Вакуумные плазменные электропечи

АКАДЕМИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ НАУК РФ ОТДЕЛЕНИЕ «ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ» СИБИРСКИЙ ЗАВОД ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОАО «СИБЭЛЕКТРОТЕРМ»






























ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО
СИБЭЛЕКТРОТЕРМ
Сибирский завод электротермического оборудования


              КРУПНЕЙШИЙ В РОССИИ ЗАВОД ПО ПРОИЗВОДСТВУ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ


               ОАО «Сибэлектротерм» работает на рынке электрометаллургического и термического оборудования с 1945 года. За это время завод завоевал лидирующие позиции среди крупнейших производителей электротермического оборудования как в России, так и за рубежом. Продукция ОАО «Сибэлектротерм» успешно работает на ведущих предприятиях России, включая металлургический, машиностроительный, химический комплексы, заводы по производству новых материалов. Электропечи с торговой маркой «Сибэлектротерм» эксплуатируются в 32 странах мира.

        СОВРЕМЕННЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ Серия монографий










ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
серии «Современные электротехнологии» доктор технических наук, профессор В.С. ЧЕРЕДНИЧЕНКО






РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ д-р техн, наук, проф. А. С. Аныиаков д-р техн. наук, проф. В. Б. Демидович д-р техн. наук, проф. С. В. Дзлиев д-р техн. наук, проф. А. Б. Кувалдин канд. техн. наук М. Г. Кузьмин д-р техн. наук, проф. Ю. М. Миронов д-р техн. наук, проф. М. В. Радченко

Современные электротехнологии Том 10




В.С. ЧЕРЕДНИЧЕНКО, Б.И. ЮДИН

ВАКУУМНЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ ЭЛЕКТРОПЕЧИ








НОВОСИБИРСК
2011

УДК 621.365.2-982
     4-462

Рецензенты:
Отделение «Электротехнология» Академии электротехнических наук РФ; А.С. Аньтакое, д-р техн. наук, проф. ИТ СО РАН; А.ЛА. Кручинин, д-р техн. наук, проф. МЭИ




      Чередниченко В.С.
4-462    Вакуумные плазменные электропечи: монография / В.С. Чередни      ченко, Б.И. Юдин. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - 586 с.: ил., 40 цв. ил. - (Серия монографий «Современные электротехнологии». -Т. 10).

          ISBN 978-5-7782-1557-3


          Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований, расчеты, опыт конструирования и эксплуатации вакуумных плазменных электропечей, предназначенных для переплава и восстановления металлов, сфероидизации и получения чешуйчатых порошков, высокоионизированных потоков плазмы и паров различных веществ. Рассмотрены принципы работы вакуумных плазмотронов с горячими полыми катодами, их конструктивные решения, даны рекомендации по расчету плазмотронов, системы их газоснабжения и электропитания. Представлены результаты промышленной реализации вакуумных плазменных электропечей и установок.
          Книга предназначена для инженерно-технических работников, занятых созданием и эксплуатацией плазменных электропечей и систем их питания, преподавателей, студентов, магистрантов и аспирантов различных специальностей.


УДК 621.365.2; 537.52




                                          © Чередниченко В.С., Юдин Б.И., 2011 © Новосибирский государственный

                                               технический университет, 2011



ISBN 978-5-7782-1557-3

                Modern electrotechnics




Volume 10







V.S. CHEREDNICHENKO, B.I. YUDIN



VACUUM PLASMA ELECTRIC FURNACES















NOVOSIBIRSK
2011

UDC 621.365.2-982
     CH-462






Reviewers:
Electrotechnic Department of Russian Academy of Electric Engineering Sciences;
A.S. Anshakov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Thermal Physics Institute of RAS SD
A.M. Kruchinin, Doctor of Technical Sciences, Professor, MEI




       Cherednichenko V.S.
CH-462    Vacuum plasma electric furnaces / V.S.Cherednichenko, B.I.Yudin.        Novosibirsk: NSTU Publishing House, 2011. - 586 pp. - («Modern electrotechnics». -Vol. 10).
           ISBN 978-5-7782-1557-3

           The book contains the results of experimental and theoretical research work, calculations the experience of designing and operating vacuum plasma electric furnaces and installations designated for metal remelting and reduction, balling and flaked powder production, and formation of highly ionized plasma flows. The book covers the principles of operation of vacuum plasmatrons equipped with hot hollow cathodes, the embodiments thereof, plasmatrons calculations, gas and electric power supply systems employed therein. It presents the results of commercial operation of vacuum plasma electric furnaces and installations.
           The present book is appropriated for the specialists of engineering plants and metal works, of design and research institutions, design departments, for companies and plants’engineers employed in development and manufacture of plasma electric furnaces and power supply systems thereof. It could be recommended as well for lecturers, students, undergraduates andpost-graduates ofvarious specialties.






UDC 621.365.2-982

                                               © Cherednichenko V.S., Yudin B.I., 2011
                                               © Novosibirsk State Technical
                                                  University, 2011

ISBN 978-5-7782-1557-3

        ПРЕДИСЛОВИЕ


   Интерес к вакуумным плазменным электропечам обусловлен практической необходимостью использования технологических процессов с интенсивным нагревом веществ в диапазоне рабочих давлений от 1 до 10“³ мм рт. ст. (133...0,133 Па). Разработка отечественных промышленных электропечей этого типа в значительной мере была подготовлена и осуществлена группой специалистов отраслевой научно-исследовательской лаборатории электродугового нагрева Новосибирского электротехнического института (ныне Новосибирский государственный технический университет). Именно их исследования, изобретения, патенты и разработки были положены в основу создания первых отечественных промышленных вакуумных плазменных электропечей, позволивших определить основные параметры и перспективность развития нового направления плазменной техники.
   Созданные в 1970-х годах этой группой специалистов промышленные вакуумные плазмотроны большой мощности позволили осуществить кроме традиционных переплавных рафинировочных технологий получения слитков целый ряд новых технологических процессов: восстановление тугоплавких и реакционных металлов (урана, тантала и др.), нагрев порошковых материалов в столбе вакуумной плазмы для рафинирования, сфероидизации, плакирования и получения чешуйчатых порошков, выплавка сплавов специального назначения в вакуумных плазменно-индукционных печах с холодным тиглем, создание интенсивных потоков неравновесной низкотемпературной плазмы и паровых потоков веществ для получения конденсационных материалов, слоистых изделий и нанесения покрытий.
   Доказанная эффективность промышленной реализации нового вида нагрева в вакууме основывается на проведенных исследованиях силь-

Предисловие

неточных разрядов с горячими полыми катодами. Оказалось, что использование полых катодов позволило сформировать в сильноточном вакуумном разряде пространственно протяженную область, выполняющую функцию накопителя энергии и обеспечивающую поток электронов и ионов в радиальном направлении в прикатодную область и в осевом направлении в столб разряда. Параметры плазмы в этой области (степень ионизации плазмообразующего газа, плотность, энтальпия газа) самоустанавливаются, и их можно изменять путем внешнего управления без нарушения стабильности горения разряда. Наличие в полости катода осциллирующих электронов по радиальной координате обеспечивает ионизацию плазмообразующего газа и непрерывность протекания тока в осевом направлении разряда. Кроме того, установлено, что вакуумный разряд с полым катодом формируется и поддерживается практически независимо от процессов испарения материала катода и свойств обрабатываемых материалов. Внутри полости катода имеется активная зона разряда, заполненная высокоионизированной газовой плазмой в отличие от паровой плазмы материала катода в сво-бодногорящей вакуумной дуге. Такой вид разрядов отличается от разрядов пониженного давления в вакуумных дуговых печах и вакуумных коммутаторах (высоковольтных вакуумных выключателях, разъединителях, короткозамыкателях, контакторах, управляемых вакуумных разрядниках и т. д.).
   Книга вызывает интерес не только современной и актуальной тематикой вакуумных технологий, но и новизной теоретических результатов. Впервые в монографии приведено точное решение кинетических уравнений для бесстолкновительной плазмы, полученное авторами 30 лет назад на основе постановки задачи по А.А. Власову, и, что особенно важно, рассмотрено использование данной теории для решения задачи ионно-электронного нагрева порошкового материала в плазменном потоке при появлении на частицах плавающего потенциала. Кроме того, в 7-й и 8-й главах приведен анализ взаимодействия плазмы с твердым телом - полым катодом, при наличии в его полости осциллирующих электронов. Экспериментально-теоретическое изучение прикатодных процессов в полом катоде на основе оригинальных решений обратной тепловой задачи для обработки экспериментальных результатов позволило установить ряд новых закономерностей и взаимосвязей параметров в плазменных процессах при развитии разрядов в неравновесной вакуумной плазме.

Предисловие

9

   Установлено охлаждающее действие термоавтоэлектронной эмиссии на катоде и определены особенности процессов формирования объемных зарядов на поверхностях малых и больших частиц при обработке порошков в плазме, взаимодействие плазмы с плоской и цилиндрической поверхностями. К новым результатам следует отнести газодинамическую часть теории разрядов с полыми катодами, которая позволила объяснить ранее установленные экспериментально, но не объясненные свойства разрядов с полыми катодами. Впервые авторами установлен и исследован процесс электродинамической подачи плазмы в полость катода из столба разряда и формирования внутри полости катода отдельной области, где потенциал увеличивается за счет торможения плазмы. Зависимость этого напряжения от тока разряда является определяющей в процессах самоподдержания устойчивых сильноточных режимов работы плазмотронов.
   Необходимо отметить, что это первая фундаментальная монография, посвященная такой перспективной и новой области электротехнологий, как использование вакуумных плазменных печей, содержит ряд дискуссионных точек зрения. Действительно, в данной книге приводятся новые экспериментальные результаты плавного перевода вакуумного разряда с полым катодом из диапазона режимов тлеющего разряда в диапазон дуговых разрядов с сохранением диффузного катодного пятна. В последующем аналитическом решении балансовых уравнений прикатодной области авторы делают вывод, что для формирования распределенного (диффузного) катодного пятна необходимо наличие потока обратных электронов, определяют их роль в поддержании термоэмиссионных температур в катодах и формировании высоких прикатодных падений потенциала. Эти выводы обсуждались на конференциях и симпозиумах по плазменной технике и электротехнологиям, но до настоящего времени относятся к дискуссионным. Необходимо отметить, что многие специалисты воспроизвели эксперименты с вакуумными разрядами, проведенные авторами книги еще в начале 1970-х годов, получили аналогичные результаты и разделяют точку зрения авторов монографии. Однако нет подтверждений существования таких процессов для дуг атмосферного давления, а следовательно, эти выводы не имеют пока общего характера. По-видимому, детальное обсуждение этих и других проблем, изложенных в монографии, - дело будущего.

Предисловие

    Наиболее важным сегодня является сам факт создания отечественного промышленного оборудования с вакуумными плазмотронами мощностью до 1000 кВт, с помощью которого металлурги имеют возможность осуществлять новые современные электротехнологии.
    В целом эта книга восполняет существенный пробел в отечественной литературе по вакуумным плазменным печам и представляет несомненный интерес для специалистов, занимающихся разработкой и эксплуатацией плазменной техники. Кроме того, монография будет полезна при подготовке специалистов в вузах по многим специальностям, изучающим оборудование и плазменные методы обработки материалов.



                                    А.С. Аньшаков, доктор технических наук, профессор