Плазмалы қыздыру кұрылғылары
Плазматрондардың типтері мен конструкциялары
Плазмалы қыздыру қондырғыларының жұмысы газды-разрядтық плазманы жылу тасығыш ретінде пайдаланылуға негізделген. Плазманың жеткілікті электр өткізгіштігі электр энергиясының электродтар аркылы өткізгіштік тогын өткізу кезінде (кондукциялы тәсіл) немесе айнымалы электр магнит өрісімен қозатын (индукциялы тәсіл) электрондық және ионды ауыстыру тогының көмегімен жылу энергиясына түрленуін қамтамасыз етеді. Себебі плазманың құрылуы газдың диссоциация және иондануының эндотермиялық процестерімен байланысты болғандықтан, плазма оны энергиясы сыйымдылықты пирометаллургиялық процестерде, сонымен қатар жоғары қоспаланған болат пен балқыманы балқыту, рудадан алынған металдың тікелей тотықсыздануы, ферробалқымаларды алу үшін пайдаланылуға беретін жеткілікті жоғары энергиясының мөлшерімен сипатталады.
Плазматрон – қоректендіру көзінің электр энергиясын плазма ағыншасының (ағынының), яғни плазмалы генератордың жылу энергиясына түрлендіруге арналған қүрылғы. Электр энергиясын жылу энергиясына түрлендіру тәсілдеріне байланысты плазматрондар былай бөлінеді: доғалы, индукциялы (жоғары жиілікті) және электрондық (аса жоғары жиілікті).
Доғалы плазматрондар кеңінен қолданысқа ие болды, онда плазма температурасын 104 К дейін жеткізу доға бағанасын арна қабырғаларымен (гидродинамикалық сығылу), газды ағынмен (аэро- динамикалық сығылу) немесе сыртқы магнит өрісімен (электр магниттік сығылу) сығылумен жүзеге асуы мүмкін.
Доғаның газды ағынмен сығылуы кезінде (әдетте бүл плазматронның разрядты камерасына бірнеше артық қысыммен берілетін плазма қалыптастырушы газ ағыны) газдың бір бөлігі доға бағанасы арқылы өте отырып, қызады, иондалады және разрядты камера арнасынан (соплодан) плазмалы ағынша түрінде шығады, ал газдың сыртқы қабаты арнадағы өзінің қысымымен доғаны сығады (аэродинамикалық әсер), сонымен қатар доға бағанасының перифериясын қатты суытады және оның тарылуын тудырады (термиялық сығу әсері). Дәл сол уақытта осы газ ағынының сыртқы қабаты соплоның суды суытатын қабырғаларымен жанаса отырып, плазма ағыны мен сопло арасында электр және жылу оқшаулауын тудырады. Сопло шығуда біршама кеңейетін плазмалы ағыншаны сығатындықтан (кедергі жасайтындықтан), доғаның өзіндік магнит өрісінің әсерінен (сығушы әсер) қысымның осьтік градиенті туындайды және ағынша ағысының жылдамдығы дыбыс жылдамдығының мәндеріне дейін (300 м/с-тан жоғары) артады.
Плазматронның разрядты камерасындағы газ қозғалысы аксиал және тангенциал (қүйынды) түрде бола алады. Суық плазма түзуші газ плазматрон осінің бойымен қозғалу кезінде өзекті электрод бойымен өтеді, оны суыта отырып, қызып және плазмалы ағыншаға (бұл ағынша сыртқа екінші электродтың тесігі арқылы шығады) өте отырып, доға бағанасын шаяды. Арна пішінін дұрыс таңдаған кезде плазмалы ағыншадағы газ қозғалысының ламинарлы сипаты сақталады.
Доға бағанасы мұндай жағдайларда плазматронның бойлық осінің жанына тұрақталады. Тангенциал беру кезінде (плазматрон осіне қатысты) плазма түзетін газ спираль бойымен қозғала отырып, плазмалы ағыншаны құрайтын арна қабырғаларынан плазмалы ағыншаның құйынды сығылуын тудыра отырып, доға мұнарасын шаяды. Газ ағыны ағуының турбулентті сипаты доғаны разряд пен плазма ағыншаны түзетін газ арасындағы жылу алмасуды күшейтеді, соның салдарынан плазмалы ағынның түзілуі процесінің ПӘК артады. Плазма түзуші газдың құйынды ағысы доғаның тірек дағының электрод бетімен үздіксіз орын ауыстыруын тудырады, бұл оның қызмет етуіне жағымды қолайлы жағдай тудырады және плазматрон қуатын арттыруға мүмкіндік береді.
Сыртқы магнит өрісінің әсері екі типті болуы мүмкін: 1) плазмалы ағыншаның тұрақтануын және сығылуын тудыратын көлденең магнит өрісінің әсері; 2) плазмалы доғаның тангенциал орын ауыстыруын (айналуын) тудыратын көлденең магнит өрісінің әсері. Бұл ретте доға жартылай орын ауыстыруы мүмкін, мұнда доғаның тірек дақтарының бірі (мысалы, катодты дақ) қозғалыссыз қалады немесе доғаның шеңбер бойымен толық орын ауыстыруы, сол кезде доғаның екі тірек дағы да қозгалады. Металлургиялық плазматрондардың көбісі тікелей полярлы тұрақты токта (4.1.1, а-сурет) доғаның физикалық ерекшелігінің нәтижесінде жұмыс істейді, бұл доға анодында катодтағыға қарағанда, жылу көбірек бөлінеді.
Тұрақты ток плазматрондарының айнымалы ток плазматрондарынан маңызды артықшылығы доғаның жануының тұрақтылығы болып табылады. Токтың нөл арқылы өтуі кезінде доғаны сөндіру мүмкін, сондықтан әдетте айнымалы токпен қоректендіру көзінің бос жүріс кернеуі доғаның жұмыс кернеуінен екі есе жоғары болады. Плазматрондарды тұрақты токпен қоректендіру кезінде 0,8- 0,9 қатынасына қол жеткізуге болады. Сондықтан, доғаның бірдей қуаты кезінде тұрақты ток көзінің белгіленген қуаты айнымалы ток көзінің қуатына қарағанда аз болады. Бұдан басқа, тұрақты ток көзі үш фазалы желінің біркелкі жүктелуін қамтамасыз етеді. Материалдарды өңдеу процестерінің көбісі үшін тұрақты ток плазматрондарын мақсатқа сай қолданған жөн.
Айнымалы ток плазматрондары (4.1.1, б-сурет) процестің технологиялық талаптарына сәйкес көп жағдайларда қолданылады. Айнымалы ток доғасының жануының тұрақтылығын арттыру мақсатында кейбір плазматрондарды аралас етіп орындайды. Бұл ретте тікелей әрекеттегі айнымалы токтың негізгі доғасы электрод пен сопло арасында жанатын тұрақты токтың қуаты аз қосалқы доғасын ынталандырады (4.1.1, в-сурет).
4.1.1 – сурет – Ток түріне байланысты плазматрондарды жіктеу
Жоғары жиілікті плазматрондар жұмысының принципі (4.1.1, г- сурет) плазмада айнымалы электр магнит өрісінің энергиясын 40 МГц-ке дейінгі жиілікпен жұтуға негізделген. Индуктор жолағына термиялық төзімді электр өткізбейтін материалдан, мысалы, кварцтан жасалған құбырды орнатады. Құбырға плазма түзетін газды жібереді және металды немесе графитті өзекті аз уақытқа енгізеді, ол индуктор өрісінің әсерінен қызады да, қоршаған газдың қызуы мен бастапқы иондалуын тудырады. Құбыр арқылы үрілетін газ сақиналы разряд арқылы өте отырып, қызады және плазмалы ағынша түрінде ағады, оның температурасы (1,5-2)104 К дейін жетеді, ал ағу жылдамдығы, доғалы плазматрондардың плазмалы ағыншасының ағуына қарағанда, он есе аз болады.
Доғалы плазматрондарда доға жануының екі сызбасы мүмкін: 1) доға электродтар арасында жанады, олардың біреуінде плазмалы ағынша ағатын тесік болады. Бұлар жанама әрекеттегі доғалы плазматрондар деп аталады, олар жылудың автономды көзі болып табылады; 2) доға плазматронның ішкі электроды мен қыздырылатын (міндетті түрде электр өткізгішті) объект арасында жанады (4.1.1, а-сурет). Бұлар тікелей әрекеттегі доғалы плазматрондар деп аталады. Жанама әрекеттегі плазматрондарға қарағанда, тікелей әрекеттегі доғасы бар плазматроннан ағатын плазмалы ағынша доғаның бағанасымен үйлескен, сондықтан неғұрлым жоғары температура мен жылу куатына ие. Мүндай сызба металды жоғары температураға дейін қыздыруды талап ететін, дәлірек айтқанда, ПДП-те жоғары сапалы болатты және қорытпаны қорыту немесе қайта балқыту процестері үшін қажет.
Доғалы плазматрон жұмысының ресурсі катод қызмет мерзімімен анықталады. Эмиссиялық сипаттаманы жақсарту үшін иттрий, лантан немесе басқа элементтермен қоспаланған вольфрам қолданылады. Катодтың тозуы (материалдың балқуы және буланып кетуі салдарынан) катодты дақтағы және катод маңындағы аймақтағы электр физикалық процестер, Джоуль-Ленц заңы бойынша катодтағы жылу генерациясын және шекті беттердегі жылу берілісі есебінен оның жылу жұмысына байланысты болады. Вольфрамды катодтың катодты дағындағы ток тығыздығы 10-100 кА/см2 жетеді. Катодтың белсенді бетімен жұмыс істеу процесінде қоспалаған қоспалар буланады, соның нәтижесінде электрондар шығуының жұмысы артады, ал эмиссия тоғының қажетті тығыздығы катодты дақтың неғүрлым жоғары температурасы кезінде қамтамасыз етіледі. Балқыту температурасына жеткеннен және шет жақтың үстіңгі бетінде сұйық фаза қалыптасқаннан кейін бұзылу процесі қайтарымсыз жүреді және катодты ауыстыру қажеттілігі туындайды.
4.2 Плазмалық-доғалы пештер
Балқыту ПДП (4.2.1 – сурет) бастапқы шихталы материалдан жоғары қоспалы болат пен қорытпаны балқыту үшін отқа төзімді шегендеумен ДБП-ке ұқсас және шығындалатын дайындаманы қайта балқыту үшін крисстализаторы бар (4.2.2 – сурет) ЭҚҚ-ға ұқсас (электрондық пушкалардың орнына плазматрондар қолданылады; 0,1 МПа қысым кезіндегі инертті атмосфера, бұл химиялық вакуум деп аталатын) болуы мүмкін. Бұл ретте «шығындалатын» плазматронды да қолдануға болады, мұнда плазма түсуші газды құбырлы дайындама арқылы тікелей береді; газды фазада азотты пайдалану кезінде құрамында азоттың мөлшері көп болатты алуға болады. Тікелей әрекеттегі тұрақты токтың плазматрондары бар ПДП-ның шегенінде табанды электрод ваннасы болады (4.2.1 – сурет), ол сұйық металды ваннаға оң потенциал туралы хабар береді. Табанды электродта осындай конструкциялы ПДП-ның жарылу қауіптілігін төмендету үшін тиісті сигнал беруі бар сенімді суыту жүйесі болу керек.
Плазматрондар мен плазмалы доғалардың жұмыс кеңістігінде орналасуы электр разрядты, электр магнитті, жылу алмастырушы және технологиялық жағдайлармен анықталады. Тұрақты токтың доғалы плазматрондарын қоректендіру үшін ПДП қондырғылары тік құлайтын сыртқы сипаттасымен (плазмалы доғаның вольт амперлі сипаттамасымен сәйкес келу үшін) және ТПВ түріндегі тиристорлы түзеткіш агрегаттар базасында ток күшін автоматты түрде тұрақтандырумен басқарылатын қоректендіру көзін жинақтайды, олардың номинал ток күші 6,3 және 10 кА, аса барынша түзетілген кернеуі (бос жүріс кернеуі) 460 және 825 В, ал плазматрондағы номинал кернеу сәйкесінше 320 және 600 В болады.
1 – металлургиялық плазматрон; 2 – тығындау; 3 – күмбездің каптамасы; 4 – лабиринтті құмды бекітпе; 5 – табанды электрод-анод; 6 – жұмыс терезесін тығыздау 4.2.1 – сурет – Отқа төзімді шегені бар және бір (а), бірнеше тік (б) немесе көлденең (в) доғалы плазматрондары бар балкыту ПДП-ның сызбасы
Түрлендіргіштің күштік сызбасы екі үш фазалы көпірлі сызбаларды - тиристорлы және диодты сызбаларды бірізділікті біріктірілуі түрінде орындалған. Түзетілген токтың лүпілін азайту СРОС немесе РС типтегі түзеткіш реактордың плазматронымен бірізділікті қосылуымен қол жеткізілуі мүмкін. Электрлі ПӘК (номинал режимде) 0,96 қүрайды; қуат коэффициенті (тиристорларды реттеу бірышы кезінде, нөлге тең 0,96-дан кем емес.
1 – металлургиялық плазматрондар; 2 – жұмыс камерасы; 3 – диаметрлі шығындалатын дайындама; 4 – кұйма кесекті тартып алатын кристаллизатор; 5 – тартып алушы жүйе 4.2.2 – сурет – Крисстализаторы бар және тік (а) немесе радиал (б) доғалы плазматрондары бар қайта балқыту ПДП сұлбасы
Көмекші доға көзі үш фазалы көпірлі сызба бойынша орындалған басқарылмайтын түзеткіш болып табылады, ол барынша түзету кернеуіне (бос жүріс кернеуі) 500 В, түзетілген токтың 200 А номинал күшіне ие.
Осциллятор жоғарылататын трансформатордан, дроссельден, конденсатордан және разрядниктен түрады, олар 3 кВ-қа дейінгі кернеу кезінде 250 кГц жиілікпен ауытқы контурын қалыптастырады.
ПДП-ның қарастырылған түрлерінен басқа, ИТП доғалы плазматрондарды өнімділікті арттыру үшін және олардың технологиялық мүмкіндіктерін кеңейту үшін қолданады.
Қалыпты ИТП-те металдың жеке кесектерін тигельде ретсіз салынған конгломератты білдіретін шихтаның жоғары электрлі кедергісінің салдарынан балқыту кезеңінің бірінші жартысы үшін индук- торды қоректендіретін көздің қуатын толық пайдаланылмау тен.
Индукциялық-плазмалы пеште (ИПП) плазматронның плазмалық доғасы бұл кезеңде «құдық» шихтасында тез балқытады, ал пештін табанында сұйық металл пайда болады. «Құдықтың» ішкі қабырғасында пайда болатын шихтаның жеке кесектері қорытылады және электрлік тұйықталады, соның нәтижесінде шихтаның жалпы электрлі кедергісі төмендейді, ал индуктордан шихтаға берілетін қуат күрт жоғарылайды.
Осылайша, плазматронды пайдалану ИПП-да балқыту кезеңін қысқартуға, оның өнімділігін арттыруға және электр энергиясының меншікті шығынын азайтуға мүмкіндік береді. Металды тазалау кезеңінде плазматронды енгізу қождың реакциялық қабілеттілігін арттыра отырып, оны қыздыруға мүмкіндік береді, ал бұл ИТП-те мүмкін емес.
Плазма түзуші газ (аргон) құрамына молекулалық тотықсыздандырушы немесе тотықтырушы газды (сутегі, азот, оттегі) енгізу ИПП- дағы металды балқыту процесі оны тазалау және қосымша өңдеу процесімен біріктіруге мүмкіндік береді.