Плазменные дуговые печи

Плазменные дуговые печи (ПДП) применяют для вы­плавки и рафинирующего переплава высококачественных сталей. При этом, так же как в ВДП, исключается загрязнение металла материалом электродов и снижается загряз­нение газами из атмосферы печи, так как поток плазмы мо­жет состоять в принципе из любой, необходимой для про­ведения технологического процесса смеси газов. Благодаря тому, что рабочее пространство ПДП заполнено газом при давлениях, близких к атмосферному, потери металла за счет испарения гораздо меньше, чем в вакуумных плавиль­ных печах.

Высокая концентрация энергии и чрезвычайно интен­сивная теплопередача к металлу при сравнительно неболь­ших потерях тепла в окружающую среду позволяют достичь в ПДП очень высоких скоростей плавления, а простота конструкции этих печей способствует осуществлению в них таких технологических операций (наводка и скачивание шлака и т.д.), которые невозможно провести в вакуумных печах.

Возможно выполнение ПДП либо с огнеупорной футе­ровкой (подобно дуговым сталеплавильным печам), либо с водоохлаждаемым кристаллизатором (подобно ДВП). На рис. 151 схематически показана ПДП с футерованной огнеупорными материалами рабочей камерой. Форма ванны этой печи очень похожа на форму рабочей камеры дуговой сталеплавильной печи. Огнеупорные материалы, применяе­мые для ее футеровки, те же самые, что и в дуговых сталеплавильных печах. Вместо электродов в своде печи уста­новлен плазматрон постоянного тока, а водоохлаждаемый медный анод смонтирован в поду печи так, чтобы он нахо­дился в контакте с металлом. В ПДП такого типа возмож­но использование и плазматронов переменного тока. Свод печи установлен с уплотнением, в качестве которого может быть использован лабиринтный песочный или гидравличе­ский затвор, обеспечивающий газоплотность рабочего про­странства.

Работа такой печи почти не отличается от работы дуговой сталеплавильной печи, за исключением того, что по­сле загрузки шихты из рабочей камеры откачивают воздух, заполняют ее тем газом, который используется в плазматроне, до давления, близкого к атмосферному, а потом на­чинают процесс расплавления шихты. Так же, как дуги в дуговой печи, плазменная струя в этой печи проплавляет сначала колодец в шихте и расплав постепенно накаплива­ется на поду. После завершения расплавления осуществля­ют необходимые по технологии плавки процессы рафинирования металла и производят его выпуск. Возможна установка плазматронов не в своде печи, а в ее боковых стенках с накло­ном внутрь рабочего пространства. Это позволяет сократить тепловые потери с водой, охлаждающей корпусы плазматронов, и тем самым повы­сить тепловой к.п.д. печи.

К настоящему времени созданы промышленные вариан­ты подобных печей емкостью до 30 т и можно в будущем ожидать их внедрения в практику сталеплавильного про­изводства.

Устройство ПДП для переплава слитка в кристаллиза­торе показано схематически на рис. 152. Подвергаемую переплаву заготовку в виде стержня подают в рабочую каме­ру, в верхней крышке или стенках которой установлены один или несколько плазматронов так, чтобы создаваемые ими потоки плазмы попадали на конец стержня. Стержень в ре­зультате оплавляется и стекающий в кристаллизатор рас­плав затвердевает, формируя слиток. Выплавляемый сли­ток служит здесь анодом, и на его верхней части образует­ся лунка жидкого металла. Плазматроны располагают в рабочей камере так, чтобы обеспечить как можно более равномерный нагрев ванны по всей ее поверхности, а заго­товку подают по оси печи сверху. Рафинирование и удале­ние газовых включений происходят как в процессе оплав­ления стержня-заготовки, так и в лунке расплава.

Процесс плазменно-дуговой плавки позволяет легко ре­гулировать подводимую мощность и, следовательно, темпе­ратуру поверхности расплава и скорость плавки. Это делает его более гибким по сравнению с процессом плавки в ВДП, а качество металла получается высоким, причем воз­можна плавка в вакууме и в среде инертного газа.

Возможны варианты таких печей с глухим кристаллиза­тором (с неподвижным поддоном) и вытягиванием слитка (с движущимся поддоном). ПДП выгодно отличается от ВДП простотой устройства и безопасностью эксплуатации.

Институтом электросварки им. Е. О. Патона АН УССР разработана серия промышленных ПДП с медным водоохлаждаемым кристаллизатором для выплавки слитков пре­цизионных и жаропрочных сплавов массой до 150 кг, слитков шарикоподшипниковых сталей массой 0,5 – 1,0 т и слит­ков специальных конструкционных и нержавеющих сталей массой 3 – 5 т. В небольших печах установлено по четыре плазматрона мощностью 160 кВт, а в крупных — по шесть плазматронов мощностью до 2800 кВт.

Индукционные печи