В металлургии применяется низкотемпературная плазма, степень ионизации которой составляет около 1 %. Необходимым условием существования плазмы является ее квазинейтральность, т.е. отсутствие заметного избытка одних зарядов над другими.
Для выполнения этого условия необходимо, чтобы линейный размер объема плазмы г значительно превосходил так называемый дебаевский радиус r2, т.е.
Нагрев в плазменных устройствах происходит за счет физического тепла плазмы, теплоты нейтрализации ионизированных частиц газа и теплоты образования молекул газа и его атомов. Чем больше степень диссоциирования и ионизирования газа, тем значительнее тепловое действие плазмы (табл.21).
Ионизация атомов происходит или электронами, или положительными ионами по реакциям:
Таблица 21. Теплота диссоциации и ионизации газов
Первая реакция возможна, если кинетическая энергия свободных электронов превышает энергию ионизации атома (eUi, где Ui- потенциал ионизации). Вторая реакция протекает, если ион В+ с массой mв обладает кинетической энергией, равной или большей, чем
где mA — масса атома А в состоянии покоя. Таким образом, для ионизации положительными ионами требуется более значительная величина энергии, чем для ионизации электронами.
Из всех перечисленных плазмообразующих газов (табл.21) наиболее широкое применение находит аргон. В среде аргона наиболее успешно происходит ионизация положительными ионами. Кроме того, аргон является нейтральным газом.
Ионизация аргона может происходить частично с образованием иона Аг++, а азота — с образованием ионов N++ и N+++ при более высоких температурах плазмы.
На рис.16 представлена схема плазменных нагревательных устройств.
Разработанный Институтом проблем литья АН Украины экологически чистый способ плазменного рафинирования цветных сплавов используется в широких масштабах в нашей стране и за рубежом.
Для реализации указанного способа созданы различные варианты плазменных установок, в состав которых входят:
- механизм перемещения плазмотрона, обеспечивающий погружение его в расплав плазмотрона в горизонтальной плоскости;
- источник питания плазмотрона, который имеет падающую вольтам- перную характеристику и напряжение холостого хода не менее 70 В;
- система подачи плазмообразующего газа (аргон, азот, гелий или их смеси).
С помощью плазменных установок можно решить следующие технологические задачи:
- осуществлять глубокое рафинирование или модифицирование цветных сплавов;
- поддерживать в заданных пределах температуру или подогревать расплав в процессе обработки;
- сократить на 40- 60 % расход рафинирующих и модифицирующих реагентов на обработку сплава;
- существенно улучшить экологическую обстановку в цехе.
В зависимости от емкости ковша или печи разработаны три варианта плазменных установок для глубинной обработки расплава газореагентными средами.
Для обработки металлических расплавов в ковше или печи вместимостью до 0,5 т применяется промышленная установка (рис.17).
Основным элементом этой установки является стойка с кронштейном. Кронштейн, в зависимости от расположения плавильной печи или ковша, может перемещаться по стойке. На кронштейне установлен механизм перемещения плазмотрона. Плазмотрон крепится к свободному концу консольного рычага. При помощи системы тяг и пары винт-гайка обеспечивается перемещение плазмотрона по вертикальной плоскости. Скорость перемещения плазмотрона до 2,5 м/мин.
Электрическая схема обеспечивает работу этой установки в автоматическом и ручном режимах. Управление установкой осуществляется с пульта, который закреплен на стенке. На пульт вынесены приборы управления, звуковая и световая сигнализации процесса обработки расплава. В схеме предусмотрена блокировка включения плазмотрона при отсутствии подачи плазмообразующего газа. Источником питания плазмотрона служит выпрямитель ВД-401. Номинальное рабочее напряжение выпрямителя — 40 В.
Система подачи аргона состоит из рамы с баллонами газа, осушителя, ротаметра, регулирующего вентиля и электрического пневмоклапана.
Установка может располагаться непосредственно возле плавильной печи. Необходимая площадь для размещения установки не превышает 1 м2.
Для обработки расплава в ковше или в печи вместимостью 0,5-1,0 т применяются плазменные установки, конструкция которых разработана ПО ’’Сибтяжмаш” (г.Красноярск) совместно с Институтом проблем литья АН Украины. Основные механизмы такой установки располагаются на станине. Держатель плазмотрона закреплен на механизме его вращения. Механизм вращения плазмотрона жестко соединен с механизмом вертикального его перемещения, который установлен по колонне и связан с ней с помощью винта (рис.18).
Приводом для перемещения и вращения плазмотрона служит электродвигатель АИР71В6 с редуктором 24-63. Этот привод обеспечивает скорость его вращения до двух оборотов в минуту. Вращение плазмотрона обеспечивает обработку всего объема жидкого металла высокотемпературными средами. На колонне имеется паз, с помощью которого при извлечении из расплава плазмотрона и достижении им верхнего положения механизм вертикального перемещения поворачивается в горизонтальной плоскости на 90°. После этого ковш с обработанным расплавом краном транспортируется к разливке. Источником питания плазмотрона служит выпрямитель ВДУ-506УЗ, номинальное рабочее напряжение которого 46 В при токе до 500 А. Все электрооборудование размещено в шкафе-пульте управления установки. Система снабжения плазмотрона плазмообразующим газом аналогична системе установки для обработки расплава в ковше вместимостью до 0,5 т.
Разработанная в 1988 г. Институтом проблем литья АН Украины плазменная установка предназначена для глубинной обработки жидкого металла массой более 1 т. Опытно-промышленный образец этой установки изготовлен для Челябинского тракторного завода им.В.ИЛенина (г.Челябинск).
Отличительной особенностью установки является возможность использовать для обработки расплава два плазмотрона. Такое техническое решение позволяет эффективно рафинировать и модифицировать большие объемы металла.
Источники питания каждого плазмотрона индивидуальные. В качестве питания применяются сварочные выпрямители ВДУ-506. На пульт управления установки вынесены приборы контроля за работой обоих плазмотронов. Системы снабжения плазмообразующим газом регулируются и выполнены для двух плазмотронов одновременно.
В связи с возрастающим требованием к экологически чистым технологическим процессом созданное оборудование может быть рекомендовано к широкому внедрению во всех литейных цехах и не ограничивается объемом выпускаемой продукции из цветных сплавов.
