6 Các loại lò hồ quang khác 1 Lò hồ quang chân không.
6.2 Lò hồ quang PLASMA
Lò hồ quang plasma là lò hồ quang sử dụng plasma lạnh. Đó là khí ion có mức ion hóa cao khoảng 1% (tỉ số giữa số ion tren tổng số phân tử). Plasma nhiệt độ thấp được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình như: nấu luyện quặng, hợp kim, tinh luyện thép và hợp kim chất lượng cao, chịu nhiệt và tổng hợp các chất khác…
Ưu việt của lò hồ quang plasma là tập trung một năng lượng nhiệt lớn trong một vùng thể tích nhỏ nên đảm bảo nhiệt độ quá trình rất cao. Do vậy, tăng được khả năng phản ứng và tốc độ phản ứng. Trạng thái kích thích của nguyên tử ở nhiệt độ cao còn cho phép gây phản ứng để tạo các mối liên kết mà không thể thực hiện được ở các điều kiện thông thường.
Phần tử cơ bản của lò hồ quang plasma là plasmatron, ở đó điện năng của nguồn cấp được biến đổi thành nhiệt năng của dòng plasma nhiệt độ thấp. Ta có thể coi plasmatron như một nguồn phát plasma nhiệt độ thấp.
Môi trường tạo ra plasma là các hỗn hợp đa thành phần như N và H, Ar và He.
Phân loại plasmatron theo nguyên lí biến đổi điện năng thành nhiệt năng có: plasmatron hồ quang, cảm ứng và điện tử.
Theo dòng điện có plasmatron dòng một chiều, dòng xoay chiều tần số công nghiệp và cao tần. Loại plasmatron một chiều được dùng phổ biến hơn do tính ổn định cao của hồ quang. Trong plasmatron hồ quang thì loại tác dụng trực tiếp được dùng là chính. Đó là các lò có anốt là kim loại nóng chảy.
Plasmatron hồ quang (hình 26) gồm điện cực 1 có dạng thanh và bình 2 làm mát bằng nước đặt đồng trục với điện cực. Trong plasmatron 1 chiều thì điện cực thường là catốt và
Trang bị điện
nối với cực (-) của nguồn cấp 4. Catốt làm bằng kim loại chiệu nhiệt (W, Ti) có thêm chất phát xạ như oxit thori, itri v.v… Bình làm mát bảo vệ catôt khỏi kim loại bắn tóe và tạo hướng chuyển động cho khí.
Hình 26: Sơ đồ nguyên lý của plasmatron
Hồ quang 3 cháy giữa catốt và bình 2. Nếu để hồ quang hở thì mật độ dòng tương đối không lớn, khoảng 1 ÷ 30 A/mm2 và nhiệt độ không quá 104 0K. Để nâng cao độ tập trung năng lượng trong một đơn vị thể tích và nhiệt độ của plasma, người ta dùng nhiều cách khác nhau để nén hồ quang. Người ta có thể làm lạnh cưỡng bức đồng thời nén cột hồ quang bằng luồn khí (ổn định dòng plasma bằng khí). Cũng có thể nén hồ quang bằng từ trường ngoài (ổn định dòng plasma bằng từ trường) hay bằng điện trường ngoài (ổn định dòng plasma bằng điện trường)…
Khí tạo plasma đã nén được thổi dọc trục điện cực và tạo ra qua một lỗ nhỏ dưới bình 2. Luồng khí sẽ thổi hồ quang xuống phần dưới và trong điều kiện lỗ ra nhỏ sẽ tăng mật độ dòng điện và nhiệt độ plasma hồ quang. Sau khi ra khỏi bình với tốc độ lớn, khí nén tức thời giản nở tạo ra dòng plasma sáng chói. Mật độ dòng hồ quang trong plasmatron cao hơn nhiều mật độ dòng hồ quang tự do. Nhiệt độ dòng đạt tới (1,0 ÷ 1,5) 104 0K và hơn. Nếu thổi khí tạo plasma đã được nén theo tiếp tuyến đối với trục plasmatron thì khí sẽ ôm cột hồ quang và chuyển động xoáy, tạo thành dòng plasma xoáy.
Lò hồ quang plasma xoay chiều đơn giản nhất chính là lò hồ quang xoay chiều thông thường mà các plasmatron đặt thay vào vị trí các điện cực. Để nâng cao sự cháy ổn định của hồ quang chính xoay chiều, người ta dùng dòng plasma (hay HQ) một chiều phụ thêm.
Trang bị điện
Plasma phụ một chiều sẽ ion hóa không gian giữa các điện cực, tạo điều kiện mồi hồ quang xoay chiều trong mỗi nửa chu kì và giữ hồ quang được ổn định.
Lò hồ quang plasma, ngoài plasmatron còn có khối nguồn cấp, hệ thống mồi hồ quang, hệ thống làm lạnh, hệ thống cấp khí, hệ thống điều khiển, kiểm tra, bảo vệ v.v…
Phương pháp mồi hồ quang trong plasmatron dùng phổ biến trong thực tế là phóng điện cao áp, phóng điện cao tần và phun plasma.
Khi xung cao áp truyền tới các điện cực của plasmatron sẽ xuyên qua khoảng không gian giữa các điện cực và tạo phóng điện hồ quang.
Nguồn cấp cho lò có thể là các bộ biến đổi chỉnh lưu không điều khiển hay có điều khiển.
Yêu cầu cơ bản đối với khối nguồn là có đặc tính ngoài dốc đứng hay thẳng đứng (nguồn dòng) (hình 27). Đặc tính dốc đứng hay thẳng đứng loại trừ khả năng dòng bị dao động khi điện áp hồ quang thay đổi, tức là ổn định tốt dòng hồ quang.
Hình 27: Đặc tính ngoài của nguồn dòng
Hằng số thời gian điện từ của mạch lực cần phải lớn để tránh sự nhảy vọt của dòng điện mà từ đó có thể tạo ra hồ quang kép plasmatron. Đặc tính ngoài dốc đứng tạo ra nhờ phản hồi: dương về điện áp và âm về dòng điện hồ quang.
Hình 28 . Biểu thị sơ đồ nguồn dòng bằng thyristor và đặt tính ngoài của nó cho ở hình 27 . Với các dòng hồ quang định mức khác nhau.
Trang bị điện
Hình 28: Sơ đồ nguồn dòng lò hồ quang plasma
Biến áp điều chỉnh điện phía thứ cấp được cấp điện từ lưới qua cầu dao cách li CDCL và máy cắt MC. Nguồn cấp gồm bộ chỉnh lưu phụ không điều khiển CL. Bộ nguồn có cuộn kháng san bằng K, điot nối song song VD, hệ điều khiển xung pha XP, khâu phản hồi dòng và áp hồ quang là FH, khối dao động mồi M cấp từ nguồn chỉnh lưu phụ CL. Cuộn thứ cấp biến áp BA có thể chuyển đổi nối sao hay tam giác để thay đổi điện áp.
Dòng hồ quang 200 ÷ 300A bị hạn chế bởi điện trở R có làm mát bằng nước và để đảm bảo tạo hồ quang plasma ban đầu. Tăng tiếp dòng hồ quang bằng cách thay đổi đều góc mở các thyristo. Sự tăng đều dòng hồ quang sẽ tránh được hiện tượng tạo ra hồ quang kép. Khâu FH để tạo dạng dốc đứng của đặt tính ngoài. Các tín hiệu vào khâu FH tỉ lệ với dòng điện và điện áp HQ.
Sau khi mồi xong hồ quang và dòng hồ quang tăng đều đến giá trị đặt thì khâu FH thực hiện ổn định hồ quang.
Trang bị điện
Bảo vệ trong các sơ đồ plasma có: bảo vệ ngắn mạch và quá tải cung như bảo vệ khỏi các chế độ làm việc sai lệch khác như áp suất nước làm mát bị giảm, áp suất khí bị giảm, hồ quang kép tạo ra…
Các lò hồ quang plasma công suất lớn thường dùng nguồn dòng thông số như hình 29. Sơ đồ gồm mạch vòng cộng hưởng 3 pha đảm bảo dòng điện trong cuộn sơ cấp W1 của biến áp BA không phụ thuộc vào tải. Từ đó dòng thứ cấp sẽ ổn định và hồ quang sẽ ổn định. Để tăng hệ số tải về công suất, sơ đồ có hai cuộn thứ cấp 3 pha 1W2, 2W2 cấp cho hai cầu chỉnh lưu. Hai cầu chỉnh lưu này có thể đổi nối song song hay nối tiếp nhờ các cầu dao cách li 1, 2 và 3. Lúc đầu quá trình, nhiệt độ lò thấp, hai cầu chỉnh lưu được mắc nối tiếp để tăng điện áp (cầu dao 1 đóng, 2 và 3 mở). Sau đó, nhiệt độ tăng cao thì 2 cầu chỉnh lưu được mắc song song để giảm điện áp (cầu dao 1 mở, 2 và 3 đóng).
Dung lượng lò hồ quang plasma hiện tại tới vài chục tấn.
Hình 29: Sơ đồ nguồn dòng thông số