Лекция №10. Плазматроны с независимой дугой
План:
1. Принцип работы плазмотрона
2. Тепловая мощность и температура плазмотрона
3. Основные параметры плазмотрона
В плазменной металлургии используются преимущественно плазматроны с дуговым разрядом, стабилизированным газами. Для достижения требуемых температур и концентраций тепловой энергии выбирают различные схемы электрических соединений с применением постоянного и переменного тока. Выбор схемы зависит от требуемого способа ведения металлургических процессов и необходимого эффекта.
Характеристики плазматронов, работающих c независимой электрической дугой
В тех случаях, когда нельзя замкнуть электрическую цепь между нагреваемым материалом и электродом плазматрона или когда технически более выгодно использовать независимый источник плазмы, используют плазматроны с независимой электрической дугой. Схема электрической цепи такого плазматрона показана на рис.
Во входной части сопла, занимающей область от катода до активного анодного пятна, где находится столб дуги, с увеличением количества теплоносителя, т. е. диссоциированного и ионизированного газа, скапливается энергия. Вследствие высокой скорости истечения газа и большого собственного электромагнитного поля столб дуги в этой части сужен и занимает сравнительно малую часть сечения канала.
1-газ; 2- вода
Рисунок 22. Электрическая схема плазмотрона при работе с независимой дугой
За активным пятном энтальпия плазмы в канале сопла уменьшается. В этой части протекают интенсивные процессы нейтрализации ионизированных частиц и рекомбинация атомов на молекулы с высвобождением энергии. Длина области, в которой происходят процессы с высвобождением тепла, зависит от скорости истечения газа и скорости процесса. Рекомбинация электронов и ионов с образованием нейтральных атомов и рекомбинация атомов с образованием молекул протекают быстро, так как энергия активации на разложение каких-либо связей не расходуется. Однако практически энергию, выделяющуюся вследствие соударений рекомбинирующихся частиц, нужно отводить, в противном случае частица будет находиться в возбужденном состоянии и вновь распадется. Интенсивность отвода тепла через стенку очень мала, так как стенка сопла отделена от плазмы газом, обладающим сравнительно низкой теплопроводностью. Об этом свидетельствует и высокий к. п. д., который у плазматрона этого типа при использовании водорода достигает 80%. В связи с этим можно констатировать, что длина участка, на котором газ обладает высокой энтальпией, должна быть достаточно большой и равной длине светящейся части плазменного пламени. В той части сопла, которая находится за активным пятном, температура газа по сечению движущегося потока выравнивается, так как здесь магнитные силы уже не действуют. Вследствие этого прежде суженный поток плазмы расширяется и заполняет большую часть сечения сопла.
Описанный принцип действия плазматрона с точечной термической нагрузкой на сопло в виде анодного пятна при больших диаметрах канала и большой мощности с точки зрения термических нагрузок является невыгодным. Распределение температур по сечению канала при большом диаметре сопла тоже не удовлетворяет требованиям в случае многих металлургических процессов, например в сжиженных системах. Эти недостатки удалось устранить путем применения вращающихся под действием магнитного поля дуг. Схема плазматрона с аксиальным магнитным полем показана на рис.
Дуга, через которую проходит ток силой I, А, в магнитном поле напряженностью В, Вт/м2, подвергается, как и любой другой проводник, по длине воздействию силы, величина и направление которой обозначены произведением IXB, Н. При вращении дуга очень скоро достигает такой скорости, при которой наступает равновесие аэродинамического сопротивления и действующих электромагнитных сил.
При приложении магнитного поля дуга начинает вращаться с высокой скоростью вокруг катода, т. е. поперек потока газа. Движение дуги через все проходное сечение способствует равномерному нагреву. Кроме того, турбулентное движение в вихревом следе дуги и вращение выходящего столба газа в большой мере способствуют ускорению процессов смешения и передаче тепла дугой.
1 - магнитная катушка; 2 - медный анод; 3 - подача нагреваемого газа; 4- защитный кожух катода; 5 - подача инертного газа; 6 - вольфрамовый катод;
7 - электроизоляция
Рисунок 23. Плазматрон с вращающейся под действием магнитного поля дугой
1 — магнитное поле; 2 — катод; 3 — дуга; 4 — анод
Рисунок 24. Электрическая дуга в осевом магнитном поле плазматрона
Равномерное распределение энтальпии в выходящем газе достигается путем корректировки частоты f или расхода газа таким образом, чтобы выполнялось условие v<fd, где v—скорость холодного газа в осевом направлении, м/с, a d—диаметр дуги, м.
Ограничение расхода газа при этом условии не оказывает отрицательного влияния, так как можно достичь высоких скоростей вращения дуги. Так, например, при f=5 Гц и d=2 мм скорость потока холодного газа может достигать 10 м/с. Более того, дуга всюду, кроме области непосредственно вблизи анода, имеет такую форму, которая сама по себе обеспечивает равномерное выделение тепла в осевом направлении.
К. п. д. плазматронов, работающих с независимой дугой, в большой мере зависит от их конструкции и геометрии рабочих частей.
Рисунок 25. Осевое и радиальное распределение температур в пламени плазмы при работе плазматрона с независимой электрической дугой (числа у кривых - температура, Х10* К)
Принцип введения порошковых материалов в низкотемпературную плазму был использован в Горно-металлургическом институте г. Остравы для исследования высокотемпературных процессов, относящихся к области плазменной металлургии.
Распределение температур в плазме показано на рис.25. Катодом служит вольфрамовый электрод с ториевым покрытием, а анодом — медное водоохлаждаемое сопло. В качестве плазмообразующего газа был использован аргон. Быстрое снижение температуры по мере увеличения расстояния от плазматрона свидетельствует о существовании плазмы в форме пламени ограниченной длины.
Измерение тепловой мощности плазмы на различных расстояниях от устья сопла показало, что при общем повышении тепловой мощности по ее длине появляются волнистые «пики», соответствующие границе рекомбинации частиц при снижении температуры. Двукратные ноны переходят в однократные, а однократные рекомбинируют, образуя нейтральные атомы. Кривые эффективной мощности при различных расстояниях от устья сопла приведены на рисунок 26.
Влияние изменения длины канала сопла и силы тока на температуру аргонной плазмы, вытекающей из сопла, показано на рис.__
1 - расход аргона 49 дма/мин; 2 - расход аргона 30 дм3/мин
Рисунок 26. Распределение эффективной тепловой мощности по длине пламени аргонной плазмы при силе тока 1:65 А
1- сила тока 100 А; 2-то же, 200 А; 3 - то же, 300 А; 4 - то же, 400 А; 5 - расчетные значения (200 А)
Рисунок 27. Изменение температуры плазмы, вытекающей из сопла, в зависимости от длины дуги внутри сопла при работе с независимой электрической дугой; применены вольфрамовый катод и медное сопло с положительной полярностью; расход аргона 2,35 м3/ч, диаметр сопла 6 мм
Пример энергетического баланса плазматрона малой мощности при работе с независимой дугой приведен в таблице 9.
Следует также проанализировать характер вытекания плазмы из сопла плазматрона, работающего с независимой дугой.
По мере уменьшения расхода плазмообразующего газа изменяется и характер его течения, которое из турбулентного превращается в ламинарное. У плазматрона с соплом диаметром 4 мм, показанного на рисунке 27, наиболее длинное ламинарное пламя достигается при расходе плазмообразующего газа 2,5 дм3/мин. Для обеспечения ламинарного истечения плазмы не нужно выдвигать высокие требования к качеству обработки поверхности сопла и катода.
Таблица 9 - Параметры плазматрона с независимой дугой (диаметр сопла 5,5 мм, длина канала 28 мм)
Параметр | Аргон | Азот |
Напряжение дуги, В | ||
Сила тока дугового разряда, А | ||
Мощность проводимая к плазмотрону кВт | 9,6 | 25,2 |
Температура воды на входе в плазматрон t0°C | 9,5 | 5,5 |
Температура воды на выходе в плазматрон t0°C | 14,6 | 18,8 |
Расход воды в системе охлаждения плазматрона Gn, дм3/мин. | 14,3 | 10,8 |
Потери мощности на электродах плазматрона Qz*1, кВт | 5,0 | 10,0 |
Расход плазмообразующего газа Gsg, дм3/мин | 43,0 | |
Скорость холодного газа V*2sg, м/с | 30,2 | 30,2 |
Энергия плазмы Qog*3, кВт | 4,6 | 15,2 |
Энтальпия газа на выходе из сопла Q*4, кВт | 1,78 | 5,89 |
Температура плазмы, вытекающей из сопла Т0g, К | ||
Скорость потока плазмы vog*5 м/с |
1 Qz = [Gvc(tv-t0)]/(0,24•60), где с - удельная теплоемкость воды.
2 vsg=Gsg/Fc - сечение сопла, м2.
3 Qog = Qob-Qz, где Qob- тепловая энергия дугового разряда.
4 Q = Qog/Gsg
5 vog = vsgTog/Tsg , где Tsg - температура холодного газа.
Этот плазматрон, разработанный автором, можно настроить на ламинарное течение во время работы с помощью нескольких регулируемых элементов. В указанной конструкции применен катод, диаметр которого превышает диаметр канала сопла. Было установлено, что максимальная длина ламинарного пламени достигается только в определенном диапазоне расстояний от рабочего конца катода до канала сопла.
Ламинарное истечение плазмы характеризуется очень ярким языком, за которым следует пламя длиной несколько десятков сантиметров меньшей яркости. Температурный градиент вдоль оси Ламинарного пламени Составляет 200—300 К/см, а скорость - примерно 50 м/с. Такое пламя отличается высокой стабильностью. При использовании аргона температура ламинарного пламени на выходе из сопла достигает примерно 13 000К. Ламинарный поток плазмы является перспективным источником тепла для выращивания монокристаллов, а также для создания высокотемпературной лабораторной печи.
Недостатком плазматронов, работающих на постоянном токе с независимой электрической дугой, ограничивающим их промышленное применение, является низкий к. п. д. Путем повышения расхода плазмообразующего газа к. п. д. можно повысить до 70%. Однако при этом средняя температура пламени снизится до 5000 К.
Температура плазмы в значительной степени зависит от подводимой к плазматрону мощности. Средняя температура плазмы по мере повышения подводимой мощности возрастает. Отклонение от линейного повышения температуры плазмы при повышении подводимой мощности можно объяснить увеличением потерь, обусловленных повышением теплопроводности и излучения плазмы.
Для выбора соответствующего источника тока и расчета плазматрона необходимо знать его вольтамперную характеристику. Форма вольтамперной характеристики зависит от геометрии рабочих частей плазматрона, вида и расхода плазмообразующего газа, длины дуги и других параметров. С увеличением силы тока в большинстве случаев наблюдается тенденция к спаду характеристик плазматронов с независимой дугой.
Контрольные вопросы
1. Плазмотроны с магнитным полем.
2. Распределение теплового поля в плазмотроне.
3. Распределение температуры в плазмотроне.
Литература
1. Дембовский В. Плазменная металлургия.- М.: Металлургия. 1981. -280с.
2. Краснов А.Н. и др. Низкотемпературная плазма в металлургии М.: 1970-187с.