Лекция №11. Плазматроны с зависимой электрической дугой

План лекции:

1. Ознакомление с характеристиками плазматронов.

2. Ознакомление со свойствами и параметрами столба плазменной дуги.

3. Газы с большой энтальпией.

В настоящее время при переплаве металлов наиболее широко применяемой электрической схемой мощных плазматронов является схема с образованием зависимой электрической дуги, пока­занная на рисунке 28.

1 - газ	1 - свободная дуга, U=14,5 В, I - = 200 А; II - дросселированная ду­га, U=29 В, I=200 А
Рисунок 28. Электрическая схема плазматрона при работе с зависимой дугой	Рисунок 29. Изменение температур в свободной и дросселированной ду­ге. Применены вольфрамовый ка­тод и медный водоохлаждаемый анод; расход аргона 0,56 г/с. диа­метр сопла 4,75 мм (числа у кри­вых - температура, *103 К).

При такой электрической схеме с учетом термических нагрузок и эрозии основных частей плазматрона можно достичь гораздо большей мощности. При выборе соответствующего диа­метра сопла и правильной организации потоков газа в пространстве между катодом и анодом (нагреваемым материалом) все сечение будет симметрично заполнено столбом плазмы. Высокая концентрация тепловой энер­гии достигается при этом дросселированием диаметра электрической дуги с помощью сопла, которое одновре­менно оказывает на дугу стабилизирующее воздействие. При этом способе работы к. п. д. плазматронов зависит прежде всего от геометрии рабочих частей и характера течения плазмы в сопле. В электрической схеме, пред­ставленной на рис. 1, около 75% тепла передается пе­реплавляемому материалу электрической дугой и 25% потоком плазмы.

Влияние сужения дуги с помощью сопла на распреде­ление температур в столбе плазмы и по сравнению с не­зависимой дугой показано на рис. 29. Даже при сравнительно малом дросселировании дуги (диаметр сопла 4,75 мм) ее температура повышается на 30%, а напряжение возрастает в два раза. Дросселирование столба повышает плотность тока, концентрацию энергии и напряжение дуги.

При использовании зависимой дуги столб плазмы не­однороден. Максимальные температура и степень иониза­ции достигаются в узком секторе по оси столба. Этот сектор обладает высокой электрической проводимостью и образует канал рабочего тока дугового разряда. Вбли­зи поверхности столба плазмы степень ионизации, тем­пература и электрическая проводимость газа по мере приближения к условиям окружающей среды резко сни­жаются. Температура столба плазмы в случае, показан­ном на рис. 29, составляет около 16500 К, т. е. она гораз­до выше температуры независимой дуги (~5500 К). Кроме того, скорость истечения плазмы из области ми­нимального сечения и максимального дросселирования может достигать скорости звука (около 300 м/с). Поэ­тому горячий сектор в независимой дуге является очень узким и коротким, тогда как у дросселированной дуги эта область распространяется по всему столбу.

Вольтамперная характеристика плазматронов, рабо­тающих с зависимой дугой, имеет восходящую тенденцию, как это видно из приведенных на рис. 30 данных. Это можно объяснить тем, что в случае сильноточных дуг, горящих в атмосфере инертного газа, и металлических электродов общее напряжение при давлении ~10⁵ Па вследствие охлаждения дуги плазмообразующим газом повышается.

Рисунок 30. Вольтамперные характеристики плазматрона с зависимой дугой и различной длиной столба плазмы; расход потока аргона 0,29 г/с, диаметр сопла 16 мм, напряжение холостого хода U0=120 В (числа у кривых - длина столба плазмы, мм)

На рисунке 30 приведены вольтамперные характеристики столба плазмы различной длины, причем столбу плазмы большей длины соответствует большее падение напряже­ния при одной и той же силе тока. При увеличении дли­ны столба плазмы возрастает не только падение напря­жения, но и общая мощность плазматрона. Это означает, что общую мощность столба плазмы можно повышать путем увеличения не только силы тока, но также напря­жения и длины столба.

Полное сопротивление столба плазмы уменьшается и стремится к минимальному значению по мере повышения силы тока, причем, чем больше длина столба, тем больше его сопротивление.

Распределение напряжения по оси дуги неравномер­ное. При этом на разных ее участках различным оказы­вается не только напряжение, но и характер его зависи­мости от параметров дуги (силы тока, расхода и состава газа и др.).

Правильный выбор геометрии сопла и оптимальных режимов горения дуги зависит от распределения напря­жения в отдельных частях дуги.

Для плазматронов, работающих с зависимой дугой, большое значение имеет падение напряжения во внут­ренней области сопла. В этой области происходят стаби­лизация, формирование и установление диаметра столба плазмы, проходящей через канал сопла. Вследствие это­го тепловой поток от плазмы к соплу передается очень интенсивно. Чтобы предупредить повреждение сопла, для изготовления сопел необходимо использовать материалы, обладающие высокой теплопроводностью. Отвод тепла при этом обеспечивается путем интенсивного охлажде­ния. Материалы с высокой теплопроводностью обладают и высокой электрической проводимостью, поэтому сопло служит проводником электричества, изолированным от дуги очень тонким слоем холодного газа. Такая изоляция весьма ненадежна, в связи с чем при определенных усло­виях у поверхности сопла может произойти прорыв газа и вместо одной дуги образуются две. Одно из условий возникновения двойной дуги можно описать выражением:

U_t < + , (114)

где - анодное падение потенциала дуги для матери­ала сопла (обычно меди); - катодное падение потен­циала дуги для материала сопла.

При повышении напряжения дуги и постоянной силе тока градиент потенциалов в столбе плазменной дуги уменьшается. Это благоприятно влияет на процессы пе­реплава, осуществляемые в печи с керамическим тиглем и гарниссажем, так как чем меньше градиент потенциа­лов, тем менее заметны колебания напряжения при из­менении длины дуги. При повышении мощности столба плазменной дуги в результате изменения напряжения стабильность дуги возрастает. Увеличение силы тока при неизменной длине столба плазмы приводит к росту гра­диента потенциалов, что понижает стабильность дуги при изменении ее длины.

Свойства и параметры столба плазменной дуги в большой степени зависят от свойств плазмообразующего газа. В качестве рабочего газа для плазматронов обыч­но используют аргон, гелий, азот и водород или смеси этих газов, механизм плазмообразования которых раз­личен.

Различие заключается в том, что ионизация атомов двухатомных газов происходит после диссоциации их мо­лекул. Водород диссоциирует на 30% при температуре 4700 К, а азот при 9000 К, что объясняется различной энергией диссоциации этих газов. Одноатомные газы от­личаются от двухатомных энтальпией и температурой, необходимой для образования плазмы. Например, энта­льпия азота при температуре 8000 К в пять раз больше, чем энтальпия аргона. Зависимость изменения энтальпии отдельных газов от температуры четко видна из данных рис. 31.

Большие различия в энтальпии можно объяснить тем, что энергия, которая передается в столбе плазмы одноатомным газам, определяется энтальпией и энергией ионизации, тогда как в случае двухатомных газов большое количество энергии, кроме того, расходуется еще на диссоциацию молекул на атомы.

При использовании одноатомного газа в холодной области вследствие рекомбинации ионов высвобождается энергия, израсходованная на предшествующую ионизацию. При использовании плазмы из двухатомного газа в холодной области наряду с энергией ионизации высвобождается также и энергия диссоциации. Различная энтальпия плазмообразующих газов влияет на вольтамперные характеристики. Газ с большей энтальпией нуждается соответственно в большей электрической мощности. Преимущества двухатомных газов по сравнению с одноатомными с экономической и энергетической точек зрения становятся очевидными при сравнении параметров работы плазматрона (табл. 10).

Поскольку теплопередача вследствие больших потерь тепла излучением при повышении температуры ухудша­ется, для повышения коэффициента теплопередачи целе­сообразно использовать газы, обладающие большой эн­тальпией при низких температурах. Длина языка плазмы в плазматроне с независимой дугой при использовании двухатомных газов вследствие их медленного охлажде­ния и очень высокой энтальпии при тех же потерях излучением является такой же, как у одноатомных газов. Из данных табл. 10 вытекает, что теплопроводность водо­родной и гелиевой плазмы сравнительно высокая и в пер­вом приближении лишь в два раза меньше теплопровод­ности меди [хси = 3484 - 394 Вт/(м - К)]. Плазмообразу­ющие газы, обладающие высокой теплопроводностью и энтальпией (водород, азот), обеспечивают повышенную передачу тепла; поэтому применение их, как правило, приводит к быстрому нагреву и разрушению электродов.

Таблица 10 - Характеристики плазмообразующих газов при работе плазматрона с независимой дугой

Характеристика	Аргон	Азот	Водород	Гелий
Атомная или молекулярная масса	39,94	28,0016	2,016	4,0024
Динамическая вязкость при 0°С и атмосферном давле­нии, Н/(с·см2)				196,2
Энтальпия при 20°С и ат­мосферном давлении, кДж/ /(кг - К)	0,52	1,04	14,2	5,26
Коэффициент теплопровод­ности при 0°С и атмосфер­ном давлении, Вт/(м К)	16,3	24,3
Потенциал ионизации, В:
однократный	15,7	14,5	13,5	24,5
двукратный	27,5	29,4	-	54,1
Энергия диссоциации, Дж/ /моль	-			-
Энтальпия плазмы, кДж/кг	19,5	41,7
Температура плазмы, К				20 000
Напряжение дуги, В
Энергия, подводимая к дуге, кВт
Коэффициент использования энергии на нагрев газов, %

Чтобы уменьшить эрозионное воздействие молекуляр­ных газов на электроды, а также обеспечить высокую энтальпию, их смешивают с инертными газами. В каче­стве примера такие газовые смеси приведены в табл. 11. Температура потока плазмы и при низкой энталь­пии превышает температуру плавления переплавляемых материалов, поэтому ее энтальпия имеет гораздо боль­шее значение. Теоретические значения энтальпии можно рассчитать по подводимой мощности и расходу рабочего газа. Фактические значения энтальпии, определенные калориметрическим методом, составляют 50 - 80% от те­оретических значений, рассчитанных для малого и боль­шого расхода газа.

Таблица 11 - Применяемые смеси плазмообразующих газов

Смесь	Содержание аргона, %	Общий расход, г/с	Сила ра­бочего тока, А	Рабочее напряже­ние, В	Мощность, кВт
Аргон с азотом		1,04			4,4
Аргон с водородом		1,04			7,14

Контрольные вопросы

1. Перечислите все характеристики плазматронов.

2. Опишите свойства и параметры столба плазменной дуги.

3. Для чего используют газы с большой энтальпией.

Литература

1. Крапивина С.А. Основы плазмохимии. Л.: ЛТИ, 1976, - 65с.

2. Моссэ А.Л., Печковский В.В. Применение низкотемпературной плазмы в технологии неорганических веществ. Минск: Наука и техника, 1973.- 213с.

3. Дембовский В. Плазменная металлургия.- М.: Металлургия. 1981. -280с.

4. Краснов А.Н. и др. Низкотемпературная плазма в металлургии М.: 1970-187с.