразующего газа, а также служит анодом при включении плазмотрона (зажигании «дежурной» дуги). Катодный узел плавильного агрегата представлен на рис.5.3. Столб вертикально горящей дуги в плазменной печи постоянного тока имеет центральную часть, по форме напоминающую ярко светящийся конус, плавно переходящий в цилиндр. Эта центральная часть окружена менее яркой оболочкой. Экспериментально установлено, что почти весь ток протекает по центральной более яркой части. Поэтому в качестве расчетной модели в дальнейшем дуга рассматривается как конус, плавно переходящий в цилиндр. Для работы на переменном токе могут использоваться плазмотроны постоянного тока, но при значительно меньших (в 5—8 раз) токовых нагрузках. При этом стойкость вольфрамого электрода существенно снижается. Для увеличения мощности и ресурса плазмотрона предложена схема с «дежурной дугой» (рис. 5.4). 344 Рис. 5.3. Катодный узел плавильного плазмотрона. 1— катод; 2 — сопло. Рис 5.4. Плазмотрон переменного тока с «дежурной дугой» 5.2 Электронно-лучевые печи В основе принципа электронно-лучевого нагрева (ЭЛН) лежит преобразование кинетической энергии потока электронов в тепловую при взаимодействии с поверхностью нагреваемого предмета. Выделение тепловой энергии происходит в глубина которого равна нескольким микрометрам и зависит от энергии падающего потока электронов и плотности материала, подвергаемого обработке. В связи с малостью указанного слоя для большинства технологических применений ЭЛН относится к поверхностным видам нагрева [31]. Метод ЭЛН имеет следующие преимущества по сравнению с другими видами нагрева: низкое давление в рабочей зоне; широкую возможность регулирования мощности и ее поверхностной плотности (плотность мощности электронного луча может изменяться для различных процессов от 10 2 до 10 9 Вт/см 2 ); возможность практически неограниченного времени выдержки жидкого металла; возможность значительного перегрева металла. Эти преимущества ЭЛН позволяют весьма эффективно применять его для рафинировочного переплава и гарнисажной плавки широкого ассортимента металлов и спецсплавов. Кроме того, ЭЛН применяется для термообработки ленты и нанесения покрытий. Этот вид нагрева может также найти широкое применение для получения гранулята, сутунок и трубных заготовок, оплавления поверхности слитков, вытягивания монокристаллов и т. п. Электронно-лучевые плавильные и литейные печи используются для получения слитков и отливок высококачественных тугоплавких и активных металлов, а такжее сталей и спецсплавов. В качестве исходной шихты возможно применение заготовок, скрапа, гранул, стружки. Помимо того, можно производить рафинировку жидкого металла, полученного в другом 345 агрегате. Поэтому электронно-лучевые печи (ЭЛП) весьма перспективны для утилизации отходов. Открытая ванна и высокий перегрев металла создают весьма благоприятные условия для хорошей дегазации металла. Наиболее эффективная рафинировка происходит, если основной металл имеет низкую, а примесь— высокую упругость пара. Считается, что с помощью электронно- лучевой плавки (ЭЛПл) может быть удален любой компонент расплава, давление пара которого в 10 раз и более превышает давление пара основного металла. Помимо этого, наличие высоких температуры и вакуума способствует очистке металла за счет термической диссоциации окислов и других соединений, а также образования всплывающих неметаллических включений. С целью снижения угара металла, улучшения структуры и поверхности слитка применяется устройство для развертки луча, обеспечивающее требуемую удельную мощность (на единицу обрабатываемой поверхности). При ЭЛПл можно управлять процессом кристаллизации при помощи изменения скорости плавки, подводимой мощности и конфигурации зоны ЭЛН, а также изменением места подачи жидкого металла. Слитки в ЭЛП формируются в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе с постепенным их вытягиванием. Поверхность слитка во многом зависит от режима вытяжки. В последнее время для улучшения поверхности слитка его вытягивание производят при возвратно- поступательном движении. В ЭЛП целесообразно проводить выплавку следующих металлов и сплавов на их основе: ниобия, тантала, циркония, молибдена, вольфрама, титана, конструкционных высокопрочных сталей, штамповых и некоторых инструментальных сталей, шарикоподшипниковых сталей, некоторых нержавеющих марок сталей, жаропрочных сталей, меди, никеля, чистого железа. Изучению экономики ЭЛПл металлов в настоящее время уделяется большое внимание. Однако современный уровень технико-экономических показателей ЭЛПл еще не соответствует действительным возможностям процесса. Мощности печей используются не полностью, велики простои установок, завышены в связи с этим затраты на производство металла. Это объясняется относительной новизной, а следовательно, и недостаточным освоением ЭЛП. Из-за повышенных затрат на оборудование стоимость выплавки стальных слитков диаметром до 200 мм в ЭЛП выше, чем в ВДП или вакуумной индукционной печи (ВИП), но с увеличением емкости печей себестоимость выплавленного металла в ЭЛП значительно снижается. Эксплуатация электронно-лучевой холодноподовой печи в США показала, что ЭЛП высокой производительности может быть экономичней других видов вакуумных плавильных печей. Например, стоимость выплавки 346 слитков нержавеющей стали в холодноподовой ЭЛП мощностью 10 МВт и производительностью 100 000 т/год ниже стоимости выплавки их в ВИП. Анализ условий эксплуатации ЭЛП позволил установить примерные сроки их ремонта: планово-предупредительный — 2 раза в месяц продолжительностью 1 сут. и капитальный — один раз в год продолжительностью 10 сут. Фактически годовой фонд рабочего времени пе- чей следует принять 7500 ч. Капиталоемкость стальных слитков ЭЛПл уменьшается с увеличением массы выплавляемых слитков и становится равной 300—400 руб/т для слитков свыше 650 кг. В отечественной и зарубежной промышленности работает большое количество различных конструкций ЭЛП, но по принципу действия все они могут быть сведены к приведенной на рис. 5.5, а схеме. Характерной особенностью ее является так называемый «капельный переплав», т. е. процесс, при котором капли расплавленного металла с заготовки попадают непосредственно в кристаллизатор. Удельный расход электроэнергии при ЭЛПл в сильной мере зависит от мощности печей, переплавляемого материала и технологии плавки, но при выплавке крупных стальных слитков он обычно составляет около 2000 кВт-ч/т. Одной из разновидностей ЭЛП является печь с промежуточной емкостью. Металл с переплавляемой заготовки стекает в промежуточную емкость, имеющую водоохлаждаемые стенки, а затем в кристаллизатор. Этим обеспечивается развитая реакционная поверхность и соответственно эффективное рафинирование металла и одновременное повышение производительности. Промежуточная емкость устраняет попадание в кристаллизатор нерасплавившихся кусков заготовки, а также позволяет вводить в жидкий металл добавки. Металл, выплавленный таким способом, обладает более высокой степенью однородности по составу. Принципиальная схема электронно-лучевой установки с промежуточной емкостью приводится на рис. 5.5, б. 347 Рис. 5.5,. Схемы электронно-лучевых плавильных печей. а, — капельного переплава; б — с промежуточной емкостью; в — с холодным подом: 1 — электронно-лучевая пушка; 2— расплавляемая заготовка; 3— водоохлаждаемый кристаллизатор; 4 — наплавляемый слиток; 5 — водоохлаждаемый поддон ; 6 – водоохлаждаемый под; 7 — промежуточная емкость. Другой разновидностью ЭЛП является холодноподовая печь. В ней рафинирование происходит во время протекания жидкого металла по системе подов, поверхность которых может быть футерована огнеупорным кирпичом или иметь затвердевший слой металла (гарнисаж). Жидкий металл на всем своем пути до кристаллизатора подогревается электронными пушками со сканированием луча. Исходный металл может подаваться в жидком состоянии извне с помощью специального барометрического затвора или плавиться индукционным, электродуговым или электронно-лучевым способом непосредственно в вакуумном объеме самой печи [31]. Многоступенчатое холодноподовое рафинирование открывает широкие возможности по повышению производительности ЭЛП за счет увеличения поверхности жидкого металла, находящегося в вакууме. На рис. 5.5,в приведена схема такой печи. С успехом используется ЭЛН в вакуумных гарнисажных печах для получения фасонных отливок из тугоплавких и высокоактивных металлов. Использование гарнисажного тигля предотвращает загрязнение металла материалом тигля и тем самым обеспечивает высокое качество выплавляемого металла. Следует отметить, что накапливание больших объемов жидкого металла в гарнисажном тигле связано со значительными энергетическими потерями. Для улучшения теплового баланса процесса плавки используется электромагнитное перемешивание расплава (ЭМП), которое способствует усреднению температуры по объему жидкой ванны и снижению температуры перегрева зеркала расплава и как следствие этого увеличению количества жидкого металла. Качество металла отливок, полученных методом ЭМПл, весьма высокое. На рис. 5.6 приведена схема литейной ЭМП. 348 Рис. 11-2. Схема конструкции гарнисажной литейной печи с электромагнитным перемешиванием металла в тигле. 1— электронно-лучевые пушки; 2 — водоохлаждаемый тигель; 3 — поворотная ось; 4 — перемешивающее устройство; 5 — изложница или литейная форма. Использование ЭЛН для испарения различных металлов и сплавов с целью нанесения покрытий в вакууме исключительно эффективно. Возможность создания высоких концентраций мощности непосредственно на поверхности материала обеспечивает значительные скорости испарения, достижение которых другими способами затруднительно. На рис. 5.6 приводится типичный испарительный элемент электропечи для нанесения покрытий. Количество тиглей с металлом и электронных пушек может варьироваться в широких пределах. Следует отметить, в подобных испарительных печах обычно применяются щелевые пушки мощностью 3—50 кВт с поворотом на 180—270°. 349 Рис. 5.6. Схема электронно-лучевой печи для нанесения покрытий на различные изделия. 1 — жидкий металл; 2 — тигель;3 — электронная пушка; 4 – экран; 5 — системы отклонения электронного луча; 6 — нагреваемое изделие; 7 — механизм перемещения изделий. ЭЛН перспективен также для термообработки и покрытия ленты. Преимущество метода заключается в быстроте достижения необходимой степени нагрева, отсутствии источников загрязнения, легкой управляемости и экономичности процесса. Он применим для отжига электротехнических сталей и спецсплавов, которые проходят под электронным лучом рафинирующий и формирующий структуру отжиг. Для повышения производительности печи могут даться динамическими вакуумными уплотнениями с целью непрерывного ввода и вывода обрабатываемой ленты в вакуумную рабочую камеру. В печах этого типа помимо высокотемпературного отжига можно осуществлять покрытие ленты металлами и окислами с целью создания защитных, сверхпроводящих, полупроводящих и других слоев. Эти печи были приспособлены для изготовления фольги из металлов и сплавов путем их интенсивного испарения в вакууме. Конденсат осаждается на подложке из полированной нержавеющей стальной ленты, покрытой специальным разделительным слоем для облегчения отделения фольги от подложки. Получаемая фольга выше качеством, чем обычная, получаемая прокаткой. Процесс экономически выгоден при производстве фольги толщиной до 0,25 мм. На рис. 5.7 приводится принципиальная схема протяжной ЭЛП для термообработки ленты, нанесения покрытий или получения фольги. 350 Рис. 5.7. Схема электронно-лучевой печи для термообработки ленты и нанесения на нее покрытий. 1 — рабочая камера; 2 — электронно-лучевая пушка для нагрева ленты; 3—плосколучевые электронные пушки для испарения металла; 4 —тигли; 5 — лепта; 6 — направляющие ролики; 7 — динамические вакуумные уплотнения; 3 — вакуумная откачка. Использование ЭЛН позволяет осуществить некоторые новые технологические процессы, например получение монолитных и многослойных плоских слитков или монолитных колец и труб большого диаметра. Схемы печей с использованием промежуточной емкости приведены на рис. 5.8 и 5.9. |