125215 (690341), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Исследования тепловой работы крупных печей показали, что они работают эффективно только тогда, когда плазменная струя передаёт тепло в расплавленные каналы шихты, т.к. мощность дуги, передаваемая шихте излучением, конвекцией и теплопроводностью характеризуется следующим отношением Р_изл.:Р_и:Р_т=40:8:1. Для обеспечения надёжного зажигания плазматронов часто в крупных печах применяют дополнительную (вспомогательную) горелку.

Таблица 2.Характеристика плазменно-дуговых печей с керамическим тиглем

Плазменно-дуговые печи с кристаллизатором

Плазменно-дуговые печи с кристаллизатором имеют большие перспективы, так как плазменный нагрев успешно применяется как при переплаве высококачественных сталей и сплавов, так и тугоплавких металлов. В водоохлаждаемом кристаллизаторе непосредственно получается слиток. Процесс хорошо регулируется в широких пределах скорости переплава, печное устройство сравнительно простое. Эти печи используют при пониженном, нормальном и повышенном давлении. Слитки производят массой от 100 кг до 5 тонн (табл.3).Путём изменения скорости вытягивания слитка можно создать различные условия кристаллизации и перегрева жидкого металла. Регулированием атмосферы печи легко осуществить различные технологические операции (дегазацию, азотирование, и т.д.). Такие печи строят в двух вариантах: с боковой подачей шихты (рис.5а) и с центральной подачей шихты (рис.5b).Строят так же печи с горизонтальными кристаллизаторами. Из-за отсутствия огнеупорной футеровки обслуживание этих печей облегчается, но энергетические показатели их хуже, чем в печах с футеровкой. К подготовке шихты здесь так же предъявляются более высокие требования. Но из-за отсутствия огнеупорной футеровки можно плавить металлы, температура расплавления которых превышает температуру эксплуатации огнеупоров. Одним из преимуществ таких печей является возможность выплавления слитков весьма высокой чистоты.

Таблица 3. Характеристика плазменно-дуговых печей с кристаллизатором конструкции института электросварки им. Патона

Особенности тепловой работы. Теплообменные условия характеризуют теплопередачу от плазменной дуги в рабочее пространство ПДП: на боковую поверхность футеровки происходит, в основном излучение (до 85-95% всего теплового потока) от плазменной как линейного высокотемпературного (100000-25000 К) излучателя; на ванну в зоне анодного пятна поступает 35-50% тепла в результате конвективного переноса плазмы из столба дуги.

Рис.5. ПДП с водоохлаждаемым кристаллизатором:

а- боковая подача шихты; b-центральная подача шихты;

1- плазматрон; 2- шихта; 3-кристаллизатор

Тепловая мощность, передаваемая металлу в анодном пятне, Р_а зависит от силы тока и длины дуги, когда закончено формирование конического участка столба со стороны катодного пятна. По данным М.М. Крутянского:

Pa, max=0.4P_Д, при l_Д^max= (4÷5) D_ст,

где D_ст – диаметр цилиндрической части столба дуги.

Особенность распределения теплового излучения от вертикальной плазменной дуги между поверхностями свободного пространства ПДП по сравнению с ДСП заключается в меньшей направленности излучения высокотемпературного столба на ванну (<30-40%), 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. h_гор=0,5l_Д.

Неравномерность облучения свода зависит не только от длины дуги l_Д, но и от высоты расположения свода. Поэтому при конструировании ПДП необходимо выбирать рациональное соотношение (h_cn/D_o)_равн, обеспечивающий равномерную облучённость поверхности свода при данной длине плазменной дуги.

• С учётом вышеизложенного, рациональный тепловой режим ПДП зависит от параметров плазменной дуги. Вся мощность дуги Р_Д складывается из мощности, передаваемой ванне в анодном пятне Р_а, мощности, выделяемой в столбе дуги Р_ст и мощности, выделяемой в катодной области Р_н. Как уже отмечалось мощность Р_а полностью поглощается металлом и не зависит от геометрических размеров рабочего пространства ПДМ. Мощность Р_н составляет 1-2% от величины Р_Д и её значением можно пренебречь. Поэтому мощность передаваемая плазменной дуге на ванну Р_в=Р_а+xР_ст, где x- доля мощности, передаваемая ванне от столба дуги, которая в условиях лучистого теплообмена (с точностью до 5-45%) является угловым коэффициентом, зависящим от отношения l_д/D_o и определяемым, например, методом светового моделирования.

• Результаты расчетов, выполненных Л.Н. Курляндским для ПДП вместимостью до 12 тонн, показывают:

• для каждого значения силы тока дуги существует рациональное значение её длины l^рацд2lд^max , при котором мощность Р_в максимальная и составляет от всей мощности дуги 42-45%;

• наибольшее отношение Р_в/Р_д, равное 56%, достигается при наиболее короткой дуге, равной l_д=l_д^max . Однако меньшее напряжение дуги в этом случае является причиной абсолютного снижения мощности Р_n;

• чрезмерное удлинение дуги (l_д>2l_д^max) приводит к резкому снижению P_n , 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.

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

• Геометрические размеры свободного пространства согласуют с выбранным l_д^рац. или заданным значением (по электрическим условиям) длины дуги, чтобы высота стены, определяющая расположение пят свода, соответствовала условию: h^cт_крстст^равн, где h^cт_кр - наименьшая допустимая высота расположения свода, при которой происходит равнозначное облучение плазменными дугами футеровки свода и стены в «горячем поясе».

• Условие h_ст^равнст при данной длине дуги l_д связано с увеличением заглубления плазматронов в свободное пространство и возрастанием тепловых потерь с охлаждающей средой, тогда как облучённость поверхности свода практически не изменяется.

• Как уже отмечалось, параметры электрического режима ПДП, определяемые вольтамперной характеристикой плазменной дуги, зависят от целого ряда внешних факторов- состава и расхода плазмообразующего газа, температурной ситуации в рабочем пространстве, длины дуги.

• В отличии от ДСП в рабочем режиме ПДП не требуется непрерывного передвижения плазматрона, так как существует определённая длина дуги l_д^рац , зависящая от силы тока, при которой происходит наиболее эффективна передача тепла от плазменной дуги к ванне т.е. P_в максимальна. Передвижение плазматрона необходима для зажигания дуги. Последовательность операций такая: сначала проводят пробой промежутка между катодом и соплом высоковольтным искровым зарядом, возбуждаемым специальным разрядником – высокочастотным осциллятором и зажигают вспомогательную дугу с силой тока до 200 А; затем при помощи, например, гидравлического привода передвигают плазматрон в сторону шихты до тех пор, пока под действием напряжения холста хода источника питания не произойдёт пробой рабочего промежутка, ионизируемого потоком плазмы вспомогательной дуги, и зажигание плазменной дуги между анодом-шихтой. После зажигания основной дуги устанавливают плазматрон в рабочем положении, характеризуемом рациональной для заданной силы тока длиной дуги l_д^рац.

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

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

• Технико-экономические показатели.

• ПДП с огнеупорной футеровкой имеют худшие энергетические показатели по сравнению с ДСП из-за дополнительных тепловых потерь в плазматронах и подовом электроде. Общие потери энергии в водоохлаждаемых элементах достигают 35-40%, из которых 15-20%-в уплотнителе плазматрона; 8-10%- в самом плазматроне (корпус, сопло, катод); 1-2% в подовом электроде. Для малых печей (вместимостью до 5 тонн) тепловой КПД составляет по данным ВНИИЭТО 0,3-0,35.

• Электрический КПД ₀ учитывает электрические потери при формировании плазменной печи (₀) в токоведущих элементах плазматрона (_пл) во втором токоподводе (_к.в.) и в источнике питания (_и.п.), т.е. ₀=_{к.впли.п}

• Обычно КПД дуговых плазматронов прямого действия ₀1, для плазматронов косвенного действия не превышает 0,7-0,8 (в зависимости от состава и расхода плазмообразующего газа).

• По данным ВНИИЭТО, удельный расход электроэнергии в плазменно-дуговых печах различной вместимости m₀ и разной мощности Р составляет:

• m₀, т ………………………5 10 30

• Р, МВт………………….. 3,5 7-8,5 12-15

• W_2y, МВт*ч/т……………0,7 0,65 0,625

• W_y, МВт*ч/т………… 0,9-1,1 Нет св. Нет св.

• В ПДП с кристаллизатором диаметром D_кр величина W_у составляет:

• D_кр, мм 150 250 320

• W_y, МВт*ч/т 2,4 1,2 0,96

• По технологическим инструкциям рекомендуемая скорость вытягивания слитка и соответствующая массовая скорость Q_m плазменно-дугового переплава зависит от размера (диаметра D_кр) кристаллизатора, сортамента переплавляемых сталей и сплавов, электрического режима, составляя, например, для печей типа У-400 (мощность 240 кВт) 2,5-9 мм/мин и 50-200 кг/ч. При этом годовая производительность достигает 100-260 тонн «черных» слитков диаметром 150 мм.

• Для дуговых плазматронов различной мощности принимают Q_v15÷60 м³/ч. Поэтому удельный расход плазмообразующих газов при низкой производительности ПДП может быть чрезмерно большим (до 20-30 м³/т), определяя при высоких ценах на аргон значительные затраты. Эти аппараты снижают за счёт: применения смесей более дешевых плазмообразующих газов (например, аргон с азотом); регенерации отработанных газов; удаления воздуха из рабочего пространства герметичной ПДП путём вакуумирования вместо обычной продувки плазмообразующим газом.

• Сравнительный экономический анализ различных методов электроплавки показывает, что:

• 1) плазменная плавка в печах с футеровкой может быть самой экономичной, поскольку за счет снижения угара (при плавке) и увеличения выхода годного (при дальнейшем переделе) по сравнению с плавкой в ДСП возможно уменьшение сквозного расхода металла, снижение себестоимости (на 10-15%) при меньших удельных капитальных затратах (на 10-12%);

• 2) плазменный переплав в печах с кристаллизатором занимает промежуточное положение между вакуумно-дуговым переплавом и электронной плавкой. Однако при использовании ПДП с расходуемым плазматроном экономичность процесса возрастает.

Характеристики

Список файлов курсовой работы