Плазмові печі

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

Плазмові печі
Загальна характеристика
Робота плазмових печей (установок плазмового нагріву) заснована на використанні газорозрядної плазми в якості теплоносія. Достатня електрична провідність плазми забезпечує перетворення електричної енергії в теплову за рахунок струмів провідності Іпр. підводяться через електроди (кондукціонний спосіб) або порушуваних змінним електромагнітним полем (індукційний спосіб). Оскільки формування плазми пов'язано з ендотермічними процесами дисоціації та іонізації газів, плазма характеризується досить високим енерговміст, що дозволяє використовувати її в енергоємних пірометалургійних процесах, в тому числі для плавки високолегованих сталей і сплавів, прямого відновлення металів з руд і отримання феросплавів.
Плазмотрон - пристрій для перетворення електричної енергії джерела живлення в теплову енергію струменя (потоку) плазми, тобто плазмовий генератор. У залежності від способу перетворення електричної енергії в теплову розрізняють плазмотрони: дугові, індукційні (високочастотні) й електронні (надвисокочастотні).
Найбільшого поширення набули дугові плазматрони, в яких можливе досягнення температури плазми близько 10000 До шляхом стиснення стовпа дуги стінками каналу (гідродинамічний стиснення), газовим потоком (аеродинамічний стиснення) або зовнішнім магнітним полем (електромагнітне стиснення). Для отримання дугового розряду можна застосувати як постійний, так і змінний струм. Прагнучи отримати стабільну роботу плазматрона, найчастіше використовують постійний струм у уникнення обриву дуги при змінному струмі. Розрізняють плазматрони з незалежною дугою (непрямої дії) і з залежною дугою (прямої дії). Вибір схеми роботи плазмотрона залежить від призначення печі і необхідних вимог щодо ефективності її роботи
Принцип роботи плазматрона побічної дії
Принцип роботи плазматрона непрямого дії використовують в тих випадках, коли замкнути електричне коло між електродом плазматрона і нагрівається матеріалом не можна. Схема такого плазматрона показана на рис.1. Навколо водоохолоджуваному катода 1 знаходиться водоохолоджуваний корпус 3. У щілину між катодом і корпусом подають Плазмообразующий газ 2. Корпус відокремлюють від водоохолоджуваному сопла-анода 6 ізоляційні вставки 4. Катод і анод з'єднують електричною мережею 9.Между катодом і анодом запалюється електрична дуга 5. Дуга іонізує Плазмообразующий газ головним чином шляхом термічної іонізації. Конструктивне оформлення катодно-анодного ділянки виконано так, що дуга стискається відносно холодними шарами газу і власним магнітним полем дуги. Ця протидія розширення площі дуги (як це спостерігається при вільно палаючої дузі) і підвищує щільність струму в дузі.
Всі елементи плазматрона охолоджуються водою, тому частина тепла, яка виділяється в палаючій дузі, передається системі охолодження, в слідстві чого ККД плазмотрона порівняно невисокий. Його можна підвищити витратою плазмообразующего газу Qv (рис.2), однак при цьому падає середня температура струменя плазми, що виходить з сопла плазматрона. Середню температуру плазми можна підвищити збільшенням потужності, що підводиться P (рис.3). Нелінійність підвищення температури при цьому, в першу чергу, пояснюється підвищенням теплопровідності і випромінювання стовпа плазми.
Одним з недоліків плазматронов з незалежною дугою є висока теплова навантаження в місці анодного тепла, що може призвести до руйнування матеріалу анода. Тому іноді на анод встановлюють магнітну котушку, яка своїм полем обертає анодне пляма по поверхні анодного сопла, що збільшує час служби плазматронов.
Рис. 1.Плазматрон з незалежною дугою (непрямої дії):
1 - катод; 2 - Плазмообразующий газ, 3 - водоохолоджуваний корпус, 4 - електрична дуга; 5-ізоляційна вставка; 6 - водоохолоджуваний анод; 7-плазмовий струмінь; 8 - нагрівається матеріал; 9-електрична мережа

Рис. 2.Завісімость к.к.д. Рис. 3. Залежність середньої
плазматрона непрямого температури плазмового
дії від витрати аргону струменя від потужності, що підводиться
Таким чином, для правильного конструювання плазматронов необхідно знати їх вольт-амперні характеристики, від яких залежать розміри робочих частин плазматрона, вид і витрата плазмообразующего газу, довжину дуги та інші параметри.
Принцип роботи плазматрона прямої дії
В даний час для металургійних цілей, особливо для переплавки металу, застосовують потужні плазматрони, що працюють з залежною дугою (мал. 4). За допомогою таких плазматронов можна досягти набагато більшої потужності, ніж при використанні плазматронов побічної дії. Треба однак враховувати, що при цьому конструкція повинна витримувати більш високі теплові навантаження в усіх основних частинах плазматрона. Висока концентрація теплової енергії досягається дроселюванням електричної дуги за допомогою сопла. Сопло одночасно стабілізує дугу. При використанні таких плазматронов 75% передається матеріалу електричної дугою і лише 25% потоком плазми. Дроселювання стовпа дуги підвищує щільність струму, концентрацію енергії і напруга дуги, що в свою чергу підвищує температуру виходить з плазматрона потоку плазми до 16000 К і вище, тоді коли у плазматрона побічної дії ця температура не перевищує 5500 К.
Однією з важливих характеристик потужних плазматронов прямої дії є висхідна вольт - амперна характеристика, що дозволяє підвищувати струм дуги і напруга між катодом і анодом. Це значно збільшує потужність плазматронов даного типу. Зараз є плазматрони прямої дії, які мають потужності понад 6 МВт, що працюють на напрузі 700 В з струмом до 9 кА.
На малюнку 4 видно, що характер освіти стовпа дуги значно відрізняється від нього ж в плазматрони побічної дії. Стовп дуги тут на багато довше, що істотно впливає на розподіл напруги. З малюнка 4 так само видно, стовп дуги в соплі ізольований від добре провідного матеріалу сопла лише тонким шаром газу. Хоча цей шар газу на багато холодніше, ніж Іонізована плазма, він, як і ізоляція, дуже не надійний. З цього випливає, що треба виключити можливість роздвоєння дуги при пробої, коли утворюються дуги між катодом і соплом, а так само між анодом і соплом. Пробої і наступні роздвоєння дуги порушують режим роботи, є небезпечним для стійкості елементів плазматрона і знижують потужність. Тому основною вимогою при експлуатації плазматронов прямої дії є виключення пробоїв.

Рис.4. Плазматрони з залежною
дугою (прямої дії),
позначення див. рис. 1.
Плазмообразующий гази
У металургійній практиці можуть використовуватися такі інертні плазмообразующих гази як аргон, азот, водень, гелій, характеристики яких представлені в таблиці 1.
З таблиці 1 випливає, що склад плазмоутворюючого суміші сильно впливає на енергетичні параметри електричного розряду і плазмового струменя. Крім того, необхідно враховувати хімічний вплив плазмообразующих газів на метал і на процес ерозії катодного матеріалу. Можна очікувати, що в майбутньому будуть широко використовуватися плазмообразующих суміші, які з одного боку енергетично більш вигідні і з іншого боку менш дефіцитні й більш дешеві, ніж атомарні гази (аргон, гелій). З таблиці 1 видно, що двоатомні гази мають переваги перед атомарними газами.
Таблиця 1. Характеристики плазмообразующих газів
Параметри
Плазмообразующий гази
аргон
азот
водень
гелій
Молекулярна (атомна) маса ... ... ...
Щільність кг * м-3, при:
нормальних умовах ... ... ... ... ... ... ...
Т = 104 К і р ~ 0.1 МПа ... ... ... ... ... ... ....
Питома теплоємність при нормальних умовах, кДж / (кг * К-1) ...
Коефіцієнт теплопровідності, Вт * (м * К) -1 при:
нормальних умовах ... ... ... ... ... ... ..
Т = 104 К і р ~ 0.1 МПа ... ... ... ... ... ........
Електропровідність, см/м-1, при Т = 104 К і р ~ 0.1 МПа ... ... ... ... ... ... ...
Енергія дисоціації, МДж * моль-1
Потенціал іонізації, В:
одноразової ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
дворазової ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ....
Енергія іонізації, МДж * моль-1
одноразової ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
дворазової ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ....
Ентальпія плазми, кДж * моль-1, при:
Т = 104 К і р ~ 0.1 МПа ... ... ... ... ... ... ...
Т = 1,5 * 104 К і 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
*-Максимальне значення при Т = 7 * 10 8 К одно 6,08 Вт (м * к)
**-Максимальне значення при Т = 3,8 * 10 4 До равно13, 4 Вт (м * к)
В даний час використовують 2 типу плазмово-дугових печей: з вогнетривкої футеровкой і з водоохолоджуваним кристалізатором. В обох типах плазмово-дугових печей переплав можна здійснити у вакуумі або в регульованому газовому атмосфері.
Плазмово-дугові печі з вогнетривкої футеровкой (рис.5) експлуатують як промислово виробничі агрегати (табл. 2). Найбільші 35-т плазмово-дугові печі, розроблені спільно НДР та СРСР, споруджені з використанням чотирьох плазматронов потужністю 6 МВт кожен. Плазматрони поставлені по боках під нахилом. Витрата аргону на всі працюючі плазматрони становить 45 м 3 / год (22,5 г / с). Витрата води відповідно 167 м 3 / ч. Швидкість розплавлення становить 20000 кг / год і витрата електроенергії на розплавлення відповідно 500 кВт * год / т. Вогнетриви витримують близько 150 плавок і плазматрони практично відновлюються через 30 годин. Печі вже кілька років працюють стабільно. Їх експлуатація протікає практично безшумно, що значно полегшує роботу біля печей. Річна продуктивність 35-т печей - становить 80000 т високолегованої сталі. На підставі досвіду печей місткістю 15 і 35 т у Німеччині проводилися дослідження з метою створення більш великих печей місткістю 65-ї 110т.
Дослідження теплової роботи великих печей показали, що вони працюють ефективно тільки тоді, коли плазмова струмінь передає тепло в розплавлені канали шихти, тому що потужність дуги, передана шихті випромінюванням, конвекцією та теплопровідністю характеризується наступним ставленням Р изл.: Р і: Р т = 40:8:1. Для забезпечення надійного запалювання плазматронов часто у великих печах застосовують додаткову (допоміжну) пальник.
Таблиця 2.Характеристика плазмово-дугових печей з керамічним тиглем
Країна
Місткість,
кг
Глибина
металу
мм
Діаметр
ванни,
мм
Висота
мм
Потужність
кВт
Сила струму, кА
Напруга дуги, У
СНД
300
30000
130
-
640
-
390
-
300
До 24000
2
-
50-150
-
Німеччина
250
15000
35000
160
550
-
510
2900
-
470
1400
-
3Ч100
3Ч4000
4Ч6000
-
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
Плазмово-дугові печі з кристалізатором
Плазмово-дугові печі з кристалізатором мають великі перспективи, так як плазмовий нагрів успішно застосовується як при переплаву високоякісних сталей і сплавів, так і тугоплавких металів. У водоохолоджуваному кристалізаторі безпосередньо виходить злиток. Процес добре регулюється в широких межах швидкості переплаву, пічне пристрій порівняно просте. Ці печі використовують при зниженому, нормальному і підвищеному тиску. Злитки виробляють масою від 100 кг до 5 тонн (табл. 3). Шляхом зміни швидкості витягування злитка можна створити різні умови кристалізації та перегріву рідкого металу. Регулюванням атмосфери печі легко здійснити різні технологічні операції (дегазацію, азотування, і т.д.). Такі печі будують у двох варіантах: з бічною подачею шихти (мал. 5) і з центральною подачею шихти (ріс.5b). Будують так само печі з горизонтальними кристалізаторами. Через відсутність вогнетривкої футеровки обслуговування цих печей полегшується, але енергетичні показники їх гірше, ніж в печах з футеровкою. До підготовки шихти тут так само пред'являються більш високі вимоги. Але через відсутність вогнетривкої футеровки можна плавити метали, температура розплавлення яких перевищує температуру експлуатації вогнетривів. Одним з переваг таких печей є можливість виплавлення злитків досить високої чистоти.

Таблиця 3. Характеристика плазменно-дугових печей з кристалізатором конструкції інституту електрозварювання ім. Патона
Параметри
Тип печі
У-365
У-487
У-400
У-500
У-555
Потужність плазматронов, кВт ... ...
Число плазматронов ... ..
Потужність допоміжного обладнання, кВт ... ..
Напруга живлення, В ... ... Максимальна маса зливка, кг ...
Максимальна довжина злитку, кг ...
Макс. діаметр злитку, мм ... ....
Макс. довжина переплавляється заготовки, мм ....
Швидкість витягування зливка, мм * хв -1 ..
Висота 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
Особливості теплової роботи. Теплообмінні умови характеризують теплопередачу від плазмової дуги в робочий простір ПДП: на бічну поверхню футеровки відбувається, в основному випромінювання (до 85-95% усього теплового потоку) від плазмового як лінійного високотемпературного (100000-25000 К) випромінювача; на ванну в зоні анодного плями надходить 35-50% тепла в результаті конвективного переносу плазми із стовпа дуги.

Рис.5. ПДП з водоохолоджуваним кристалізатором:
а-бічна подача шихти; b-центральна подача шихти;
1 - плазматрони; 2 - шихта; 3-кристалізатор
Теплова потужність, що передається металу в анодному плямі, Р а залежить від сили струму і довжини дуги, коли закінчено формування конічного ділянки стовпа з боку катодної плями. За даними М.М. Крутянського:
Pa, max = 0.4P Д, при l Д max = (4ч5) D ст,
де D ст ​​- діаметр циліндричної частини стовпа дуги.
Особливість розподілу теплового випромінювання від вертикальної плазмової дуги між поверхнями вільного простору ПДП в порівнянні з ДСП полягає в меншій спрямованості випромінювання високотемпературного стовпа на ванну (<30-40%), практичній відсутності екранування теплових потоків на склепіння і в наявності небезпечної для теплової роботи футеровки стіни зони «гарячого поясу» на висоті, яка дорівнює половині довжини дуги, тобто h гір = 0,5 l Д.
Нерівномірність опромінення зводу залежить не тільки від довжини дуги l Д, але і від висоти розташування зводу. Тому при конструюванні ПДП необхідно вибирати раціональне співвідношення (h cn / D o) равн, що забезпечує рівномірну опромінення поверхні склепіння при даній довжині плазмової дуги.
З урахуванням вищевикладеного, раціональний тепловий режим ПДП залежить від параметрів плазмової дуги. Вся потужність дуги Р Д складається з потужності, що передається ванні в анодному плямі Р а, потужності, що виділяється в стовпі дуги Р ст і потужності, що виділяється в катодній області Р н. Як вже зазначалося потужність Р а повністю поглинається металом і не залежить від геометричних розмірів робочого простору ПДМ. Потужність Р н становить 1-2% від величини Р Д і її значенням можна знехтувати. Тому потужність передається плазмової дузі на ванну Р в = Р а + Xр ст, де x-частка потужності, що передається ванні від стовпа дуги, яка в умовах променистого теплообміну (з точністю до 5-45%) є кутовим коефіцієнтом, залежних від ставлення l д / D o і визначеним, наприклад, методом світлового моделювання.
Результати розрахунків, виконаних Л.М. Курляндським для ПДП місткістю до 12 тонн, показують:
1) для кожного значення сили струму дуги існує раціональне значення її довжини l рац д »2lд max, при якому потужність Р в максимальна і складає від всієї потужності дуги 42-45%;
2) найбільше відношення Р в / Р д, рівне 56%, досягається при найбільш короткій дузі, рівної l д = l д max. Проте менша напруга дуги в цьому випадку є причиною абсолютного зниження потужності Р n;
3) надмірне подовження дуги (l д> 2l д max) призводить до різкого зниження P n, незважаючи на відповідне збільшення U д (при незмінній температурі футеровки), так як потужність, що передається через анодне пляма, поступово зменшується до нуля, знижуючи ефективність плазмового нагріву.
Слід особливо відзначити, що раціональну довжину плазмової дуги слід встановлювати, коли метал майже розплавлений. На початку періоду розплавлювання можна працювати і на більш довгих дугах, щоб ввести в піч максимально можливу потужність Р д, яку можна отримати від джерела живлення.
Геометричні розміри вільного простору узгодять з обраним l д рац. Або заданим значенням (по електричних умов) довжини дуги, щоб висота стіни, що визначає розташування п'ят склепіння, відповідала умові: h c т кр <h ст <h ст равн, де h c т кр - найменша допустима висота розташування зводу, при якій відбувається рівнозначне опромінення плазмовими дугами футеровки склепіння та стіни в «гарячому поясі».
Умова h ст равн <h ст при даній довжині дуги l д пов'язано зі збільшенням заглиблення плазматронов у вільний простір і зростанням теплових втрат з охолоджуючої середовищем, тоді як опромінення поверхні склепіння практично не змінюється.
Як вже зазначалося, параметри електричного режиму ПДП, зумовлені вольтамперной характеристикою плазмової дуги, залежать від цілого ряду зовнішніх чинників-складу і витрати плазмообразующего газу, температурної ситуації в робочому просторі, довжини дуги.
На відміну від ДСП в робочому режимі ПДП не потрібно безперервного пересування плазматрона, так як існує певна довжина дуги l д рац, що залежить від сили струму, при якій відбувається найбільш ефективна передача тепла від плазмової дуги до ванни тобто P в максимальна. Пересування плазматрона необхідна для запалювання дуги. Послідовність операцій така: спочатку проводять пробою проміжку між катодом і соплом високовольтним іскровим зарядом, які порушуються спеціальним розрядником - високочастотним осцилятором і запалюють допоміжну дугу з силою струму до 200 А; потім за допомогою, наприклад, гідравлічного приводу пересувають плазматрони у бік шихти до тих пір, поки під дією напруги полотна ходу джерела живлення не відбудеться пробій робочого проміжку, іонізіруемого потоком плазми допоміжної дуги, і запалювання плазмової дуги між анодом-шихтою. Після запалювання основної дуги встановлюють плазматрони в робочому положенні, яке характеризується раціональною для заданої сили струму довжиною дуги l д рац.
Електротехнічним недоліком ПДП є зниження U д з збільшенням температури робочого простору і відповідне зменшення потужності нагріву по ходу плавки (при незмінних значеннях сили струму та масової витрати плазмообразующего газу). У ряді випадків вдається стабілізувати або навіть підвищити напруги і потужність плазмової дуги шляхом введення другого компонента в Плазмообразующий газ - водню або азоту, оскільки в цих газах дугового розряд має більш високу вольт - амперна характеристику. Але водень, крім того, що збільшує вибухонебезпечність, робить шкідливий вплив на хід технологічного процесу і якість деяких марок сталей. У таких випадках можливо вдування в робочий простір ПДП додаткового обсягу холодного газу з подальшою його відкачуванням і охолодженням. Втрати тепла з відкачуваних газом можуть бути компенсовані зниженням теплових втрат у всіх елементах печі в результаті прискорення плавки при більш високій потужності плазмових дуг.
У печах з вогнетривкої футеровкой максимальне значення потужності дуг Р д обмежена допустимою температурою Т ф з-за особливих умов теплопередачі від плазмових дуг. Тому експлуатація ПДП можлива тільки з системою автоматичного регулювання величини Р д по безперервно вимірюваної температурі футеровки Т ф.
Техніко-економічні показники.
ПДП з вогнетривкої футеровкой мають гірші енергетичні показники в порівнянні з ДСП з-за додаткових теплових втрат у плазматрона і подовий електрод. Загальні втрати енергії в водоохолоджуваних елементах досягають 35-40%, з яких 15-20%-в ущільнювачі плазматрона; 8-10% - у самому плазматрони (корпус, сопло, катод); 1-2% в подовий електрод. Для малих печей (місткістю до 5 тонн) теплової ККД становить за даними ВНІІЕТО 0,3-0,35.
Електричний ККД h 0 враховує електричні втрати при формуванні плазмової печі (h 0) в струмоведучих елементах плазматрона (h пл) у другому струмопроводу (h к.ч.) і в джерелі харчування (h і.п.), тобто h 0 = h К.В h пл h І.П
Зазвичай ККД дугових плазматронов прямої дії h 0 »1, для плазматронов побічної дії не перевищує 0,7-0,8 (залежно від складу і витрати плазмообразующего газу).
За даними ВНІІЕТО, питома витрата електроенергії в плазмово-дугових печах різної місткості m 0 і різної потужності Р становить:
m 0, т ... ... ... ... ... ... ... ... ... 5 жовтня 1930
Р, МВт ... ... ... ... ... ... ... .. 3,5 7-8,5 12-15
W 2 y, МВт * год / т ... ... ... ... ... 0,7 0,65 0,625
W y, МВт * год / т ... ... ... ... 0,9-1,1 Ні св. Ні св.
У ПДП з кристалізатором діаметром D кр величина W у складає:
D кр, мм 150 250 320
W y, МВт * год / т 2,4 1,2 0,96
За технологічним інструкціям рекомендована швидкість витягування злитка і відповідна масова швидкість Q m плазмово-дугового переплаву залежить від розміру (діаметра D кр) кристалізатора, сортаменту переплавляють сталі і сплавів, електричного режиму, складаючи, наприклад, для печей типу В-400 (потужність 240 кВт ) 2,5-9 мм / хв і 50-200 кг / ч. При цьому річна продуктивність досягає 100-260 тонн «чорних» злитків діаметром 150 мм.
Для дугових плазматронов різної потужності приймають Q v »15ч60 м 3 / ч. Тому питома витрата плазмообразующих газів при низькій продуктивності ПДП може бути надмірно великою (до 20-30 м 3 / т), визначаючи при високих цінах на аргон значні витрати. Ці апарати знижують за рахунок: застосування сумішей дешевших плазмообразующих газів (наприклад, аргон з азотом); регенерації відпрацьованих газів; видалення повітря з робочого простору герметичній ПДП шляхом вакуумування замість звичайної продувки плазмообразующих газом.
Порівняльний економічний аналіз різних методів електроплавки показує, що:
1) плазмова плавка в печах з футерівкою може бути самою економічною, оскільки за рахунок зниження чаду (при плавці) і збільшення виходу придатного (при подальшому переділі) в порівнянні з плавкою у ДСП можливе зменшення наскрізного витрати металу, зниження собівартості (на 10-15 %) при менших питомих капітальних витратах (на 10-12%);
2) плазмовий переплав у печах з кристалізатором займає проміжне положення між вакуумно-дуговим переплавом та електронної плавкою. Однак при використанні ПДП з витрачаються плазматронов економічність процесу зростає.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Курсова
64.2кб. | скачати


Схожі роботи:
Іонно-плазмові двигуни з високо-частотної безелектродний іонізацією робочого тіла
Трубчасті печі
Двохванний печі
Секційні печі
Протяжні печі
Розр т металургійної печі
Відбивні двокамерні печі
Автоматизація вапняно-обпалювальної печі
Розрахунок насадки мартенівської печі
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru