Спосіб електродугового нагріву та плавлення матеріалів

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно - к способу электродугового нагрева материалов, и может быть использовано в электротермических установках для нагрева и плавления электропроводных и неэлектропроводных ши хтовы х материалов в виде порошков или кусков. Известны различные способы нагрева и плавления порошковых и кусковых материалов. По технической сущности близким к предлагаемому способу является способ нагрева и плавления материалов электродуговыми нагревателями газа [1]. Согласно этому способу порошковые и кусковые материалы нагреваются в потоке горячего газа, генерируемого плазмотроном. Основными недостатками такого процесса нагрева являются низкий коэффициент полезного действия, низкая скорость плавления материалов, низкое качество обработки материалов. Известен способ производства электрических контактов, в котором контактная поверхность обладает специальными свойствами [2]. Данный способ предусматривает получение на поверхности электрического контакта со специальными свойствами путем нагрева и расплавления поверхности несущей конструкции контакта дугой, подачу в расплав нагретого в дуге порошка, а также нагрев, расплавление и выдержку в расплавленном состоянии образовавшегося на поверхности сплава для завершения процесса сплавления его с контактом. Нагрев и расплавление порошка и контакта производится двумя дугами, генерируемыми между катодом и контактом и между соплом и контактом. Однако этому способу присущи следующие недостатки. Дуга, горящая между соплом и контактом, приводит к быстрому разрушению и выходу из строя сопла особенно при увеличении силы тока дуги. Зона дугового разряда, в которой происходит нагрев порошка, сравнительно мала, что обуславливает низкую скорость плавления материалов из-за низкого коэффициента массообмена порошка с горячим газом столба дуги (порошок не успевает нагреваться и попадает в расплав холодным), низкое качество обрабатываемого материала и малый КПД процесса в целом. Основной задачей изобретения является усовершенствование известного способа, путем выбора расстояний между электродами и расплавом, что позволяет генерировать дуговой разряд с тремя столбами и протекание тока по двум параллельным цепям и. за счет этого повысить скорость плавления материалов, КПД нагрева и качество обработки. Поставленная задача достигается тем, что в способе электродугового нафева материалов, при котором перемещают вн утренний и наружный электроды плазмотрона относительно друг друга и относительно расплава, подают в межэлектродный зазор плазмообразующий газ, возбуждают электродуговой разряд, регулируют током дуги и подают в зону дуги ши хтовые материалы, согласно изобретению внутренний и наружный электроды перемещают таким образом, чтобы отношение расстояния между торцом внутреннего электрода и расплавом Н к расстоянию между внутренним и наружным электродами б поддерживалось в диапазоне 3,5-4,3, а отношение расстояния между торцом внутреннего электрода и расплавом Н к расстоянию между торцом наружного электрода и расплавом h поддерживалось в диапазоне 2,2-3,8. Отличительным признаком предлагаемого изобретения является перемещение внутреннего инаружного электродов (плазмотрона) таким образом, чтобы отношение расстояния между торцом внутреннего электрода и расплава к расстоянию между вн утренним и наружным электродами, а также отношение расстояния между торцом внутреннего электрода и расплавом к расстоянию между торцом наружного электрода и расплавом поддерживалось в оптимальных пределах. Этим достигается генерирование дугового разряда с тремя столбами, в которых ток протекает по двум параллельным цепям: 1) внутренний электрод - наружный электрод; 2) торец внутреннего электрода - расплав - торец наружного электрода. Перемещением электродов относительно друг др уга и относительно расплава достигается регулирование до равных значений мощностей, выделяемых в столбах дуг, температуры, степени ионизации и проводимости газа в межэлектродных промежутках. За счет равенства указанных параметров обеспечиваются одинаковые условия для протекания по двумя параллельным цепям близких по силе токов и устойчивое существование трех столбов дуг. В результате достигается следующий эффект: значительное расширение зоны нагрева шихтовы х материалов в дуговом разряде и повышение скорости плавления шихтовых материалов за счет увеличения массообмена шихтовы х материалов с плазмообразующим газом, увеличение эффективности КПД процесса в целом. Оптимальные отношения расстояний электродами и расплавом, при которых достигаются условия для генерации столба дуги с тремя столбами и протекание тока по двум параллельным цепям установлено экспериментально. Сущность изобретения заключается в следующем. Протекание близких по значению токов по каждой из двух параллельных цепей дуги вн утренний-наружный электроды. торец внутреннего электрода - расплавторец наружного электрода возможно в том случае, если степень ионизации и электропроводность газа в межэлектронных промежутках близки по значению. Степень ионизации газа и его электропроводность зависят от мощности, выделяемой в столбе дуги, теплофизических условий процессов ионизации и деионизации газов и длины столба дуги. Следовательно, регулируя величину зазоров между электродами и расплавом легко найти такое взаимное положение, при котором сопротивление, падение напряжения и мощность, выделяемая в столбах дуги вн утренний-наружный электроды, торец внутреннего электродарасплав- торец наружного электрода будут практически равны. Следовательно, будут обеспечены условия для стабильного горения дуги с тремя столбами и протекание равных по значению токов по этим столбам. Учитывая сложность процессов тепло-, массообмена, которые протекают в межэлектродных промежутках и окружающей их среде, оптимальные соотношения расстояний между электродами, электродами и расплавом, при которых генерируется электрическая дуга с тремя столбами определены экспериментально. При отношении расстояния между торцом внутреннего электрода и расплавом (Н) к расстоянию между внутренним и наружным электродами (d ) менее 3,5, а при отношении расстояния между торцом внутреннего электрода и расплавом (Н) к расстоянию между торцом наружного электрода и расплавом (h) более 3,8 сопротивление столба дуги на участке внутренний-наружный электроды значительно меньше, чем на участкеторец внутреннего электрода-расплав-торец наружного электрода. Поэтому дуга будет гореть только между внутренним и наружным электродами, а длина ее будет близкой к величине зазора между ними. Мо щность дуги и зона нагрева материала, подаваемого в дугу, будут сравнительно малы, что приведет к резкому снижению КПД процесса нагрева материала и расплава, скорости плавления шихтовы х материалов и снижению качества расплавленного металла. При отношении расстояния от торца внутреннего электрода до расплава (Н) к расстоянию между внутренним и наружным электродами (d ) более 4,3 и отношении расстояния между торцом внутреннего электрода (Н) к расстоянию между торцом наружного электрода и расплавом (h) менее 2,2 сопротивление цепи торец внутреннего электрода-расплав-торец наружного электрода будет меньше сопротивления цепи внутренний-наружный электроды и дуга будет гореть между электродами и расплавом. В этом случае скорость нагрева материала минимальной и он попадая в расплав, будет за холаживать его. Следствие этого будет резкое снижение качества готового продукта и КПД процесса нагрева материала. Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществлять процесс электродугового нагрева и плавления материалов при высокой скорости плавления шихтовы х материалов, при высоком КПД процесса нагрева и хорошем качестве готового продукта. На чертеже представлено устройство, с помощью которого осуществляется способ электродугового нагрева и плавления материалов. Устройство состоит из внутреннего 1 и наружного 2 электродов. Внутренний полый электрод 1 расположен по центру наружного электрода 2 с зазором d на фланцах 3,4, имеющих полости 5, 6 для охлаждения их водой. Электроды изолированы друг от друга изолятором 7. Перемещение электродов и регулирование расстояний между торцами электродов производится посредством гаек 8, а между торцами электродов и расплавом - перемещением всего устройства вдоль оси. Плазмообразующий газ подается во внутреннюю полость электрода 1 или в зазор между электродами 1, 2 через штуцеры 9, 10. В эти же полости поступает обрабатываемый материал 11, 12. Герметизация полости между электродами производится резиновыми уплотнениями 13. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. В установку, представляющую собой водоохлаждаемую герметичную камеру, оборудованную керамическим тиглем, в котором поддерживается ванна расплавленного металла, над поверхностью металла размещают устройство для электродуговою нагрева. Через штуцеры 9,10 подают плазмо образующий газ, включают источник питания и посредством осциллятора генерируют дугу между наружным 2 и внутренним 1 электродами. Нагретый и ионизированный в этой дуге газ, попадая в пространство между торцами электродов и металлом создает элект-роповодную зону. Путем регулирования расстояний между торцами внутреннего 1 и наружного 2 электродов и расплавом 17 производится выход на режим генерирования дугового разряда с тремя столбами 14, 15 и 16 горящими между электродами 1, 2 и междуэлектродами 1,2 и расплавом 17. Питание дуги осуществляется от источника переменного тока. Предлагаемый способ электродугового нагрева и плавления материалов прошел проверку в. Институте электросварки им. Е.О.Патона АН Украины на установке ОБ 1501. Установка представляла собой водоохлаждаемую герметичную камеру, оборудованную керамическим тиглем, в котором поддерживалась ванна расплавленного металла. Над поверхностью металла размещалось устройство для электродугового нагрева, состоящее из внутреннего и наружного электродов. Внутренний диаметр наружного электрода составлял 120 мм, диаметр внутреннего электрода составлял 70 мм, зазор между внутренним й наружным электродами d составлял 25 мм. Испытания предложенного способа осуществлялись следующим образом. Подали Плазмообразующий газ, включили источник переменного тока. Генерировали дугу с тремя столбами. Возникновение и устойчивое горение дуги контролировали вольтметром и осциллографом, визуально, а также по температуре расплава. Напряжение между внутренним и наружным электродами было близко к напряжению между электродами и расплавом, причем сумма указанных напряжений приближалась к напряжению дуги, горящей только между торцами электродов и расплавом, В качестве шихты использовали феррохром в виде смеси порошков и кусков хромитовой руды, кварцита и отходов кокса. Порошковый и кусковой материал подавали в протяженную зону дугового разряда с тремя столбами, нагревали в ней до температуры плавления, перегревали и затем он попадал в расплав. Температуру рас-. плава в этом случае регулировали довольно в широких пределах за счет регулирования мощности дуги, перегревая расплав на 100-150°С выше температуры ликвидуса. Расплав был однороден, в нем не было нерасплавившихся частиц шихты, скорость плавления шихты колебалась от 215 до 280 кг/ч, КПД процесса нагрева доставлял 0,520,67. При горении дуги визуально (через светофильтр) наблюдалось три столба: между внутренними и наружными электродами, между торцом внутреннего электрода и расплавом и между торцом наружного электрода и расплавом. При горении дуги только между внутренним и наружный электродами (Н/d 3,8) напряжение ее колебалось в пределах 88-90В, напряжение между вн утренним и наружным электродами и расплавом было близко к нулю, а температура расплава была всего на 3-5°С выше температуры ликвидуса, Расплав неоднороден, низкая скорость плавления шихтованного материала (180 кг/ч), низкий КПД процесса плавления -0,35. При горении дуги только между электродами и расплавом (Н/d >4,3; H/h