Плазменные установки для плавления тугоплавких металлов

Возможность получения высокой температуры и управ­ления составом газовой среды — основные преимущест­ва плазменного нагрева при получении и плавлении цвет­ных и редких металлов. Это особенно необходимо в металлургии тугоплавких металлов и соединений.

Плазма образуется при про­хождении газа через специальное устройство — плазматрон, где происходит его ионизация и нагрев. В метал­лургии используется низкотемпературная плазма с тем­пературой до 50000 К и небольшой степенью ионизации (~1% ). Выбор газа для получения плазмы определяет­ся требованиями технологического процесса и его энергетическими свойствами.

Все технологические процессы можно проводить в га­зовых средах трех типов — восстановительной, окисли­тельной и нейтральной. Для получения восстановитель­ной среды целесообразно применять недорогой и недефи­цитный активный восстановитель — водород. В качестве окислительной среды широкое использование находит кислород. Для получения нейтральной среды применяют дефицитные благородные газы — аргон и гелий — и лишь ограниченно используют азот, поскольку с азотом при высокой температуре некоторые металлы образуют нит­риды. Кроме того, азот нужно тщательно очищать от примеси кислорода, что приводит к его удорожанию.

В отдельных случаях применяются воздух, аммиак. Мо­жет использоваться среда из смеси газов.

Энергетические характеристики газов обусловлены способностью их ионизации, теплоемкостью и теплопро­водностью плазмы, ее энтальпией. На рис. 166 приведены зависимости удельной энтальпии ряда газов от темпе­ратуры. Из рис. 166 видно, что при относительно низких температурах идет процесс диссоциации многоатомных газов, а затем с повышением температуры — ступенчатая ионизация с образованием одно-, двух- и более заряд­ных ионов. Образование многозарядных ионов имеет мес­то при температурах выше 30000 К. Водород, гелий и азот имеют наибольшие значения удельной энтальпии, т. е. при одной и той же температуре количество тепла, со­держащееся в единице массы у водорода, гелия и азота больше, чем у других газов. Большая теплопроводность водорода (в 10 раз больше, чем у аргона) делает водород весьма ценной газовой средой, особенно в восстановительных процессах. Вместе с тем ряд металлов с во­дородом образует соединения — гидриды. Это ограничи­вает возможность применения водородной плазмы. Поэтому особую ценность имеет нейтральная среда из ар­гона, гелия. Из-за большой дефицитности гелия он при­меняется редко. В связи с широким использованием ар­гона усиленно развивается попутное его извлечение при получении кислорода и азота. Разрабатываются методы его очистки и регенерации после использования в плазменных устройствах. Что касается энергетических харак­теристик аргона, то они невысокие (низкие значения энтальпии, теплопроводности, теплоемкости). Для улуч­шения энергетических параметров плазмообразующих газов применяют смеси газов (аргон — водород, аргон — гелий, азот — водород и др.).

Для получения плазмы используются два типа плазматронов — дуговые,или электродные, и индукционные, или безэлектродные. Дуговые плазматроны в свою оче­редь могут быть двух типов — косвенного и прямого дей­ствия (рис. 167). В плазматронах косвенного действия (рис. 167, а) электрическая дуга горит между электро­дом 1 (катод) и соплом 4 (анод). Плазмообразующий газ подается в пространство между электродом и стенка­ми рабочей камеры 2. Рабочая камера и сопло охлаж­даются водой и электрически изолированы друг от дру­га прокладкой 3. Нагреваемый объект 5 за счет тепло­обмена получает тепло от плазмы. Электропитание дуги осуществляется от источника 6 в большинстве случаев постоянным током, чтобы обеспечить равномерность го­рения дуги. При этом катодом является электрод, а ано­дом — сопло. Такое направление тока позволяет увели­чить срок службы катода, так как на катоде выделяется меньшая мощность, чем на аноде. Кроме того, рекомби­нация ионов происходит на катоде без загрязнения на­греваемого материала. Возможна работа плазматрона и на переменном токе. При этом число устанавливаемых плазматронов в печи часто берется кратным трем (если сеть трехфазная). Потери энергии в плазматроне могут достигать 50—70%. Таким образом, к. п. д. плазматро­на косвенного действия 30—50%.

В плазматронах прямого действия (рис. 167, б) ано­дом служит нагреваемый объект. Это позволяет повы­сить эффективность нагрева и к. п. д. плазматрона до 70—85%. Сопло плазматрона выполняется из меди, об­ладающей высокой тепло- и электропроводностью. За­щита сопла от ядра плазмы осуществляется потоком хо­лодного газа, который в таком состоянии не проводит ток и способствует обжатию струи плазмы. На рис. 167 приведены диаграммы падения напряжения на отдель­ных участках от катода до анода. Помимо падений на­пряжения на катоде и аноде имеет место падение на­пряжения на участках катод — сопло, по длине сопла, а в плазматронах прямого действия еще и на участке сопло — анод. Общее падение напряжения равно напря­жению на дуге.

При недостаточной изоляции в плазматронах прямо­го действия возможен пробой разряда на сопло, тогда вместо дуги I будут гореть две дуги (II/ и III). Это не­желательное явление можно устранить лучшим центри­рованием электрода по отношению к отверстию сопла и уменьшением падения напряжения сопла (U_с). Для стабилизации дуги может применяться магнитное поле, создаваемое вокруг сопла плазматрона.

Электрод плазматрона, охлаждаемый водой, чаще всего делают из тугоплавкого металла (вольфрама, тан­тала, ниобия или молибдена). Для повышения эмиссион­ной способности в материал электрода вводят добавки (окислы тория, иттрия, кальция, церия или бария).

На рис. 168 показан дуговой плазматрон на мощность от 100 до 2000 кВт. В нем предусмотрено раздельное водоохлаждение катода 3 и корпуса 5. Плазмообразующий газ подается в зазор между электрододержателем 1 и корпусом и выходит в зазор между катодом и соплом 2. Сопло изготовлено из меди и имеет каналы для охлаж­дения водой. Во избежание двойного дугообразования сопло имеет жаростойкое изолирующее покрытие 4. Плазматрон такого типа с катодом диаметром 12,7 мм и соплом диаметром 19 мм при массовом расходе арго­на 2,5—2,8 г/с имеет силу тока 2—2,5 кА, напряжение 177—165 В и мощность 355—410 кВт, длину дуги 305—760 мм.

На рис. 169 показаны схема высокочастотного ин­дукционного плазматрона и изотермы температур полу­чаемой плазмы. Плазматрон состоит из кварцевой трубы 7 с индуктором 4 вокруг нее. Труба крепится к устройст­ву для подачи газа 2 с по­мощью бронзового зажима 3. Электропитание индуктора осуществляется от лампового генератора переменного тока с частотой 1—40 МГц.

Выбор оптимальной частоты зависит от применяемо­го газа и диаметра кварцевой трубы. В зависимости от рода газа частоту рекомендуется брать равной, МГц: для аргона 1,57; воздуха, азота, кислорода 7,86; гелия 3,93; водорода 39,3.

Диаметр кварцевой трубы выбирают в зависимости от мощности плазматрона. При мощности 5; 10 и 20 кВт применяются трубы диаметром 15—40; 60 и 85 мм со­ответственно.

Первоначально плазму поджигают с помощью гра­фитового стержня 1, опускаемого в зону индуктора. При его разогреве в поле индуктора повышается ионизация газа и загорается плазма 5. Образующийся горячий газ 6 выходит из трубки 7 и используется для нагрева. Види­мую границу плазмы 8 отделяет от стенок трубки более холодный газ. Для лучшего охлаждения стенок газ подается в трубку тангенциально. Такая подача заставля­ет основную массу газа протекать спиралеобразно вдоль стенок трубки, что приводит к более интенсивному охлаждению внутренней стенки кварцевой трубки при минимальном сжатии плазмы и дает возможность увели­чить мощность. Наибольшая температура плазмы по изо­термам находится в центре плазмы (16000 К). По мере удаления от центра температура падает до 5000 К вбли­зи стенок. Преимуществом индукционных плазматронов является большая чистота плазмы. В электродном плазматроне происходит частичное распыление материала катода и возможно некоторое загрязнение нагреваемого объекта.

Наибольший эффект при применении плазменного на­грева достигается при прямом восстановлении металлов из руд и концентратов. Показана возможность непосред­ственного получения чистых металлов (бериллий, алюми­ний, магний, титан, цирконий, вольфрам и др.), для ко­торых прямое восстановление обычными методами за­труднено или вообще невозможно. На рис. 170 показана установка для прямого восстановления металла в дуге высокой интенсивности. Она состоит из камеры, в кото­рую помещены два электрода. Катодом 2 служит обыч­ный графитовый стержень с механизмом подачи 11. Анодом 3 служит обрабатываемый материал с механизмом подачи и вращения 9. Анод изготавливается из смеси окислов и графита. Графит добавляется для увеличения электропроводности анода. В других случаях в качестве анода применялся стержень, состоящий из графитовой оболочки, в которую постоянно подается сырой концентрат. В камере поддерживается необходимая атмосфера и давление. При получении хлоридов и нитри­дов в камеру подается хлор и азот. Реакционная камера установки непосредственно связана с холодильной каме­рой 6 и фильтром. Быстрое охлаждение продуктов реак­ции необходимо для того, чтобы не успевала протекатьобратная реакция. Параметры установки для обработки окиси бериллия следующие: диаметр анода 50 мм, ток дуги 750 А, напряжение на дуге 80 В.

Плазменный нагрев может быть использован в печах для плавления металла. На рис. 171 показана печь, на­поминающая обычную дуговую, в которой электроды за­менены одним или несколькими плазматронами прямого действия 1, работающими на аргоне. В подине вмонтиро­ван заподлицо с ее внутренней поверхностью подовый во­доохлаждаемый электрод 4. Для перемешивания ме­талла установлен соленоид 3. Для герметизации печного пространства свод печи имеет песочный затвор 2. Такие печи имеют высокую стабильность электрического режи­ма (колебание силы тока ±2%, в дуговых печах — до 50%) и большую скорость процесса. В них отсутствуют короткие замыкания. Значительное снижение содержа­ния примесей и газов в переплавленном металле, кото­рый по своим свойствам превосходит металл, получен­ный в вакуумной индукционной печи.

Повысить к. п. д. печи, увеличить срок службы футе­ровки и снизить расход воды на охлаждение плазматрона можно установив плазматроны на боковых стенах под углом 45°.

Другой разновидностью плавильной печи является печь для плавки в водоохлаждаемый кристаллизатор, схема которой показана на рис. 172. Несколько плазматронов 3 располагаются в камере 2 радиально под углом к вертикали. Переплавляемый слиток 1 помещается вер­тикально над кристаллизатором. Слиток вращается во­круг вертикальной оси и опускается. Плазменная струя плавит слиток и нагревает ванну металла в кристалли­заторе 5. Закристаллизовавшийся слиток постепенно опускается с помощью механизма вытягивания 6.

В печах такого типа обеспечиваются широкое регу­лирование скорости переплава, более высокая степень перегрева металла выше температуры плавления. Созда­ние плоской металлической ванны улучшает структуру получаемых слитков.

Высокочастотные индукционные плазматроны имеют небольшую мощность, ограниченную мощностью высоко­частотных генераторов. Они применяются для плавки сверхчистых тугоплавких металлов, большей частью по­рошкообразных, а также для выращивания монокристал­лов тугоплавких металлов и окислов по методу Вернеля. Схема установки для получения монокристаллов пока­зана на рис. 173, а. Рост монокристаллов происходит при подаче нагретого порошка на оплавленную поверхность кристалла 8. Порошок материала из питателя 3 по ма­гистрали 4 поступает в зону высокой температуры плаз­мы. Детали устройства высокочастотной горелки пока­заны на рис. 173, б. Нагрев газа производится горизон­тальным спиральным индуктором 7. Концентрически расположенные кварцевые трубки 12 предназначены для подачи порошка (внутренняя трубка), для подачи плаз­мообразующего газа (средняя трубка). В зазор между внешней и второй трубкой подается защитный газ. По мере роста кристалла он постепенно опускается вниз со скоростью несколько сантиметров в час.

Известны и другие направления использования плаз­мы. Ее применяют при нанесении металлических покры­тий, получении тонкодисперсных металлических порош­ков путем испарения и конденсации металла, синтезиро­вании различных тугоплавких соединений металлов и т. д. Есть все основания полагать, что применение плазмы в металлургии цветных металлов будет и дальше расширяться.