Вакуумно-дуговые и плазменно-дуговые печи, устройство, источники питания, параметрические источники тока.

Вакуумно-дуговые печи используются для получения чистых редкоземельных металлов. Единственный путь полу­чения этих металлов - переплав в вакууме или инертном газе, т.к. при нагреве они растворяют в себе газы и реагируют с другими материалами.

Для плавки губку или порошок формуют в виде круглого или прямоу­гольного электрода. Для исключения соприкосновения с огнеупорным материалом плавка в вакуумной дуговой печи (ВДП) ведется в мед­ной водоохлаждаемом кристаллизаторе 3. Плавку ведут, как правило, на постоянном токе, который подается с помощью токоподвода 11 через шток с электрододержателем 1 на переплавляемый электрод 2. При прохождении тока дуги 12 электрод расплавляется, металл каплями стекает в жидкометаллическую ванну 4. Так как упругость пара примесей выше, чем упругость основного металла, то примеси испаряются и удаляются из печи с помощью вакуумной сис­темы. В ВДП осуществляется глубокое рафинирование металла, глу­бокая дегазация продукта и очистка его от неметаллических вклю­чений. Плавку начинают на металлзатравку 5, которую располагают на поддо­не 6. По мере наплавления слитка 7 система автоматического регу­лирования тока дуги поднимает электрод 2. Для стабилизации го­рения дуги служит соленоид 8, который крепится на кожухе печи 9. Обычно ВДП располагают в от­дельном помещении, а наблюдения за плавкой ведут с помощью пери­скопической системы через окна-гляделки 10. Это вызвано тем, что при появлении боковой дуги на кристаллизатор она может прожечь последний, на жидкий металл попа­дает вода.

При этом пар разлага­ется, на кислород и водород, обра­зуя взрывоопасный "гремучий газ". Для исключения появления боковых дуг плавки ведут на коротких ду­гах, длиной 30 - 50 мм.

Плазма - ионизированный газ, состоящий из электронов, ионов и нейтральных частиц. Плазма существует при электрическом разря­де в газе. Однако плазменной дугой принято называть не обычный дуговой разряд, а дополнительно сжатую в поперечном сечении ду­гу. При этом возрастает степень ионизации газа и температура ду­ги, которая достигает 10000 - 30000 °С. Сжатие осуществляется давлением газа или магнитным полем. В качестве плазмообразующих применяются инертные газы: аргон, гелий, а также водород, азот.

Плазменно-дуговой нагрев применяется для следующих электротехнологических процессов: выплавка и переплав металлов, в том числе тугоплавких и химически активных; восстановление металлов из руд; проведение в плазме химических реакций, требующих высо­ких температур (синтез ацетилена из природного газа; пиролиз нефти; получение азота и др.); резка и сварка металлов, сплавов, графита и неэлектроп­роводных материалов; атомарное напыление любых металлов с целью создания за­щитных (антикоррозионных, жаростойких износостойких) покрытий.

Плазму получают в плазмотронах. Различают два типа плазмот­ронов: струйные и плавильные (рис.3.21).

В плавильных плазмотронах (плазмотронах прямого действия) дуга и струя плазмы занимают общий объем, слиты воедино, анодом является переплавленный металл. Дуга и струя плазмы находятся в рабочем пространстве плавильной установки, а не в камере плаз­мотрона, за счет чего повышается его долговечность.

Большинство плазмотронов работают на постоянном токе, что вызвано более стабильным горением дуги. Однако находят примене­ние и однофазные, а также трехфазные плазмотроны. В настоящее время наряду с трехфазными ДСП используются плазменно-дуговые сталеплавильные печи (ПДСП).

Небольшие изменения напряжения на дуге, вызванные, напри­мер, кабельными короткими замыканиями, могут при­вести к резкому изменению тока, а следовательно и мощности дуги. Для по­лучения качественных слитков плавку необходимо вести с постоянной мощностью. Этого можно достичь используя источ­ники, обладающие крутопадаюшей характеристикой источника тока. Работа параметрического источника тока (рис. 3.20, а) основа­на на явлении резонанса напряжений, т.е. Lω= 1/Cω = X.

Для параметрического источника тока (ПИТ) можно составить на основании законов Кирхгофа следующую систему уравнений:

U_ab=z_НI_Н-jxI_Д

U_ca=jxI_C-z_НI_Н

I_Н+I₁+I_C=0

Решение этой системы уравнения относительно тока нагрузки (тока дуги) имеет вид:

I_Н=jU_bc/x.

Таким образом, в ПИТ ток нагрузки не зависит от параметров нагрузки (величины сопротивления дуги, напряжения на ней) и оп­ределяется сопротивлением резонансных элементов. Этот вывод подтверждает также построение векторных диаграмм ПИТ, которые можно сделать самостоятельно для трех случаев:

a) z_H = 0(R_g = 0) - короткое замыкание дуги ;

б) х_c = x_l= √3R_g - симметричная нагрузка;

в) R_g > x_l = x_c - несимметричная нагрузка.

Построение показывают, что во всех трех случаях ток дуги не изменяется. Из трех однофазных ПИТ, соединенных вместе, получают трехфазный. Электротехнической промышленностью выпускают ПИТ на токи I_g = 12,; 25; 37,5; 50 кА. U_H = 75 В.