Типы и конструкция плазматронов

Плазматрон – устройство для преобразования электрической энергии источника питания в тепловую энергию струи (потока) плазмы, т.е. плазменный генератор. В зависимости от способа преобразования электрической энергии в тепловую различают плазматроны: дуговые, индукционные (высокочастотные) и электронные (сверхвысокочастотные).

Наибольшее распространение получили дуговые плазматроны, в которых возможно достижение температуры плазмы порядка 10⁴ К сжатием столба дуги стенками канала (гидродинамическое сжатие), газовым потоком (аэродинамическое сжатие) или внешним магнитным полем (электромагнитное сжатие).

При сжатии дуги потоком газа (обычно это поток плазмообразующего газа, подаваемого в разрядную камеру плазматрона под некоторые избыточным давлением) часть газа, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из канала (сопла) разрядной камеры в виде плазменной струи, а наружный слой газа сжимает дугу своим давлением в канале (аэродинамические воздействия), а также усиленно охлаждает периферию столба дуги, также вызывая его сужение (термический сжимающий эффект). В то же время этот наружный слой газового потока, соприкасаясь с водоохлаждаемыми стенками сопла, образует электрическую и тепловую изоляцию между потоком плазмы и соплом. Поскольку сопло сжимает (дросселирует) плазменную струю, которая на выходе несколько расширяется, под действием собственного магнитного поля дуги (сжимающий эффект) возникает осевой градиент давления и возрастает скорость истечения струи до значений скорости звука (свыше 300 м/с).

Движение газа в разрядной камере плазматрона может быть аксиальным и тангенциальным (вихревым). При движении вдоль оси плазматрона холодный плазмообразующий газ проходит вдоль стержневого электрода, охлаждая его, омывает столб дуги, нагреваясь и превращаясь в плазменную струю, которая выходит наружу через отверстие второго электрода. При правильном выборе формы канала сохраняется ламинарный характер движения газа в плазменной струе. Столб дуги в таких условиях оказывается стабилизированным вдоль продольной оси плазматрона. При тангенциальной подаче (относительно оси плазматрона) плазмообразующий газ омывает столб дуги, двигаясь по спирали и создавая вихревое отжатие плазменной струи от стенок канала, формирующего плазменную струю. Турбулентный характер течения газового потока интенсифицирует теплообмен между дуговым разрядом и плазмообразующим газом, вследствие чего возрастает КПД процесса образования плазменной струи. Вихревое течение плазмообразующего газа вызывает непрерывное перемещение опорного пятна дуги по поверхности электрода, создавая более благоприятные условия для его службы и позволяя увеличить мощность плазматрона.

Воздействие внешнего магнитного поля может быть двух типов:

1) воздействие продольного магнитного поля, которое вызывает стабилизацию и сжатие плазменной струи;

2) воздействие поперечного магнитного поля, которое вызывает тангенциальное перемещение (вращение) плазменной дуги. При этом может быть частичное перемещение дуги, при котором одно из опорных пятен дуги (например, катодное пятно) остается неподвижным, или полное перемещение дуги по окружности, при котором движутся оба опорных пятна дуги.

Вращение дуги постоянного тока в поперечном магнитном поле широко используют для увеличения срока службы канала (анода), повышения напряжения дуги, улучшения условий теплопередачи к нагреваемому газу и повышения допустимой плотности тока.

Хорошая управляемость и устойчивость дуги в поперечном магнитном поле придает ей новые технологические свойства. Например, во многих случаях при плавке плазменная струя является слишком сосредоточенным источником тепла, когда в анодном пятне отно­сительно малого размера металл перегревается, а остальной металл нагревается до температуры плавления и плавится лишь вследствие теплопередачи от анодного пятна. Применение поперечного магнитного поля обеспечивает развертку (прямоугольную или круговую) плазменной струи и тем самым позволяет получить источник тепла практически любой концентрации энергии и любых необходимых размеров.

Большинство металлургических плазматронов работает на постоянном токе прямой полярности (рис. 119, а)вследствие физической особенности дуги, заключающейся в том, что на аноде дуги выделяется большее количество тепла, чем на катоде. Тепловая мощность, выделяемая на катоде плазматрона, в отличие от расходуемого электрода ДВП является не только бесполезной, но и вредной. Предельно допустимая токовая нагрузка на вольфрамовый электрод при переменном токе примерно в два раза, а на обратной полярности постоянного тока в десять раз ниже, чем на прямой полярности.

Рис. 119. Классификация плазматронов по роду тока:
а – постоянный; б – переменный; в – комбинированный; г – высокочастотный

Столб интенсивно сжатой дуги должен быть жестко стабилизирован по оси плазматрона. При смене полярности электрода эта стабилизация нарушается, поэтому дугу переменного тока сжать труднее, чем дугу постоянного тока.

Важным преимуществом плазматрона постоянного тока перед плазматронами переменного тока является большая стабильность горения дуги. Прохождение тока через нуль может вызвать погасание дуги, поэтому обычно напряжение холостого хода U_x.х источника питания переменным током не менее чем вдвое превышает рабочее напряжение дуги U_д. При питании плазматронов постоянным током можно достичь отношения U_д/U_х.х= 0,8...0,9. Следовательно, при одинаковой мощности дуги установленная мощность источника постоянного тока меньше, чем мощность источника переменного тока. Кроме того, источник постоянного тока обеспечивает равномерную загрузку трехфазной сети.

Существовавшая раньше проблема выпрямления постоянного тока в настоящее время решается созданием мощных полупроводниковых агрегатов, предназначенных для питания печей типа ТПВ. Первоначальные затраты и расходы на эксплуатацию плазменных установок переменного и постоянного тока приблизительно равны. Поэтому с учетом перечисленных выше преимуществ для большинства процессов обработки материалов целесообразно применять плазматроны постоянного тока.

Плазматроны переменного тока (рис. 119, б)применяют в ряде случаев в силу технологических требований процесса. При плазменной плавке, когда несколько мощных плазматронов постоянного тока на общую ванну-анод работают параллельно, возникает трудноустранимое магнитное взаимодействие между дугами. Поэтому в этих условиях могут быть использованы плазматроны переменного тока. В этом случае целесообразно использовать плазматроны в количестве, кратном трем, что обеспечивает равномерную загрузку трехфазной сети.

В однофазном плазматроне переменного тока целесообразна вентильная коммутация тока таким образом, чтобы вольфрамовый электрод функционировал только как катод (в полупериод прямой полярности), а сопло – как анод (в полупериод обратной полярности). При такой схеме обеспечивается большая стойкость вольфрамового электрода. Однако с увеличением тока ухудшаются условия работы сопла, а при работе на токах ниже определенного предела (150 А) нарушается стабильность горения дуга.

В целях повышения стабильности горения дуги переменного тока некоторые плазматроны выполняют комбинированными. В этом случае основную дугу переменного тока прямого действия стимулируют вспомогательной маломощной дугой постоянного тока, горящей между электродом и соплом (рис. 119, в).

Принцип работы ВЧ-плазматрона (рис. 119, г)основан на поглощении в плазме энергии переменного электромагнитного поля частотой до 40 МГц. В полость индуктора помещают трубу из термостойкого неэлектропроводного материала, например, кварца. В трубу подают плазмообразующий газ и кратковременно вводят металлический или графитовый стержень, который раскаляется под действием поля индуктора и вызывает нагрев и первоначальную ионизацию окружающего газа. Когда электропроводность газа возрастает до определенной величины, начинается интенсивный его нагрев и ионизация вихревыми (круговыми) токами, создаваемыми полем индуктора. После развития самостоятельного кольцевого разряда стержень удаляют из полости трубки. Продуваемый через трубу газ, проходя через кольцевой разряд, нагревается и истекает в виде плазменной струи, температура которой достигает (1,5...2)×10⁴ К, а скорость истечения в десятки раз меньше, чем скорость истечения плазменной струи дуговых плазматронов.

Рассмотрим механизм горения дуги в дуговых плазматронах. Возможны две схемы горения:

1) дуга горит между электродами, один из которых имеет отверстие, через которое истекает плазменная струя. Это так называемые дуговые плазматроны косвенного действия, которые представляют собой автономные источники тепла;

2) дуга горит между внутренним электродом плазматрона и нагреваемым (обязательно электропроводным) объектом (см. рис. 119, а). Это так называемые дуговые плазматроны прямого действия. В отличие от плазматронов с дугой косвенного действия плазменная струя, истекающая из плазматрона с дугой прямого действия, совмещена со столбом дуги и поэтому имеет более высокую температуру и тепловую мощность. Такая схема предпочтительна для процессов, требующих нагрева металлов до высоких температур и, в частности, для выплавки или переплава высококачественных сталей и сплавов в ПДП.

Ресурс работы дугового плазматрона определяется главным образом сроком службы катода. Для улучшения эмиссионных характеристик применяют вольфрам, легированный иттрием, лантаном или другими элементами. Износ катода (из-за плавления и испарения материала) зависит от его тепловой работы с учетом электрофизических процессов в катодном пятне и в прикатодной области, теплогенерации в катоде по закону Джоуля – Ленца и теплопередачи на граничных поверхностях. Плотность тока в катодном пятне на вольфрамовом катоде достигает 10...100 кА/см². В процессе работы с активной поверхности катода происходит испарение легирующих добавок, в результате чего увеличивается работа выхода электронов, а необходимая плотность тока эмиссии обеспечивается при более высокой температуре катодного пятна. После достижения температуры плавления и образования жидкой фазы на поверхности торца процесс разрушения протекает необратимо и катод необходимо менять. Скорость износа вольфрамовых катодов при работе с аргоном, азотом и водородом составляет 1...100 нг/Кл.

В дуговых плазматронах на силу тока 5...6 кА применяют стержневые катоды со сферическим рабочим торцом для фиксации положения катодного пятна на оси катода. Диаметр стержневого катода D_к определяют из расчета допустимой плотности тока до 2,5 кА/см². В плазматронах на силу тока 10...12 кА применяют одноканальные или многоканальные полые катоды. Пропуская через продольные каналы диаметром 4...6 мм 5...15 % общего расхода плазмообразующего газа, создают дополнительный конвективный теплоотвод и повышают ресурс работы полого катода при увеличении силы тока плазматрона.

Катод закрепляют с помощью резьбового или цангового соединения в медном водоохлаждаемом электродо(катодо)держателе (рис. 120). В систему охлаждения вода поступает по внутренней трубе диаметром 10...14 мм под давлением не ниже 0,2 МПа и отводится по кольцевому зазору шириной 1,5...3 мм между внутренней и наружной коаксиальными трубами. В случае полого катода по внутренней трубе подают плазмообразующий газ.

а   Рис. 120. Схема катодного узла (а) и металлургического плазматро-на (б) конструкции ВНИИЭТО: 1 – стержневой катод; 2 – водоохлаждаемое сопло; 3 – катододержатель; 4 – электрическая изоляция; 5 – корпус; 6 – фланец; 7 – подвод воды для охлаждения сопла; 8 – регулировочная муфта; 9 – токоподвод к катодо-держателю; 10 – подвод и отвод воды для охлаждения катододержателя; 11 – газовая полость (ввод плазмообразую-щего газа не показан); 12– опорный фланец катодо-держателя; 13 – подвод воды для охлаждения корпуса сопла

б

Как уже отмечалось, сопло плазматрона прямого действия
(см. рис. 119, а)формирует направленное продольное течение плазмообразующего газа в прикатодной области и в области столба дуги, вызывающее также конвективный перенос плазмы как теплоносителя к аноду-ванне ПДП. Водоохлаждаемое сопло может быть разборным, что удобно при ремонте, но недостаточно надежно из-за наличия уплотнений в системе охлаждения, или цельносварным. Сопло имеет автономную систему охлаждения с расходом воды до (2...3)×10³ м³/с при давлении 1,2...1,5 МПа.

Металлический водоохлаждаемый корпус плазматрона является участком токоподвода в цепи вспомогательной дуги, зажигаемой между катодом и соплом (см. рис. 119, в), и необходим для создания коммуникаций всех систем охлаждения и системы подвода плазмообразующего газа. Токоподвод к катоду обеспечивается по наружной трубе катододержателя, которая электроизолирована от корпуса и к которой в верхней части плазматрона крепят контактные щеки (см. рис. 120, б, позиция 9).

По данным ВНИИЭТО, соотношения основных размеров катодного узла (см. рис. 120, а) следующие:

l_к = (1,2…4)D_к;

D_сп = (1,1…1,4)D_к;

h = (0,3…0,6)D_к;

∆l_к = (0,15…0,5)D_к;

a = 60...80º.

Плазменно-дуговые печи

Плавильные ПДП (рис. 121) могут быть с огнеупорной футеровкой аналогично ДСП для выплавки высоколегированных сталей и сплавов из исходных шихтовых материалов и с кристаллизатором (рис. 122) аналогично УЭН (вместо электронных пушек применены плазматроны; инертная атмосфера при давлении 0,1 МПа, это так называемый химический вакуум) для переплава расходуемой заготовки. При этом возможно применение «расходуемого» плазматрона, когда плазмообразующий газ подают непосредственно через трубчатую заготовку; при использовании в газовой фазе азота возможно получение сталей с повышенным содержанием азота.

ПДП с плазматронами постоянного тока прямого действия имеет в огнеупорной футеровке ванны подовый электрод (см. рис. 121), сообщающий положительный потенциал жидкометаллической ванне. Подовый электрод должен иметь надежную систему охлаждения с соответствующей сигнализацией для снижения взрывоопасности ПДП такой конструкции.

Рис. 121. Схемы плавильных ПДП с огнеупорной футеровкой
и с одним (а), несколькими вертикальными (б) или наклонными (в) дуговыми плазматронами:
1 – металлургический плазматрон (см. рис. 120, б);
2 – уплотнение; 3 – кожух свода; 4 – лабиринтный песчаный затвор;
5 – подовый электрод-анод; 6 – уплотнение рабочего окна

Расположение плазматронов и плазменных дуг в рабочем пространстве определяется электроразрядными, электромагнитными, теплообменными и технологическими условиями.

Рис. 122. Схемы переплавных ПДП с кристаллизатором и с вертикальным (а) или радиальными (б) дуговыми плазматронами:
1 – металлургические плазматроны (см. рис. 120, б); 2 – рабочая камера; 3 – расходуемая заготовка диаметром ; 4 – кристаллизатор с вытягиванием слитка; 5 – откачная система

Электроразрядные условия связаны с малой величиной продольного градиента напряжения в столбе плазменной дуги (например, при горении в аргоне grad U ≈ 1...5 В/см (см. с. 53) и длина дуги достигает 1...1,5 м при напряжении порядка 300...500 В) и значительным (почти в два раза) его снижением по ходу плавки при повышении температуры рабочего пространства и улучшении условий ионизации плазмообразующего газа в столбе (рис. 123).

Электромагнитные условия связаны с возможным сильным взаимодействием плазменных дуг постоянного тока, когда они стягиваются к центру ПДП при их параллельном расположении, т.е. при вертикальном расположении нескольких плазматронов аналогично расположению графитированных электродов в трехфазной ДСП. Такое электромагнитное взаимодействие, зависящее от силы тока (I²_д), длины дуг (l_д) и расстояния между ними (р),вызывает неустойчивую работу ПДП. Для нормальной работы ПДП необходимо:

(246)

Рис. 123. Зависимость напряжения (а) плазменной дуги различной длины (числа у кривых) от температуры футеровки Т_фут (по данным М.М. Крутянского, ток 5 кА) и мощности (б) плазменной дуги Р_д
по ходу плавки в ПДП вместимостью 5 т (по данным А.А. Андреева, ток 10 кА, длина дуги 800 мм)

При конструктивных трудностях соблюдения условия (246) плазматроны устанавливают наклонно в специальных отверстиях футеровки стены (см. рис. 121, в).

Теплообменные условия характеризуют теплопередачу от плазменной дуги в рабочее пространство ПДП: на боковую поверхность футеровки происходит в основном излучение (85...95 % всего теплового потока) от плазменной дуги как линейного высокотемпературного (10 000...25 000 К) излучателя; на ванну в зоне анодного пятна поступает 35...50 %тепла в результате конвективного переноса плазмы из столба дуги. Тепловая мощность Р_a, передаваемая металлу в анодном пятне, зависит от силы тока и длины дуги, возрастая до максимума при такой длине дуги, при которой закончено формирование конического участка столба со стороны катодного пятна. По данным М.М. Крутянского:

при (247)

где D_стб– диаметр цилиндрической части столба дуги.

Особенность распределения теплового излучения от вертикальной плазменной дуги (рис. 124) между поверхностями «свободного» пространства ПДП по сравнению с ДСП (см. рис. 28) заключается в меньшей направленности излучения высокотемпературного столба на ванну (не более 40 %), практическом отсутствии экранирования тепловых потоков на свод и в наличии опасной для тепловой работы футеровки стены зоны «горячего пояса» на высоте, равной половине длины дуги, т.е.

. (248)

Неравномерность облучения свода зависит не только от длины дуги l_д, но и от высоты расположения свода (см. рис. 124, в). Поэтому при конструировании ПДП необходимо выбирать рациональное соотношение (h_ст/D_oтк)^равн, обеспечивающее равномерную облученность поверхности свода при данной длине плазменной дуги.

Технологические условия связаны с проблемой перегрева жидкого металла в зоне анодного пятна, конвективным массо- и теплопереносом в жидкометаллической ванне и формированием фронта кристаллизации (в переплавных ПДП с кристаллизатором). В многоплазматронных ПДП плазматроны целесообразно располагать на периферии ванны, тангенциально по отношению к ее горизонтальной плоскости, что вызывает образование конвективных потоков жидкого металла в результате интенсивного аэродинамического действия потока плазмы. При этом возможна деформация зеркала ванны с образованием вогнутого мениска и волновых колебаний. Наклонное расположение плазматронов в футеровке стены ПДП также дает возможность снизить тепловые потери через корпус плазматрона (в 2–3 раза) и повысить тепловой КПД ПДП.

Рис. 124. Распределение тепловых потоков в рабочем пространстве модели ПДП по радиусу ванны при различных отношениях h/D_oтк (a) и l_д/D_oтк (б),
по образующей свода при различных соотношениях h/D_oтк (в) и l_д/D_oтк (г)
и по высоте стены при различных соотношениях h/D_oтк (д) и l_д/D_oтк (е)
(по данным Л.Н. Кузнецова и Л.Е. Никольского):
для а, в и д: 1 – 0,37; 2 – 0,42; 3 – 0,53; 4 – 0,64; для б, г и е: 1 – 0,405;
2 – 0,270; 3 – 0,135; 4 – 0,067

С учетом вышеизложенного рациональный тепловой режим ПДП зависит от параметров плазменной дуги. Вся мощность дуги Р_дскладывается из мощности, передаваемой ванне в анодном пятне Р_а,мощности Р_стб, выделяемой в столбе дуги, и мощности Р_к, выделяемой в катодной области. Как уже отмечалось, мощность Р_аполностью поглощается металлом и не зависит от геометрических размеров рабочего пространства ПДП. Мощность Р_ксоставляет 1...2 % от величины Р_д, и ее значением можно пренебречь. Поэтому мощность, передаваемая от плазменной дуги на ванну,

(249)

где χ – доля мощности, которая передавается ванне от столба дуги и которая в условиях лучистого теплообмена (с точностью 5...15 %)является угловым коэффициентом, зависящим от отношения l_д/D_отк и определяемым, например, методом светового моделирования.

Результаты расчетов, выполненных Л.Н. Кузнецовым для ПДП вместимостью до 12 т, показывают (рис. 125):

Рис. 125. Зависимость мощности, передаваемой ванне ПДП,
от длины плазменной дуги l_д и силы тока (числа у кривых)
для режимов, характеризуемых отношениями l_д/l_д^max и Р_вн/Р_д
(по данным Л. Н. Кузнецова):
I – 1 и 56 %; II – 2 и 42...45 %; III – 3 и 26...32 %; IV – 4 и 21...27 %

1) для каждого значения силы тока дуги существует рациональное значение ее длины

(250)

при котором мощность Р_вн максимальная и составляет 42...45 % от всей мощности дуги;

2) наибольшее отношение P_вн/P_д, равное 56 %, достигается при наиболее короткой дуге, равной l_д = . Однако меньшее напряжение дуги в этом случае является причиной абсолютного снижения мощности Р_вн;

3) чрезмерное удлинение дуги (l_д > ) приводит к резкому снижению Р_вн, несмотря на соответствующее увеличение U_д (при неизменной температуре футеровки), так как мощность, передаваемая через анодное пятно, постепенно уменьшается до нуля, снижая эффективность плазменного нагрева.

В табл. 29 представлены расчетные значения рациональных параметров плазменных дуг с силой тока до 10 кА и с расположением плазматрона на оси ПДП (D_pсп/D_отк= 0) или на окружности диаметра распада (D_pсп/D_отк = 0,24...0,35 ≈ 0,3).

Таблица 29

Параметры плазменной дуги (по данным Л. Н. Кузнецова)

Сила тока, кА	, мм, при	Рвн, кВт, при
Тфут ≈ 1300	Тфут ≈ 2300	Dpсп/Dотк = 0	Dpсп/Dотк = 0,24...0,35

Следует особо отметить, что рациональную длину плазменной дуги следует устанавливать, когда металл в основном расплавлен. В начале периода расплавления можно работать и на более длинных дугах, чтобы ввести в ПДП максимально возможную мощность Р_д, которую можно получить от источника питания.

Геометрические размеры «свободного» пространства ПДП (рис. 126) согласуют с выбранной ( ) или заданной (по электрическим условиям) длиной дуги, чтобы, в частности, высота стены, определяющая расположение пят свода, соответствовала условию

, (251)

где – наименьшая допустимая высота расположения свода, при которой происходит равнозначное облучение плазменными дугами футеровки свода и стены в «горячем поясе».

Условие h_ст < при данной длине дуги l_дсвязано с увеличением заглубления плазматронов в «свободное» пространство ПДП и возрастанием тепловых потерь с охлаждающей водой, тогда как облученность поверхности свода практически не изменяется.

Как уже отмечалось, параметры электрического режима ПДП, определяемые вольт-амперной характеристикой плазменной дуги, зависят от целого ряда внешних факторов: состава и расхода плазмообразующего газа, температурной ситуации в рабочем пространстве ПДП (см. рис. 123), длины дуги.

Рис. 126. Соотношение геометрических размеров «свободного» пространства ПДП:
l_д/ (кривые 1 и 2); l_д/ (кривые 3 и 4) при D_pсп/D_oтк = 0 (кривые 1 и 3) и D_pсп/D_oтк ≈ 0,3 (кривые 2 и 4)
(по данным Л.Н. Кузнецова)

В отличие от ДСПврабочем режиме ПДП не требуется непрерывного передвижения плазматронов, так как существует определенная длина дуги l_д^рац, зависящая от силы тока (см. рис. 125), при которой происходит наиболее эффективная передача тепла от плазменной дуги к ванне, т.е. Р_внмаксимальна. Передвижение плазматрона необходимо для зажигания дуги при запуске ПДП или обрывах дуги в процессе плавки. Последовательность операций такая: сначала пробивают промежуток между катодом и соплом высоковольтным искровым разрядом, возбуждаемым специальным разрядником – высокочастотным осциллятором и зажигают вспомогательную дугу с силой тока до 200 А; затем с помощью, например, гидравлического привода передвигают плазматроны в сторону шихты до тех пор, пока под действием напряжения холостого хода U_х.х источника питания не произойдет пробой рабочего промежутка, ионизируемого потоком плазмы вспомогательной дуги, и зажигание основной плазменной дуги между катодом и шихтой-анодом. После зажигания основной дуги устанавливают плазматрон в рабочем положении, характеризуемым рациональной для заданной силы тока длиной дуги .

Как уже отмечалось, электротехническим недостатком ПДП является снижение U_дс увеличением температуры рабочего пространства (см. рис. 123, а) и соответствующее уменьшение мощности нагрева по ходу плавки (при неизменных значениях силы тока и массового расхода плазмообразующего газа). В ряде случаев удается стабилизировать или даже повысить напряжения и мощность плазменной дуги введением второго компонента в плазмообразующий газ – водорода или азота, поскольку в этих газах дуговой разряд имеет более высокую вольтамперную характеристику. Но водород, кроме того, что увеличивает взрывоопасность ПДП, оказывает вредное влияние на ход технологического процесса и качество некоторых марок сталей. В таких случаях возможно вдувание в рабочее пространство ПДП дополнительного объема холодного газа с последующей его откачкой и охлаждением. Потери тепла с откачиваемым газом могут быть компенсированы снижением тепловых потерь во всех элементах ПДП в результате ускорения плавки при более высокой мощности плазменных дуг.

В ПДП с огнеупорной футеровкой максимальное значение мощности дуг Р_дограничено допустимой температурой Т_фут из-за особых условий теплопередачи от плазменных дуг. Поэтому эксплуатация ПДП возможна только с системой автоматического регулирования величины по непрерывно измеряемой температуре футеровки Т_фут.

Для питания дуговых плазматронов постоянного тока установки ПДП комплектуют управляемыми источниками питания с крутопадающей внешней характеристикой (для согласования с вольтамперной характеристикой плазменной дуги) и с автоматической стабилизацией силы тока на базе тиристорных выпрямительных агрегатов типа ТПВ, имеющих номинальную силу тока 6,3 и 10 кА, наибольшее выпрямленное напряжение (напряжение холостого хода) 460 и 825 В, а номинальное напряжение на плазматроне 320 и 600 В соответственно. Силовая схема преобразователя выполнена в виде последовательного соединения двух трехфазных мостовых схем – тиристорной и диодной. Уменьшения пульсаций выпрямленного тока достигают включением последовательно с плазматроном сглаживающего реактора типа СРОС или PC. Электрический КПД (в номинальном режиме) составляет 0,96; коэффициент мощности (при угле регулирования тиристоров, равном нулю) не менее 0,96.

Источник вспомогательной дуги представляет собой неуправляемый выпрямитель, выполненный по трехфазной мостовой схеме и имеющий наибольшее выпрямленное напряжение (напряжение холостого хода) 500 В, номинальную силу выпрямленного тока 200 А.

Осциллятор состоит из повышающего трансформатора, дросселя, конденсатора и разрядника, образующих колебательный контур с частотой 250 кГц при напряжении до 3 кВ.

Помимо рассмотренных типов ПДП, дуговые плазматроны применяют в ИТП для увеличения производительности и расширения их технологических возможностей.

В обычной ИТП из-за относительно высокого электрического сопротивления шихты, представляющей собой конгломерат беспорядочно уложенных в тигель отдельных кусков металла, для первой половины периода расплавления характерно неполное использование мощности источника, питающего индуктор.

В индукционно-плазменной печи (ИПП) плазменная дуга плазматрона в этот период относительно быстро проплавляет в шихте «колодец», и на подине печи появляется жидкий металл. Отдельные куски шихты, образующие внутренние стенки «колодца», оплавляются и электрически перемыкаются, в результате чего общее электрическое сопротивление шихты снижается, а мощность, передаваемая шихте от индуктора, резко возрастает.

Таким образом, использование плазматрона позволяет существенно сократить период расплавления в ИПП, увеличить ее производительность и снизить удельный расход электроэнергии.

В период рафинирования металла включение плазматрона позволяет нагревать шлак, увеличивая его реакционную способность, что невозможно в ИТП.

Введение в плазмообразующий газ (аргон) молекулярных восстановительных или окислительных газов (водород, азот, кислород) позволяет совместить процесс плавления металла в ИПП с его рафинированием и дополнительной обработкой.

Например, в ИПП вместимостью 0,5 т и мощностью 400 кВт
(рис. 127) 50 % тепловой мощности вводят с помощью дугового плазматрона, установленного на своде. Плазматрон постоянного тока прямого действия рассчитан на максимальную силу тока до 2,3 кА при ресурсе «торированного» вольфрамового катода до 1000 ч. Расход аргона составляет 5...6 м³/ч или до 20 м³/т. Графитированный подовый электродзаглублен в подину примерно на 50 мм, чтобы предотвратить науглероживание жидкой стали. Стойкость набивной периклазовой футеровки достигает 30 плавок при длительности всей плавки около 2 ч. Удельный расход электроэнергии составляет 750...900 кВт·ч/т (в зависимости от сортамента выплавляемой стали). Герметизация рабочего пространства ИПП позволяет вести плавку в атмосфере чистого аргона и получить качество стали на уровне вакуумной индукционной плавки при значительно более низкой себестоимости.

Рис. 127. Схема индукционно-плазменной печи:
1 – герметический сливной носок; 2 – крышка-свод; 3 – дуговой плазматрон; 4 – подовый электрод – анод

В установках, предназначенных для процессов плазмохимической технологии, реакционные газы нагревают с помощью высоковольтных (с напряжением дуги 1,2...8,5 кВ) дуговых плазматронов косвенного действия (струйных плазматронов) или ВЧ-плазматронов
(см. рис. 119 и гл. V, § 3).

При эксплуатации установок плазменного нагрева для обслуживающего персонала возникают дополнительные опасности, помимо тех, которые характерны для плавильных печей. Плазменная струя с температурой (1...2)×10⁴ К представляет опасность вследствие интенсивного излучения видимой и особенно ультрафиолетовой части спектра, вызывающего поражение глаз и ожоги открытых участков кожи. Поэтому необходимо применять защитные очки со светофильтрами. При работе ПДП с окислительными плазмообразующими смесями образуются вредные пары при сгорании электродов. Поэтому плазменную плавку и переплав проводят в герметично закрытых ПДП с механизированным и автоматизированным управлением.