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 Q_z = [G_v^c(t_v-t₀)]/(0,24•60), где с - удельная теплоемкость воды.

2 v_sg=G_sg/F­­c­ - сечение сопла, м².

3 Q_{og =} Q_ob-Q_z, где Q_ob- тепловая энергия дугового разряда.

4 Q = Q_og/G_sg

5 v_og = v_sgT_og/T_sg , где T_sg - 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.