Плазма плавит металл
Как известно, нагревание веществ ведет к увеличению энергии теплового движения молекул. При нагреве до 2000° С начинает проявляться нарушение молекулярного состояния. Распадаются на атомы многоатомные молекулы. Вблизи 3000° С наблюдается диссоциация уже « двухатомных молекул, происходит и их распад. Когда температура достигает 4000°С, почти все вещества находятся не в молекулярном, а в атомарном состоянии. Свыше 5000° С начинается процесс распада атомов на ионы; нарушаются внутриатомные связи. При 6000—7000° С происходит деформация электронных оболочек атомов, отрыв электронов от атомных ядер. К 8000° С вещества находятся уже не только в атомарном, но и, частично, в ионизированном, плазменном, состоянии. Плазма — это ионизированная газовая система.
Плазменная струя газа обладает необычными свойствами. Газы — диэлектрики в плазменном состоянии становятся проводниками электрического тока. В обычном состоянии газы нейтральны, а в ионизированном они обладают уже электрическим зарядом. В плазме наблюдается очень высокая концентрация энергии (до 100 кВт/см2).
Если плазменную струю сжать, нагреть электрической дугой и направить на поверхность металла, то металл будет плавиться. На этом принципе созданы плазменные горелки. Чем меньше сечение плазменной струи, чем больше плотность тока, сопротивление и мощность установки, тем выше температура, развиваемая плазменной горелкой — плазмотроном. Плазмотроны уже серийно выпускаются как в СССР, так и в США, Японии и ФРГ. Используются они для резки металлов, сварки, наплавки и напыления, а в ряде случаях и для плавки тугоплавких металлов.
В плазменных печах плавят от нескольких килограммов до нескольких тонн металла. На них устанавливают от одного до пяти плазмотронов. В качестве газов используют аргон или азот. На каждый килограмм полученного расплава расходуется 0,8 кВт, т. е. примерно столько же, сколько и на дуговой электропечи. Азотная плазма развивает температуру более 6000° С. Это позволяет получить очень высокий коэффициент полезного действия: 60—70% больше, чем у любых других печей.
В плазменных печах возможно получение металла весьма высокого качества. Металл не соприкасается с воздухом и не образует окислов и нитридов. В печи нет графитовых электродов и поэтому не происходит науглероживания расплава. Медная водоохлаждаемая ванна исключает попадание в металл неметаллических включений. Все это обеспечивает высокую пластичность и достаточную прочность металлов, выплавляемых в плазменных печах.
На рис. 28 приведены схемы плазменно-дуговых печей. Печь с огнеупорной футеровкой (рис. 28, а) аналогична обычной электродуговой печи с той разницей, что вместо обычных графитовых электродов через свод печи в ванну вводятся плазменные горелки — плазмотроны. На рис. 28, б показана плазменно-дуговая печь с водоохлаждаемым кристаллизатором, в котором расплавляемый металл затвердевает на поддоне, равномерно опускающимся вниз.
Рис. 28. Схема устройства плазменной дуговой печи:
а — с огнеупорной футеровкой; б — с водоохлаждаемым катализатором