Вакуумные плазменные электропечи

НАУЧНАЯ МЫСЛЬ
СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ




B.C. 4EPEMU4EMO G.U. ЮйU^




                ВАКУУМНЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ ЭЛЕКТРОПЕЧИ




МОНОГРАФИЯ
2-е издание, стереотипное



znanium.com

Москва ИНФРА-М 2022

УДК 621.365.2(075.4)
ББК 31.292
      Ч46



      Рецензенты:
        отделение «Электротехнология» Академии электротехнических наук РФ;

        Аньшаков А.С., д-р техн. наук, профессор Института теплофизики СО РАН;

         Кручинин А.М., д-р техн. наук, профессор Московского энергетического института

       Чередниченко В.С.
Ч46 Вакуумные плазменные электропечи : монография / B.C. Чередниченко, Б.И. Юдин. — 2-е изд., стереотип. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 583 с., [40] с. цв. ил. — (Научная мысль). — DOI mono-graphy_5a3cad47235f11.20096854.

          ISBN 978-5-16-013627-1 (print)
          ISBN 978-5-16-106268-5 (online)

         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, высоко-ионизированных 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(075.4)
ББК 31.292

ISBN 978-5-16-013627-1 (print)
ISBN 978-5-16-106268-5 (online)

© Чередниченко В.С., Юдин Б.И., 2011, 2018

ПРЕДИСЛОВИЕ


         нтерес к вакуумным плазменным электропечам обусловлен
   XX 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 силь3

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 взаимрдействия 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.

4

   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.

5

   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. Аныиаков, доктор технических наук, профессор

6

ВВЕДЕНИЕ

   Злектротехнологические процессы и установки настолько широко вошли в практику многих отраслей производства, что их дальнейшее развитие не представляется возможным без применения традиционных и новых плазменных методов преобразования электрической энергии в тепловую с последующим использованием ее при получении качественных материалов. Вся история создания электротермических установок - это история разработки оборудования с использованием новых физических принципов преобразования электрической энергии в тепловую и его совершенствование для повышения концентрации тепловых потоков в области нагрева. На рисунке приведена сравнительная диаграмма использования различных источников нагрева, показывающая достигнутые концентрации энергии на площади с эквивалентным диаметром поверхностей нагрева d при использовании лазерных, электронно-лучевых, сварочных, вакуумных плазменных, плазменно-дуговых установок атмосферного давления (включая свободногорящие сверхмощные дуги) и газовых установок. На рисунке не показаны электротермические возможности индукционных систем нагрева, которые, включая импульсный индукционный нагрев, охватывают весь диапазон плотностей энергии на поверхности нагрева от лазерного до газового.
   Диаграмма имеет качественный характер, так как включает множество вариантов исполнения систем нагрева, в том числе, например, сканирование электронного луча по поверхности нагрева, обжатие сварочных дуг различными способами, использование электроннолучевой сварки или резки, управление с помощью магнитных и газодинамических методов параметрами и площадью нагрева в плазменных устройствах и др.

7

Диаграмма концентрации энергии различных источников нагрева:
1 - лазерный нагрев; 2 — электронно-лучевая плавка; 3 - сварочные процессы; 4 - вакуумные плазмотроны; 5 - дуговые разряды атмосферного давления; б - газовый нагрев

    В металлургических установках, предназначенных для удаления вредных примесей из металла (серы, фосфора, газов, цветных металлов, неметаллических включений и т. п.) и придания продукции необходимой структуры, концентрации энергии на поверхностях нагрева ограничиваются значениями 10⁸ Вт/м². Как следует из приведенной диаграммы, в этом диапазоне нагрева могут работать электронно-лучевые, вакуумные плазменные установки, вакуумные дуговые печи и плазменные электропечи атмосферного давления. Необходимо отметить, что плазменные электротехнологии обладают специфическими неограниченными возможностями, которые позволяют ликвидировать ограничения в достижении требуемого уровня технологической температуры, существенно интенсифицировать тепло- и массообмен, управлять составом газовой атмосферы и давлением в рабочем пространстве независимо от теплового и технологического процессов. Это расширяет базу перерабатываемого сырья за счет использования низкокачественных руд и отходов различного происхождения при полном извлечении ценных компонентов из этого сырья с одновременным повышением качества готовых продуктов.

8

   Плазменные электротехнологии позволяют не только получать традиционные металлы и сплавы, но и создавать новые материалы с привлечением специальных методов для обработки исходных веществ. Обеспечение таких свойств, как тугоплавкость, жаропрочность, пластичность, высокие термоэмиссионные свойства, сверхпроводимость, вызывает потребность получения металлов высокой и сверхвысокой чистоты. В ряде случаев это не ограничивается получением простых сплавов - необходимы многокомпонентные сплавы, псевдосплавы, композиционные материалы. Плазменные технологии позволяют получать твердые сплавы на основе карбидов и нитридов металлов, дисперсионно-упрочненные материалы на металлической основе с распределенными порошками металлов, окислов и других соединений. Для решения ряда задач требуются вещества особой формы, в том числе сфероидизированные гранулы, чешуйчатые и ультрадисперсные порошки, материалы с монокристаллической или многослойной структурой. Эти задачи способна решать вакуумная плазменная техника.
   Возможность нагрева и расплавления металлов в вакууме с равными скоростями нагрева позволяет сделать вывод о возможности проведения одинаковых металлургических технологий в электроннолучевых, вакуумных дуговых и вакуумных плазменных электропечах. Промышленный опыт эксплуатации вакуумных плазменных печей показал следующие их преимущества по сравнению с вакуумной плавкой расходуемых электродов в вакуумно-дуговых печах и электроннолучевых установках: высокий уровень взрывобезопасности, исключение трудоемких и дорогостоящих операций по изготовлению расходуемых электродов, возможность переработки отходов и исходного сырья с большим содержанием примесей (в том числе окислов металлов), получение паровых потоков различных веществ для производства конденсационных композитных материалов, нагрев порошковых и гранулированных материалов для рафинирования, сфероидизации, плакирования и получения чешуйчатых порошков, более низкие рабочие напряжения и, следовательно, отсутствие вредных излучений, рабочие давления в диапазоне 1... 10 ³ мм рт. ст., не требующие использования специальных высоковакуумных систем.
   Вакуумные плазменные электропечи и установки имеют различные технологические назначения и конструктивные исполнения, которые объединяются в самостоятельный вид оборудования за счет общего

9

для всех вакуумных плазменных электропечей признака - электрического разряда, выполняющего функцию преобразователя электрической энергии в тепловую для нагрева обрабатываемых веществ.
   В электротехнологиях наиболее широко используются тлеющие и дуговые разряды в газах и парах материалов электродов или обрабатываемых материалов. Обращаясь к энциклопедическим определениям [1], под тлеющим разрядом понимают самостоятельный газовый разряд, отличающийся относительно малой плотностью тока на катоде и большим (порядка сотен вольт) катодным падением потенциала. Наиболее часто встречающееся определение дуги основывается на электрическом разряде между электродами в газе или паре, в котором падение напряжения у катода по порядку величины совпадает с наименьшим потенциалом ионизации либо возбуждения этого газа или пара. Дуга относится к самоподдерживающимся разрядам, способным обеспечивать протекание больших токов благодаря наличию характерного для него механизма эмиссии электронов из отрицательного электрода (катода).
   Такие определения сложились под влиянием результатов работ прежде всего физиков, которые изучали природу явлений, протекающих в разрядах различных видов при питании электрической цепи идеальным постоянным током. Современные представления о тлеющих и дуговых разрядах значительно расширились после изучения тлеющих разрядов большой мощности (20... 100 кВт) и дуговых разрядов при напряжениях 600... 1500 В и токах 60... 150 кА при атмосферном давлении в электротехнологических промышленных установках.
   Особое место в общем понимании газовых разрядов занимает понятие «вакуумная дуга». В природе не встречается дуга, горящая в вакууме. Такой вид разрядов реализован только в специальных установках. Сам термин «вакуумная дуга» не отражает фактически протекающих в ней физических процессов. На самом деле в литературе по вакуумным дугам чаще всего речь идет о дуге, горящей в парах металла, выделяющихся в вакуумном объеме. Поскольку использование этого термина стало общепринятым, будем применять его и в книге, но в более расширенном понимании. В понятие вакуумных разрядов нами включаются разряды, горящие в атмосфере инертных, технологических или реакционных газов, находящихся при давлениях ниже атмосферного.

10