Плазмотроны: Плазмотрон: принцип работы и конструкция

Плазмотрон. Технология плазменной плавки, плавления, напыления. Плазменное получение порошков.

Газоразрядная плазма создается в специальных устройствах- плазмотронах. Представим основные разновидности этих устройств. Существует две разновидности плазмотронов: 1 – Дуговые плазмотроны постоянного тока. 2 – Высокочастотные плазмотроны.

Рис. 1.17. Дуговой плазмотрон прямого действия: 1 – электрод, 2 – обрабатываемая деталь, 3 – водоохлаждаемый              корпус, 4 – источник постоянного напряжения, 5 – дуговой разряд, 6 – плазменная струя             

Рис. 1.18 Дуговой плазмотрон  косвенного действия: 1 – электрод, 2 – обрабатываемая деталь, 3 – водоохлаждаемый корпус, 4 – источник постоянного напряжения, 5 – дуговой разряд, 6 – плазменная струя

 

Дуговой плазмотрон постоянного тока состоит из следующих узлов: внутреннего электрода, разрядной камеры и устройства подачи плазмообразующего вещества. Различают два типа дуговых плазмотронов – для формирования плазменной дуги и для создания плазменной струи. В устройствах первой группы (плазмотроны прямого действия) дуговой разряд горит между внутренним электродом (1) и обрабатываемым материалом, служащим анодом (2) (см. рис. 1.17).

В устройствах второй группы (плазмотроны косвенного действия, см. рис.1.18) плазма, создаваемая в разряде между электродом (1) и корпусом (3), истекает из разрядной камеры в виде струи. Стабилизация разряда в дуговых плазмотронах в большинстве случаев осуществляется с помощью магнитного поля.

Плазмотроны косвенного действия (плазмоструйные) используются при термической обработке как металлов, так и диэлектриков, а также для нанесения покрытий. Плазмотроны прямого действия (плазмодуговые) служат для сварки, резки, плавки электропроводных материалов. Мощности дуговых плазмотронов 10²-10 ⁷Вт. Температура струи на срезе сопла 3000-12000 К.

Комбинированные плазмотроны представляют собой симбиоз плазмодуговых и плазмоструйных плазмотронов. В них дуга зажигается одновременно между электродом (1), корпусом (3) и заготовкой (2).

Высокочастотный плазмотрон (см. рис. 1.19) включает: электромагнитную катушку, индуктор (1) или электроды, подключенные к источнику ВЧ-энергии, корпус плазмотрона (2), разрядную камеру (4),

узел ввода плазмообразующего вещества. Мощность ВЧ-плазмотронов достигает 106 Вт, температура в центре разрядной камеры достигает 10000 К. Частота электромагнитного поля 10-50 МГц.

Рис. 1.19. Схема индукционного высокочастотного плазмотрона: 1 – индуктор, 2 – водоохлаждаемый корпус, 3 – плазменная струя, 4 – разрядная камера, 5 – обрабатываемая деталь

 

Плазменные технологии

Газоразрядная плазма широко используется в современной технике для реализации следующих электротехнологий:

–              синтез веществ,

–              получение ультрадисперсных порошков,

–              плавка, резка, сварка металлических изделий,

–              травление и очистка поверхности,

–              нанесение покрытий на изделия,

–              плазмохимическое легирование поверхности.

Рассмотрим некоторые из этих технологий более подробно.

Плазменная наплавка. Это процесс нанесения на поверхность заготовки упрочняющих слоев большой толщины. В результате деталь из дешевых материалов приобретает уникальные механические свойства. Для упрочнения металлических деталей используется плазмотроны косвенного действия (см. рис. 1.19), на рисунке по стрелке подается, наряду с газом, наплавляемый металл (как правило, порошок твердого сплава), Обычно толщина наплавленного за один проход слоя металла составляет 1-10 мм.

Примером плазменной наплавки является нанесение инструментальной стали на обычную углеродистую сталь. В результате деталь из дешевого металла приобретает высокие свойства, характерные для дорогих изделий. Кроме того, осуществляют эффективное восстановления коленчатых валов двигателем внутреннего сгорания, а также ремонт дорогостоящих штампов.

Плавление и кристаллизация. Плазменное плавление и кристаллизация материалов, как металлов, так и диэлектриков и полупроводников получило широкое распространение ввиду высокой технологичности процесса. Схема соответствующих устройств приведена на рис. 1.20. Сверху в камеру (2) вмонтирован плазмотрон (1), в плазменную струю (3) которого помещается заготовка, подлежащая расплавлению. Расплавленный материал попадает в кристаллизатор (4), где кристаллизуется, и слиток вынимается из камеры. Для предотвращения окисления плавку ведут в инертной атмосфере. В результате цикла «плавление-кристаллизация», происходит очистка материала от примесей. Данный способ позволяет плавить как металлы, так и оксиды, карбиды, нитриды, при этом температура плавления может достигать 4000 0С.

Рис. 1.20. Схема напыления в плазмотроне: 1 – плазмотрон, 2 – подложки, 3 – тигель с напыляемым материалом, 4 – потоки атомов

Рис. 1.21. Схема технологического процесса плазменного плавления и кристаллизации металлов: 1 – плазмотрон, 2 – корпус установки, 3 – плазменная струя, 4 – кристаллизатор, 5 – заготовка расплавляемого материала

Плазменное напыление. Плазменное напыление является процессом нанесения покрытий с помощью высокотемпературной плазменной струи, которая обеспечивает испарение материала и перенос его атомов на подложку. Напыляемым материалом могут быть металлы, керамика, различные полупроводниковые и диэлектрические соединения. Напыление применяется для нанесения на изделие тонкого слоя другого материала с целью улучшения прочностных, коррозионных, жаропрочных, декоративных и других эксплуатационных свойств материалов и изделий. На рис. 1.21 представлена схема процесса напыления атомов на подложку с использованием плазмотрона. Распыляемый материал (3)

под действием плазменной струи переходит в атомарное состояние, атомы вещества осаждаются на подложке (2), образуя прочную пленку, толщина которой определяется временем экспозиции.

Кроме плазмотронов, для напыления применяются плазменные ускорители. Это устройства для получения потоков плазмы со скоростями (10-1000) км/c, что соответствует кинетической энергии ионов от 10 эВ до 10⁶ эВ. Наибольшее распространение получили плазменные ускорители, в которых для создания и ускорения используется энергия электрического разряда. В отличии от ускорителей заряженных частиц в канале плазменного ускорителя находятся одновременно положительные ионы и электроны, то есть не нарушается квазинейтральность плазмы. Основной механизм ускорения плазмы состоит в следующем. Плазма рассматривается как сплошная среда. Ускорение обусловлено перепадом электронного и ионного давления и действием силы Ампера (пондероматорные силы), возникающей при взаимодействии токов, текущих в плазме с магнитным полем. Для плазменного напыления используются как плазмотроны, так и плазменные ускорители. Последние имеют несомненное преимущество, поскольку ускоренные ионы проникают в материал подложки на большую глубину, тем самым обеспечивая хорошее сцепление напыленной пленки с подложкой.

Получение порошков средней дисперсности

Рис. 1.22. Схема процесса плазменного получения порошков: 1 – плазмотрон, 2 – камера, 3 – вращающийся кристаллизатор, 4 – частицы порошка, 5 – заготовка

Частицы порошков средней дисперсности имеют размеры в пределах (10-1000) мкм. Именно такие порошки наиболее интенсивно применяются в порошковой металлургии для изготовления изделий из металла, ферритов, керамики. Рис. 1.22 иллюстрирует процесс плазменного получения порошков средней дисперсности. Заготовка (5), расплавляясь в струе плазмотрона (1). Капли заготовки достигают вращающегося кристаллизатора, разбрызгиваются и застывают в виде монокристальных частиц размером (10-1000) мкм. Регулируя скорость вращения кристаллизатора, можно получать частицы порошка разной дисперсности. 

Получение ультрадисперсных порошков. Ультрадисперсные порошки имеют размеры частиц меньше 1 мкм, то есть относятся к категории наноразмерных порошков. Дисперсность УДП составляет (10-1000) нм. Одним из самых распространенных химических методов получения высокодисперсных порошков нитридов, карбидов, боридов, оксидов является плазмохимический синтез. Основными условиями получения высокодисперсных порошков этим методом являются: протекание реакции вдали от равновесия и высокая скорость образования зародышей новой фазы при малой скорости их роста. В реальных условиях плазмохимического синтеза получение наночастиц целесообразно осуществлять за счет увеличения скорости охлаждения потока плазмы, в котором происходит конденсация из газовой фазы; благодаря этому уменьшается размер образующихся частиц, а также подавляется рост частиц путем их слияния при столкновениях. При плазмохимическом синтезе используется низкотемпературная (4000-8000) К азотная, аммиачная, углеводородная, аргоновая плазма дугового, тлеющего, высоко- или сверхвысокочастотного разрядов. Главный недостаток плазмохимического синтеза – широкое распределение частиц по размерам, и вследствие этого наличие довольно крупных (до 3 мкм) частиц.

На рис. 1.23 представлена схема получения нанопорошков оксида циркония в плазме ВЧ-разряда. Через дозирующее устройство (1) распыляется водный раствор нитрата циркония, под действием высокой температуры (4000 К) протекает реакция Zr(NO3)4 -> ZrO2+4NO2+O2. Твердый продукт реакции в виде ZrO2 собирается на дне реактора. Нанопорошки используются при приготовлении нанокерамики и других материалов, необходимых для создания материальной базы новой технической отрасли – наноэлектроники.

Рис. 1.23. Схема получения нанопорошков оксида циркония в плазме ВЧ-разряда

Использование газоразрядной плазмы в микроэлектронных технологиях.

Микроэлектроника – это отрасль электронной техники, цель которой состоит в создании устройств в микроминиатюрном исполнении.

Планарная технология является наиболее перспективным методом получения подобных устройств. Основные операции планарной технологии: нанесение тонких диэлектрических и металлических пленок на поверхность полупроводниковой пластины; создание методами литографии и травления необходимой топологии будущей микросхемы; образование электронно-дырочных переходов при легировании кристалла донорами и акцепторами. В результате этих операций отдельным участкам полупроводниковой пластины придаются свойства различных элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т.д., что в итоге и формирует интегральную микросхему.

Высокочастотная плазма широко используется в планарной технологии для проведения операций получения и травления диэлектрических и, особенно, резистивных пленок.

Топология будущей микросхемы формируется методами литографии, обеспечивающими перенос рисунка шаблона на поверхность полупроводниковой пластины. Главным элементом литографического процесса является резист, представляющий собой полимерную пленку, растворимость которой в проявителе зависит от вида и длительности облучения. В зависимости от вида радиации различают фото-, электрон- или рентгенорезисты. В литографии наибольшее распространение получили фоторезисты. В зависимости от природы полимера, в нем под действием облучения развиваются либо деструкция (разрыв химических связей), либо сшивание макромолекул (образуется объемная полимерная сетка). Это приводит к тому, что деструктирующие при облучении резисты увеличивают растворимость в проявителе, а сшивающиеся резисты, наоборот, становятся нерастворимыми. Указанные свойства полимерных резистов изменять свою растворимость после экспонирования и используются в литографии для формирования рисунка микросхемы.

Литографический процесс включает следующие этапы:

–              нанесение пленки на полупроводниковую пластину,

–              облучение пластины через шаблон (экспонирование),

–              после облучения пластину помещают в раствор – проявитель.

В зависимости от типа используемого полимера при проявлении удаляются экспонированные или неэкспонированные области пленки. В соответствии с этим резисты делятся на позитивные и негативные. К позитивным (деструктирующим) резистам относятся полиметилметакрилат (ПММА), полибутен-1, сульфин (ПБС). Представителем сшивающихся при облучении полимеров-резистов является полиглицилметакрилатэтилакрилат.

–              термическое задубливание резиста для увеличения его адгезионных свойств.

–              удаление резиста хим. или плазмохимическим способами. 

Наиболее эффективно травление диэлектрических пленок и удаление резиста с полупроводниковых пластин осуществляется в плазме высокочастотного разряда. Рассмотрим устройство установки «Плазма- 600», широко используемой в микроэлектронике.

Рис. 1.24. Установка «Плазма – 600»: 1 – вакуумная камера для плазменной обработки материалов, 2 – образец, 3 – нижний электрод, 4 – верхний электрод, 5 – генератор высокочастотного поля, 6 – форвакуумный насос  

Установка “Плазма-600” предназначена для получения и травления диэлектрических пленок, а также для обработки поверхности материалов в плазме высокочастотного газового разряда.

Основные параметры установки: частота ВЧ-генератора – 13.56 МГц, рабочее давление в газоразрядной камере – (10³ -10⁵ ) Па, в качестве рабочего газа может использоваться воздух, кислород, аргон, пары летучих жидкостей.

Основные особенности высокочастотного разряда. Под действием ВЧ – поля электроны приобретают энергии порядка (10-100) эВ и оказываются способными эффективно ионизовать атомы и молекулы газа при соударениях. Распределение электронов по энергиям имеет сложный характер, отличный от распределения Максвелла. При давлениях газа близких к атмосферному между электродами возникает высокочастотная корона, которая при соответствующей мощности генератора переходит в высокочастотную дугу. При низких давления газа режим ВЧ-разряда близок к режиму тлеющего разряда. Высокочастотный разряд используется для образования плазмы в ионных источниках, в молекулярных лазерах для создания однородной активной среды, для осуществления плазмохимических процессов.

Плазмотроны – Резание металла

Плазмотроны

Категория:

Резание металла

Плазмотроны

Горелка для плазменной резки, или плазменный резак, в настоящее время чаще называется плазмотроном.

Плазмотрон для резки отличается от плазменной сварочной горелки размерами, большей электрической мощностью, большим

расходом газа, обязательным водяным охлаждением. Наиболее существенные части плазмотрона — электрод и сопло для выхода газа, образующего плазменную струю. До недавнего времени материалом электрода служил исключительно вольфрам. В отдельных конструкциях плазмотронов были попытки применять электроды угольные (графитные) и водоохлаж-даемые медные, но значительного применения они не получили. С 1966 г. началось применение для электродов металла циркония. Электрод введен в металлический корпус плазмотрона и электрически изолирован от него. С другой стороны к корпусу присоединено сопло с калиброванным выходным обжимающим каналом для плазменной струи.

Рис. 1. Плазмотрон для резки

Сопло, изготовленное из меди, интенсивно охлаждается проточной водой. Диаметр выходного канала сопла при средних режимах 3—5 мм. Сопло (после электрода) наиболее изнашивающаяся часть плазмотрона, оно постепенно обгорает под действием плазменной струи, брызг разрезаемого металла и пр. и довольно часто сразу выходит из строя при нарушениях нормальной работы плазмотрона. Поэтому сопло делают сменным; конструкция его должна допускать быструю и удобную смену. Сопло обычно также электрически изолируют от корпуса плазмотрона. Плазменную резку ведут, как правило, на постоянном токе нормальной полярности: минус на электроде, а плюс — на разрезаемом металле.

Рис. 2. Схема стабилизации дуги: а — концентрическая; б — вихревая; 1 — защитный газ; 2 рабочий газ

Рис. 3. Образование двойной дуги: 1 — электрод; 2 — сопло; 3 — дуга; 4 — разрезаемый металл

Такая схема повышает к. п. д. плазмотрона и скорость резки, поскольку к тепловому действию плазменной струи присоединяется тепловыделение анодной области, расположенной на разрезаемом металле. Уменьшается также износ сопла, так как оно электрически нейтрально и не служит электродом дуги.

Электрически изолированное сопло можно присоединить к полюсу источника тока, а разрезаемый материал не включать в электрическую цепь. В этом случае снижается к. п. д. плазмотрона и увеличивается износ сопла, но зато появляется возможность резать неэлектропроводные материалы — стекла, ситалы, керамику и т. п. Дуга стабилизируется, становится устойчивой и жесткой, плазменная струя формируется непрерывной подачей рабочего газа в плазмотрон в количестве нескольких кубических метров в час.

Важное нарушение работы плазмотрона, ведущее к быстрому разрушению сопла, состоит в образовании так называемой двойной дуги. Причинами двойного дугообразования могут быть недостаточная подача газа, загрязнения сопла и пр.

Реклама:

Читать далее:

Газы плазменной резки

Статьи по теме:

Плазмотрон для воздушно-плазменной резки

09. 07.2020

Сегодня вместо классических болгарок и газовых резаков крупные заводы и даже мастерские чаще применяют плазмотрон для производительной воздушно-плазменной резки. Он представляет собой высокотехнологичный аппарат, при помощи которого можно качественно и быстро выполнять раскрой металла разных марок толщиной до 100 мм и больше.

Особенности воздушно-плазменной резки

Воздушно-плазменная резка является техпроцессом, при котором плазмотрон создает поток высокотемпературной плазмы, расплавляющий металл и выдувающий его из зоны реза. Технология заключается в создании плазменной дуги направленного воздействия с помощью электрического разряда в газовой среде.

Схема процесса воздушно-плазменного раскроя

По сравнению с конкурентным способом резания (газокислородным) плазменная резка отличается рядом преимуществ:

• Повышенная производительность – достигается за счет более высокой скорости прожига обрабатываемого материала, скорости реза и быстрому отключению резака.
• Высокое качество резки – на кромках практически не образуется окалина, нет наплывов и грата.
• Минимальные затраты на производство – обеспечиваются за счет отсутствия (в большинстве случаев) операций по дополнительной подготовке кромок, большего количества вырезаемых заготовок за единицу времени.
• Простота использования – нет необходимости вручную настраивать подачу газа и постоянно следить за расстоянием между соплом и металлом (для этого есть специальные приспособления).
• Универсальность – эта технология применяется для раскроя металлов различных марок и толщины.
• Точные геометрические размеры вырезаемых заготовок – достигается благодаря малой ширине реза (до 2,5 мм), минимальной зоне термического влияния, что исключает деформацию деталей даже при работе с тонколистовым металлом.

Принцип работы воздушно-плазменного устройства

Принцип его работы основан на формировании потока ионизированного газа с квазинейтральными свойствами – плазмы. Перенос плазменной дуги на обрабатываемый материал происходит при соприкосновении наконечника (сопла) с металлом.

Сам процесс раскроя начинается при включении кнопки розжига, после чего от источника питания на плазморез подается высокочастотный ток и возбуждается дежурная дуга. При этом ее температура достигает значений 6000-8000 °C. Через несколько секунд в камеру плазменного резака подается воздух под определенным давлением, который при прохождении через дежурную дугу ионизируется, а затем нагревается и увеличивается в объеме. За счет зауженной формы сопла воздух обжимается, что обеспечивает формирование высокоскоростного потока плазмы.

Процесс воздушно-плазменной резки металла

При соприкосновении плазмы с металлическим материалом (анодом) зажигается рабочая (режущая) дуга, которая воздействует на материал локально, нагревая его до температуры плавления и выдувая из зоны резания высокоскоростным потоком плазмы.

Плазмотрон для воздушно-плазменной резки позволяет резать металл разных видов (черный, нержавеющий, цветной) толщиной до 100 мм. С его помощью можно выполнять как фигурный, так и прямолинейный раскрой. Таким аппаратом можно разрезать трубы, профильный и листовой прокат.

Вырезание фигурных заготовок аппаратом для воздушно-плазменной резки

Основные типы оборудования и виды аппаратов для ручной резки

Устройства для воздушно-плазменной резки можно условно разделить на несколько видов:

• Трансформаторные – мощные установки, которые обычно используются в промышленных целях (для резания больших толщин на протяжении длительного времени).

Аппарат трансформаторного типа

• Инверторные – компактные и легкие аппараты, позволяющие резать металлопрокат толщиной до 20 мм (в зависимости от мощности). При этом, чем мощнее оборудование, тем оно габаритнее и тяжелее. Чаще применяется для частных нужд, в небольших мастерских и на участках, где плазменная резка не является основных технологическим процессом. Отличается повышенным КПД и небольшим энергопотреблением.

Устройство инверторного типа

Также оборудование классифицируется по назначению, уровню автоматизации и другим параметрам. Выпускаются специализированные устройства для раскроя труб, портативные (переносные) установки, портальные и консольные машины, металлургические (для резки слябов и блюмов), станки с ЧПУ.

Критерии выбора аппарата

Для выбора подходящего по всем параметрам плазмотрона для воздушно-плазменной резки нужно знать разновидности разрезаемых материалов, градацию толщин и интенсивность эксплуатации аппарата. Частные мастера и небольшие фирмы обычно покупают инверторы, поскольку они компактные, более экономичные и производительные.

Основные параметры устройств, которые надо брать во внимание:

• Рабочий ток – от него напрямую зависит максимальная толщина резки. Поэтому нужно определиться с разновидностью обрабатываемого металлопроката и его толщиной. При выборе стоит учитывать, что производители в характеристиках указывают максимальную толщину черного металла. Так для резки стандартной низкоуглеродистой стали толщиной 1 мм требуется 4 А, а для раскроя цветных металлов – 6 А. Также обязательно должен быть запас мощности для более качественного реза.
• Продолжительность включения (ПВ) – определяет интенсивность загрузки аппарата или непрерывное время его работы. Измеряется в процентах, которые отображают максимальное время его работы в течение 10-минутного рабочего цикла. Если в характеристиках указано ПВ 40 %, это означает, что он сможет работать 4 минуты, а остальные 6 минут ему нужно остывать во избежание перегрева и выхода их строя. У промышленного оборудования ПВ может составлять 100 %.

Бренды

Сегодня аппараты для воздушно-плазменной резки выпускают разные производители. Однако лучшее соотношение цены и качества оборудования предлагает Группа компаний ПУРМ. Она разрабатывает и производит недорогие устройства разных видов и назначения, которые рассчитаны на интенсивную эксплуатацию в тяжелых промышленных условиях.

В ассортименте отечественного производителя ПУРМ есть плазмотроны трансформаторного и инверторного типа с разной мощностью и продолжительностью включения. Особым спросом пользуется мощное оборудование для производственных целей, но и компактные инверторы довольно популярны – особенно среди небольших фирм, специализирующихся на металлообработке и изготовлении металлоконструкций.

Как правильно пользоваться аппаратом?

Аппарат для воздушно-плазменной резки требует наличия знаний и навыков работы с ним, поскольку считается оборудованием повышенной опасности. Во избежание получения травм и профессиональных заболеваний нужно работать в спецодежде – брезентовый костюм, перчатки, закрытая обувь, темные очки или маска (рекомендуемый класс затемнения 4-5).

Экипировка рабочего, выполняющего воздушно-плазменную резку

Аппарат надо устанавливать в местах с открытым доступом воздуха (для эффективного охлаждения – т. е. нельзя располагать вплотную к стенам или другим предметам) на небольшом удалении от места работ, во избежание попадания капель расплавленного металла. Обязательный элемент в конструкции плазмореза – масловлагоотделитель, предотвращающий попадание масла и влаги в камеру плазмотрона.

Качественная поверхность реза с минимумом окалины достигается при условии правильного выбора рабочих параметров для резки конкретного металла определенной толщины – силы тока, а также скорости перемещения резака.

В начале процесса плазмотрон требуется продуть воздухом с целью удаления конденсата и возможных инородных частиц путем нажатия и отпускания кнопки розжига – т.н. режим продувки. Затем можно возбуждать дугу. В ходе резки важно поддерживать постоянное расстояние между инструментом и металлической заготовкой, что обеспечит качественный рез, оптимальную ширину резания и минимальную зону термического влияния. Для облегчения этой работы производители предлагают специальные приспособления – упоры.

Специальные упоры для облегчения ведения плазмореза в процессе резки

Плазмотрон при резании надо держать перпендикулярно обрабатываемому материалу, но при необходимости угол отклонения может составлять от 10 до 50°. Например, резать тонколистовой металл рекомендуется с небольшим уклоном во избежание чрезмерного нагрева и последующей деформации вырезаемой детали.

Плазмотроны. Исследования. Проблемы / Жуков М.Ф. и др. (Новосибирск, 1995)

Плазмотроны. Исследования. Проблемы / М.Ф.Жуков и др. (Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1995. – 203 с.)   gif” align=”CENTER”>    Оглавление книги ВЫПУСК I Введение ........................................................ 7 I. Структура электрической дуги .............................. 8 1. Структура электрической дуги в длинном цилиндрическом канале с протоком газа .................................... 8 2. Электрическая дуга в турбулентном потоке .................. 9 3. Временные развертки светимости элемента дуги ............. 12 4. Радиальный участок дуги в канале плазмотрона ............. 12 5. Расщепление приэлектродного радиального участка дуги ..... 15 6. Особенности течения газа в торцевом цилиндрическом электроде ................................................ 16 II. Структура дуги в струе газа, истекающего в затопленное пространство . ............................................ 19 1. Схема установки .......................................... 19 2. Схема взаимодействия дуги с окружающим газом ............. 20 3. Теневые фотографии дуги, горящей в затопленной струе ..... 23 4. Турбулизация дуги импульсом тока ......................... 24 III. Продольные и поперечные пульсации электрической дуги ..... 26 1. Продольные пульсации конца электрической дуги ............ 26 2. Поперечные колебания столба электрической дуги ........... 26 3. Качественная картина шунтирования дуги в плазмотроне ..... 29 IV. Пульсации напряжения электрической дуги .................. 32 1. Пульсации напряжения дуги в плазмотроне одностороннего истечения газа ........................................... 32 2. Пульсации напряжения в плазмотроне со ступенчатыми электродами и двусторонним истечением газа .. ............. 32 3. Степень турбулентности потока газа на оси цилиндрического канала ................................... 33 4. Напряженность электрического поля ........................ 36 5. Устойчивость горения дуги ................................ 37 6. Напряжение, устойчивость горения и динамика электрической дуги в канале плазмотрона с уступом ....... 39 V. Электрический разряд между телами ........................ 40 1. Напряжение пробоя газа между двумя металлическими электродами .............................................. 40 2. Электрический пробой между дугой и холодным электродом ... 41 3. Напряжение пробоя газа между дугой и поверхностью электрода в линейном плазмотроне ......................... 43 4. Зависимость напряжения пробоя между двумя медными электродами в воздухе от его температуры ................. 44 VI. Воздействие шунтирования на параметры плазмотрона ........ 46 1. Шунтирование дуга - стенка и дуга - дуга ................. 46 2. Мелкомасштабное шунтирование дуга - дуга ................. 48 VII. Распределение теплового потока, плотности тока и напряженности электрического поля по длине цилиндрической электродуговой камеры ..................... 52 1. Тепловые потоки в стенку разрядной камеры ................ 52 2. Излучаемая мощность дуги ................................. 54 3. Распределение тепловых потерь по длине выходного цилиндрического анода в плазмотроне с МЭВ ................ 54 4. Распределение плотности электрического тока вдоль выходного анода в плазмотроне с МЭВ ...................... 56 VIII. Снижение излучения дуги .................................. 58 1. Снижение излучения дуги путем воздействия на нее магнитного поля . ......................................... 58 2. Излучение электродуговой плазмы в магнитном поле ......... 60 3. Томографическая диагностика низкотемпературной плазмы .... 60 Литература ..................................................... 66 Дополнительная литература к выпуску I .......................... 67 ВЫПУСК II Введение ....................................................... 75 I. Классификация плазмотронов линейной схемы ................ 77 II. Плазмотроны с самоустанавливающейся длиной дуги .......... 78 1. Однокамерные плазмотроны ................................. 78 2. Двухкамерный плазмотрон .................................. 95 III. Линейные плазмотроны с фиксированной средней длиной дуги 96 1. Плазмотрон с фиксированной длиной дуги, меньшей самоустанавливающейся ........................ ............ 96 2. Плазмотроны с фиксированной средней длиной дуги, большей самоустанавливающейся ............................ 97 IV. Плазмотроны с межэлектродной вставкой для напыления и термообработки порошковых покрытий ...................... 100 1. Ламинарный плазмотрон для напыления и оплавления напыленных поверхностей ................................. 100 2. Плазмотрон унифицированный для напыления (ПУН-3) ........ 103 3. Высокоресурсный плазмотрон с расщепленными дугами ....... 106 V. Линейный плазмотрон с трубчатым разрядом ................ 106 VI. Плазмотрон с газовихревой МЭВ ........................... 109 VII. Двухструйные плазмотроны ................................ 112 1. Двухструйный плазмотрон с неподвижными опорными пятнами дуги ............................................ 112 2. Двухструйный плазмотрон с подвижными опорными пятнами дуги . ........................................... 118 VIII. Плазмотроны-реакторы с камерой смешения ................. 119 1. Многоструйный реактор ................................... 119 2. Совмещенный плазмотрон-реактор .......................... 121 3. Вихревой электродуговой реактор... ...................... 121 4. Многоструйный плазмовихревой реактор .................... 124 IX. Поджиг дуги в плазменных устройствах .................... 125 1. Запуск плазмотронов без МЭВ ............................. 125 2. Поджиг электрической дуги в плазмотронах с секционированной межэлектродной вставкой .............. 130 X. Некоторые специфические критерии подобия, отражающие основные физические процессы в электроразрядной камере плазмотрона ............................................. 133 1. Критерии подобия .................................. ...... 133 2. Пакет программ для инженерного расчета плазмотронов линейной схемы .......................................... 135 Литература .................................................... 138 Дополнительная литература к выпуску II ........................ 140 ВЫПУСК III Введение ...................................................... 149 I. Особенности изменения структуры поверхности стержневого вольфрамового катода под воздействием электрической дуги 151 1. Плазмообразующий газ - гелий ............................ 151 2. Влияние плазмообразующего газа на состояние поверхности катода и прикатодной области ............................ 154 3. Влияние содержания кислорода в гелии на изменение структуры прикатодной области дугового разряда .......... 154 4. Плазмообразующий газ - водород ................... ....... 157 5. Плазмообразующий газ - технический азот ................. 161 6. Развитие дугового разряда во времени на торцевой поверхности цилиндрического тонированного вольфрамового катода .................................................. 161 II. Эрозия термокатодов ..................................... 162 1. Эрозия вольфрамового стержневого электрода в инертной среде и влияние электрического поля ..................... 162 2. Изменение структуры внутренней поверхности цилиндрического полого вольфрамового катода ............. 164 3. Удельная эрозия вольфрамовых термокатодов ............... 165 4. Удельная эрозия термохимических катодов ................. 171 5. Структура материала циркониевой катодной вставки ........ 174 III. Эрозия электрода при подвижном опорном пятне дуги ....... 174 1. Форма следов эрозии на поверхности плоских катодов из разных металлов . ..................................... 174 2. Влияние динамики перемещения катодного участка дуги на скорость эрозии цилиндрического медного электрода .... 178 3. Зависимость удельной эрозии материала электрода от температуры .......................................... 181 4. Зависимость удельной эрозии медного электрода от времени его работы и скорости движения приэлектродного участка дуги Wп ......................................... 183 5. Влияние осевой магнитной индукции Bz на удельную эрозию медных электродов ....................................... 183 6. Аэромагнитное осевое сканирование приэлектродного (радиального) участка дуги в торцевом трубчатом электроде ............................................... 187 7. О некоторых механизмах, способствующих разрушению электродов .............................................. 191 8. Эрозия медных анодов .................................... 192 9. Роль кислорода .......................................... 198 Литература .................................................... 200 Книга состоит из трех выпусков, каждый из которых отражает определенный круг проблем, обозначенный в его названии: “Электрофизические процессы в линейных плазмотронах. Выпуск I”, “Электродуговые генераторы низкотемпературной плазмы. Выпуск II”, “Эрозия электродов в линейных плазмотронах. Выпуск III”. Приведены результаты исследований взаимосвязанных электрофизических, тепловых и приэлектродных процессов в генераторах низкотемпературной плазмы: представлены принципиальные схемы наиболее эффективных лабораторных и промышленных плазмотронов и изложен метод расчета их параметров: уделено внимание возможным путям повышения ресурса электродов. Книга рассчитана на научных работников, инженеров, аспирантов и студентов, специализирующихся в области физики и техники низкотемпературной плазмы, электротехники и теплотехники.   Плазмотроны. Исследования. Проблемы / Жуков М.Ф., Тимошевский А.Н., Ващенко С.П., Засыпкин И.М., Лукашов В.П., Перегудов В.С., Михайлов Б.И., Мельникова Т.С., Поздняков Б.А. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1995. – 203 с. || Шифр: З2-П37 НО   

Плазмотроны. Конструкции, характеристики, расчет. Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С. 1993 | Библиотека: книги по архитектуре и строительству

Приведены результаты исследований и разработок электродуговых плазмотронов постоянного и переменного тока и методы их расчёта.  Описаны схемы, конструкции и характеристики ряда оригинальных плазмотронов, обладающих широким диапазоном параметров нагреваемого газа и высокой эффективностью. Большое внимание уделено описанию физических процессов в плазмотронах, а также методам расчёта характеристик электрической дуги. Предназначена для инженеров, специализирующихся в области авиационной и ракетно-космической техники, плазмохимии, плазмометаллургии, материаловедения, электротермии, технологии нанесения покрытий, электроаппаратостроения и др.

Предисловие

Глава 1. Схемы плазмотронов

1.1. Принципы нагрева газа в плазмотроне
1.2. Плазмотроны с вихревой стабилизацией дугового разряда
1.3. Плазмотроны с магнитной стабилизацией дугового разряда
1.3.1. Принципиальная схема
1.3.2. Движение электрической дуги в плазмотроне с магнитной стабилизацией разряда
1.3.3. Пути улучшения схемы
1.4. Плазмотроны комбинированной схемы
1.5. Высокотемпературные плазмотроны
1.5.1. Плазмотрон типа “Тандем”
1. 5.2. Плазмотрон с дугой в сверхзвуковом канале
1.5.3. Плазмотрон с криогенным рабочим телом
1.6. Плазмотроны переменного тока
1.6.1. Обзор схем
1.6.2. Трехфазный плазмотрон “Звезда”

Глава 2. Конструкции плазмотронов и их основных узлов
2.1. Общие требования к конструкции плазмотрона
2.2. Плазмотроны с вихревой стабилизацией дугового разряда
2.3.1. Конструктивные особенности
2.4. Плазмотроны комбинированной схемы
2.5. Высокотемпературные плазмотроны
2.6. Плазмотрон “Звезда”
2.7. Конструкции смесительных камер

Глава 3. Характеристики дугового разряда в плазмотронах постоянного тока
3.1. Исследование электрической дуги, движущейся под действием магнитного поля
3.1.1. Описание дугового разряда
3.1.2. Экспериментальное исследование дуги в рельсотроне
3.1.3. Обобщение экспериментальных данных
3.1.4. Излучение электрической дуги, движущейся под действием магнитного поля
3.2. Характеристики дугового разряда в плазмотроне с магнитной стабилизацией
3. 2.1. Критерии подобия
3.2.2. Выбор значений параметров. характеризующих свойства газа
3.2.3. Экспериментальное исследование дугового разряда в плазмотроне с магнитной стабилизацией
3.2.4. Обобщение экспериментальных данных
3.3. Характеристики дугового разряда в плазмотроне с вихревой стабилизацией
3.4. Характеристики высокотемпературных плазмотронов
3.4.1. Оценка влияния излучения
3.4.2. Характеристики плазмотрона типа “Тандем”
3.4.3. Характеристики плазмотрона с электрической дугой в сверхзвуковом канале
3.4.4. Характеристики плазмотрона с криогенным рабочим телом
3.5. Гашение закрутки струи в смесительной (демпферной) камере

Глава 4. Теплообмен в плазмотронах
4.1. Общая характеристика особенностей теплообмена в плазмотронах
4.2. Определение коэффициентов трения и теплообмена на основе теории исчезающей вязкости
4.3. Экспериментальное исследование теплообмена в коаксиальных плазмотронах 122
4.4. Экспериментальное исследование теплообмена в плазмотронах с вихревой газовой стабилизацией
4. 5. Тепловые характеристики плазмотронов
4.6. Экспериментальные данные о структуре высокотемпературного потока в выходном сечении плазмотрона

Глава 5. Характеристики и метод расчета трехфазного плазмотрона “Звезда”
5.1. Оптимизация конфузорных каналов
5.2. Параметры плазмотрона “Звезда”
5.3. Максимальное напряжение на дуге
5.4. Выбор системы критериев подобия и обобщенная вольт-амперная характеристика
5.5. Обобщение экспериментальных данных по термическому КПД
5.6. Метод расчета плазмотрона “Звезда”

Глава 6. Магнитное вращение приэлектродных участков дуг в плазмотроне” Звезда”
6.1. Особенности магнитного вращения дуги переменного тока
6.2. Расчет фазового сдвига и его экспериментальная проверка
6.2.1. Оценка допустимого фазового сдвига
6.2.2. Прохождение электромагнитной волны через стенку электрода
6.2.3. Экспериментальная проверка расчета
6.3. Методы устранения фазового сдвига
6.3.1. Первый метод
6.3.2. Второй метод
6. 4. Результаты экспериментов на плазмотроне “Звезда”

Глава 7. Расчет электрической дуги переменного тока
7.1. Особенности расчета дуги переменного тока и обзор литературы
7.2. Линейная теория дуги переменного тока
7.2.1. Постановка задачи и исходные уравнения
7.2.2. Электрические цепи с дуговыми разрядами
7.3. Переходные процессы в цепях с электрическими дугами
7.4. Расчет трехфазных цепей с дуговыми разрядами
7.5. Изменение длины дуги во времени
7.6. Влияние течения газа на характеристики дуги
7.7. Нелинейная теория
7.7.1. Постановка задачи
7.7.2. Результаты расчетов
7.8. Сравнение с экспериментом
7.9. Особенности электрических измерений в трехфазных цепях с электрическими дугами
7. 10. Колебания мощности в трехфазных цепях с электрическими дугами

Глава 8. Исследование нагрева электродов движущейся электрической дугой
8.1. Определение количества тепла, поступающего к медным электродам от дуги, движущейся под действием магнитного поля
8. 2. Исследование следов, оставляемых движущейся дугой на медном электроде
8.3. Расчет нагрева охлаждаемого электрода движущейся дугой
8.3.1. Общие замечания
8.3.2. Расчет нагрева стенки электрода движущимся круговым источником
8.3.3. Определение температуры нагрева стенки охлаждаемого электрода от предварительных пробеганий дуги по поверхности электрода
8.3.4. Оценка степени уноса материала электрода
8.4. Исследование движения дугового разряда в плазмотроне и обобщение результатов
8.4.1. Экспериментальное исследование скорости движения дуги в плазмотроне
8.4.2. Обобщение экспериментальных данных исследования скорости движения разряда в плазмотронах в критериальной форме
8.4.3. Анализ формулы (8.23) при нулевом расходе рабочего тела

Глава 9. Система измерений
9.1. Измерения гидравлических параметров
9.2. Измерения температуры плазменной струи

Список литературы

Основные принципы действия | Плазмотроны

Плазмотрон является основным элементом энергетической части плазменного оборудования. По способу получения электрического разряда плазмотроны делятся на дуговые и высокочастотные. В плазмотронах первого типа электрическая дуга постоянного или переменного тока ионизирует плазмообразующий газ. В индукционных плазмотронах ионизация плазмообразующего газа осуществляется под действием переменного высокочастотного поля индуктора.

В данной работе будут рассматриваться только дуговые плазмотроны постоянного тока, нашедшие наиболее широкое применение в промышленности. ВЧ-плазмотроны используются в основном в качестве высокотемпературных нагревателей газов для выращивания монокристаллов и при проведении исследований с применением газов, нагретых до высоких температур.

(Дуговые плазмотроны можно разделить на плазмотроны прямого и косвенного действия, а по составу плазмообразующего газа — на плазмотроны, работающие в инертных нейтральных и кислородсодержащих газах. По способу подачи плазмообразующего газа различают плазмотроны с тангенциальной и аксиальной подачей. В зависимости от условий эксплуатации дуговые плазмотроны могут работать на переменном и постоянном токе, причем в последнем случае применяются режимы прямой (минус источника питания на электроде плазмотрона) и обратной (плюс источника на электроде плазмотрона) полярности.

Принципиальные схемы дугового плазмотрона прямого и косвенного действия приведены на рис. 1. В плазмотроне прямого действия электрическая дуга горит между электродом и обрабатываемым изделием, а в плазмотроне косвенного действия — между электродом и соплом.

Рис. 1. Принципиальная схема дугового плазмотрона прямого (а) и косвенного (б) действия: 1 — изолятор; 2 — электрод; 3 — сопло; 4 — обрабатываемое изделие; 5 — электрическая дуга.

Дуговые плазмотроны косвенного действия нашли применение при обработке неэлектропроводных материалов для их напыления и сфероидизации, а также в качестве высокотемпературных нагревателей газа.

Плазмотроны различных конструкций имеют три основных элемента: электрод, сопло и изолятор, который разделяет находящиеся под разными электрическими потенциалами электрод и сопло. Рассмотрим эти элементы более подробно.

105 фото конструкции и примеров работы устройством

Плазмотрон или как его еще называют плазморез – это неотъемлемый атрибут любого производства или строительства. В быту он почти не используется, поскольку есть другие более доступные по цене устройства для резки металла, например, болгарка. А в машиностроении, при обработке профиля и стальных конструкций без плазмотрона не обойтись.

Краткое содержимое статьи:

Достоинства плазмотрона

Плазматрон обладает следующими достоинствами:

• Эффективность работы.
• Универсальность. Может работать с любыми металлами.
• Отсутствие необходимости в предварительной подготовке заготовки. Очистка от загрязнения, снятие старой краски – всего этого не нужно делать.
• Высококачественный срез. Для среза, выполненного плазморезом, характерны точность, ровность, отсутствие окалины. Также почти не нужна последующая обработка.
• Минимум тепловых деформаций металлических заготовок.
• Безопасность эксплуатации. В процессе работы не применяются газовые баллоны.
• Возможность создания криволинейных срезов.
• Экологическая безопасность.

Благодаря многочисленным достоинствам плазмотрона, он широко применяется в промышленности, будь то изготовление кронштейнов, дверных блоков, вентиляции или отопления.

Отрицательные стороны применения плазменного резака

Ограничение в толщине металлических деталей, предназначенных для резки. 10 см – это максимально допустимое значение для самых современных устройств подобного типа.

Строгое требование к размещению плазмотрона относительно обрабатываемого листа металла. Оборудование должно размещаться строго перпендикулярно.

Отсутствие возможности применения двух аппаратов для резки, подключённых к одному устройству.

Разновидности плазморезов

Выбор плазмореза зависит от планируемой области его применения. Это объясняется тем, что различные виды имеют различную конструкцию. Оборудование по плазменной резке делится на устройства, работающие:

• в среде защитных газов;
• в среде окислительных газов;
• со смесями;
• в газожидкостных стабилизаторах;
• с магнитной и водной стабилизацией.

Помимо этого, существуют следующие виды плазмотронов:

Инверторные. Основная их особенность – экономичность и возможность резки металла толщиной до 3 см. Также их преимуществами являются небольшие размеры и стабильность горения электрической дуги.

Трансформаторные. Ими можно резать металлические листы толщиной до 8 см. Они менее экономичны и КПД у них ниже.

Также в зависимости от типа контакта, выделяют контактные и бесконтактные плазменные резаки.

Есть ещё классификация по области применения и требуемому напряжению. Здесь, как показано на фото плазмотронов, они могут быть:

• Бытовыми. Их работа происходит от сети напряжением 220 В.
• Промышленные. Требуют подключения к трёхфазной сети с напряжением 380 В.

Какой плазмотрон лучше зависит от его назначения и конкретных задач, которые вы планируете с его помощью решать.

Принцип действия плазменных резаков и их конструкция

Принцип работы плазмотрона заключается в расплавлении металла и выдувания его из места среза.

Устройство плазмотрона следующее:

• Источник питания.
• Система шлангов.
• Компрессор.
• Плазменный резак (плазмотрон), внутри него находится электрод из бериллия, циркония или гафния.

Рекомендации по выбору плазмореза

Покупая плазморез, нужно учитывать следующие моменты:

• Универсальность.
• Вид устройства.
• Сила тока.
• Максимально возможная толщина металла, резку которого можно провести данным агрегатом.
• Наибольшее время беспрерывной работы и частота необходимых перерывов.
• Тип компрессора (встроенный или внешний).
• Частота, с которой потребуется заменять расходные материалы.
• Удобство эксплуатации.

Также немаловажным нюансом является название фирмы-изготовителя. Лучше выбирать плазмотрон от проверенных производителей. Известный бренд послужит гарантией качества оборудования.

Помните, что у плазмореза довольно большая мощность. Ваша сеть может не справиться с подобной нагрузкой. Поэтому заранее проверьте ее устойчивость.

Работая с плазмотрезом, обязательно соблюдайте требования безопасности – вовремя заменяйте расходники, не работайте с прибором в мороз.

Фото плазмотрона

Также рекомендуем посетить:

Плазмотрон

– обзор | ScienceDirect Topics

3.3 Плазменная химическая обработка

Плазменное химическое осаждение и обработка поверхности – еще один хорошо разработанный метод [96] для модификации полимерных и неорганических мембран. Один из недостатков прямого газофазного фторирования связан с чрезвычайной активностью молекулярного фтора, что приводит к созданию целых 3 материалов специального назначения для экспериментальных установок и точной настройки условий фторирования.Этих трудностей не возникает при плазмохимической обработке, поскольку источниками ионов плазмотрона являются стабильные фторсодержащие газы и пары, такие как CF ₄ [97,98], SF ₆ [99], C ₂ . F ₆ [100], хлорфторуглероды, гидрохлорфторуглероды, гидрофторуглероды [101], пентафтортолуол [102] и другие. Так, большое количество композитных мембран было изготовлено на основе различных органических полимеров (мембранных материалов): полидиметилсилоксана [103], нейлона 6 [104], поливинилтриметилсилана и политриметилсилпропена [99], полиолефинов [104,105], полиметилметакрилата [106] и другие полимеры.Применение спектральных методов (ИК-, ¹⁹ F ЯМР и рентгеновская спектроскопия поверхности) показывают, что состав полимеров относительно мало варьируется в зависимости от природы газа плазмотрона [99,100]. Большинство обработанных в плазме полимеров содержат CF-, дифторметилен-, трифторметил- группы [100], в то время как в случае Si-содержащих полимеров набор фрагментов становится универсальным: -C = CF-; —CFCF ₂ ; —CCF ₂ ; —CF ₂ —CH ₂ – [99]. Кроме того, разрыв связей C — Si обнаруживается под действием плазменных радикалов и ионов, что означает, что обработка приводит к удалению SiMe ₃ -группы.

Полимеры, подвергавшиеся наибольшей плазменной обработке, были исследованы на проницаемость для кислорода и азота. Так, кислородопроницаемость полимеров на основе плазмолимеризованной смеси C ₃ F ₆ / CH ₄ увеличилась с 10 (чистый C ₃ F ₆ ) до 120 (для смеси с 65 % от C ₃ F ₆ ). При этом авторам удалось добиться селективности O ₂ –N ₂ на уровне 2,5 для полимеризованной смеси с 75% C ₃ F ₆ .Фторирование поверхности с помощью SF ₆ проводили для пленок ПТМСП [99]. Показано, что увеличение продолжительности обработки снижает проницаемость всех газов (He, H ₂ , O ₂ , N ₂ , CH ₄ , CO ₂ ) и одновременно повышает селективность He – CH ₄ , H ₂ –CH ₄ , CO ₂ –CH ₄ . Плазменные полимеры, полученные микроволновым разрядом фторсодержащих мономеров (гексафторбензол, монофторбензол, пентафтортолуол, пентафторпиридин и др.)) с высоким отношением F / C ■ 1 имел более высокую проницаемость для постоянных газов, а также более высокую селективность по He – CH ₄ , N ₂ –CH ₄ [108], что может быть сопоставимо с таковыми для других перфторированных полимеров. . Было отмечено, что более высокая растворимость диоксида углерода в таких плазменных полимерах является причиной высокой селективности CO ₂ –CH ₄ . Однако более высокая селективность не всегда может быть достигнута, например, плазменная полимеризация перфтор-н-гексана, гексафторэтана и тетрафторметана на поверхности цеолитной мембраны привела к образованию дефектных полимерных слоев с селективностью Кнудсена [109].

В целом плазмохимический подход имеет некоторые сходства с подходом прямого фторирования из-за образования слоистой структуры на поверхности подложки, где новый градиентный фторированный слой полимера покрывает неизмененный исходный полимер. Химический состав нового слоя сильно зависит от условий плазмохимической обработки (давление, интенсивность разряда, продолжительность и т. Д.). Более того, параметры газоразделения плазменных полимерных мембран часто зависят от времени, то есть реакции с образованием нового фторированного слоя (например, сшивание) протекают после плазменной процедуры.

Второе и гораздо более широкое применение плазменной техники связано с обработкой пористых субстратов (Al ₂ O ₃ , трековые мембраны, цеолиты и т. Д.) С целью улучшения их гидрофобных свойств, которые имеют решающее значение для используемых мембран. в энергоэффективных процессах мембранной перегонки опреснения морской воды. Для реализации процессов поровая поверхность мембран должна быть максимально гидрофобной. Это может быть достигнуто путем покрытия поверхностей тонкими слоями фторсодержащих плазменных полимеров [111–113].А удобным инструментом для контроля гидрофобности новых слоев могут быть испытания поверхностей на угол смачивания. Однако эти вопросы выходят за рамки рассмотрения мембран для разделения газов.

(PDF) Практическое применение высокопрочных дуговых плазмотронов постоянного тока

Практическое применение высокопрочных дуговых плазмотронов постоянного тока

В.Г. Якунин1, В.А. Рябы2,4 и В.П. Савинов1,4

1 Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова , Москва, 119991,

Россия

2 Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики, Москва, Авиационный

Институт (национальный исследовательский университет), Ленинградское шоссе, 5, Москва,

125080, Россия

3 E-mail: riaby2001 @ yahoo.com

4 E-mail: [email protected]

Реферат. В статье описаны новые дуговые плазмотроны постоянного тока с вольфрамовыми стержневыми катодами и сопловыми анодами, а также способы их применения

. Первым удачным устройством был плазмотрон Т-

с Т-образной формой газовых каналов. Его удельная скорость эрозии анода

была снижена на четыре порядка по сравнению с традиционными дуговыми плазмотронами. В результате специальной конструкции анода

, обеспечивающей взаимодействие технологического газа и плазмообразующего газа,

снизил этот параметр до 4 ∙ 10-10 г / Кл.Этот плазмотрон использовался в нескольких технологических процессах

, включая очистку потока выхлопных газов дизельного двигателя, травление и напыление

различных материалов. После этих экспериментов был создан А-плазмотрон

в целом осесимметричной формы с трехкратной большей способностью к активации технологических газов

по сравнению с Т-плазмотроном. А-плазмотрон также использовался в вышеупомянутых технологических процессах

и продемонстрировал более высокие возможности для каждого процесса.Чрезвычайно

чистый поток плазмы этого плазмотрона был изучен с использованием интегральных и локальных результатов диагностики плазмы

, которые показали его приемлемое применение для нескольких процессов, включая довольно эффективное и интересное биомедицинское взаимодействие

с человеческими ранами, овощами, белым

соломы и продукции из нее.

1. Первоначальная версия высокопрочного дугового плазмотрона постоянного тока и его применение в технологических процессах

Новый плазмотрон постоянного тока с катодом из горячего вольфрамового стержня и холодным медным анодом с соплом был первоначально создан в Москве компанией

. инженеры из Московского авиационного института, а также физики из

МГУ.Это устройство также привлекло внимание физиков из национального университета Чеджу

в Южной Корее. Чтобы сотрудничать с этими специалистами, нам пришлось защитить плазмотрон DC arc

с помощью российского патента, чтобы продолжить наши взаимодействия в рамках условного приоритета патента

. Еще в 1991 году такая защита была невозможна в России из-за необычных

организационных проблем. Вместе с корейскими физиками мы усовершенствовали конструкцию плазмотрона,

защитили его корейским патентом [1] и представили свои первые исследования устройства на Корейском международном симпозиуме

[2].Это устройство было сочтено новым, поскольку оно содержало анод особой конструкции

, который создавал вихрь с распределенным анодным пятном, что приводило к резкому снижению его скорости эрозии

до уровня ~ 10-10 г / C. Принципиальная схема плазменного генератора, получившего название

Т-плазмотрон по отношению к Т-образному формированию его каналов подачи газа, представлена ​​на рисунке 1.

Особенности электрического разряда в плазмотроне с расширяющимся выходным электродом

1.

Даутов Г.Ю., Тимошевский А.Н., Урюков Б.А. и др., Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии: проблемы и перспективы, , Проблемы и перспективы. ВМ и Засыпкин И.М., Новосибирск: Наука, 2004.

2.

Клубникин В.С., Карасев М.В., Петров Г.К., Плазменное напыление покрытий в активных средах . Ленинград: Знание, 1990.

Google Scholar

3.

Кудинов В.В., Плазменные покрытия , М .: Наука, 1977.

Google Scholar

4.

Солоненко О.П., в Тепловая плазма и новые материалы , Солоненко О.П., Жуков М.Ф., Ред. Кембридж: Международная наука, 1995, т. 2, стр. 7.

5.

Жуков М.Ф., Калиненко Р.А., Левицкий А.А., Полак Л.С. Плазмохимическая переработка угля, , М .: Наука, 1990.

. Google Scholar

6.

Карпенко Е.И., Жуков М.Ф., Мессерле В.Е., Буянтуев С.Л., Дьяков А.Ф., Перегудов В.С. котлов и стабилизация горения пылеугольного факела (Научно-технические основы и опыт эксплуатации плазменных систем зажигания углей на ТЭЦ (плазменный розжиг котлов и стабилизация горения пылеугольного пламени) ), Мессерле, В.Е., Перегудов В.С., Ред. Новосибирск: Наука, 1998.

7.

Лещинский Л.К., Самотугин С.С., Пирч И.И., Комар В.И., Плазменное поверхностное упрочнение . Киев: Техника, 1990.

Google Scholar

8.

Гонтарук Э.И., Ильичев М.В., Исакаев Э.Х., Тюфтяев А.С., Филиппов Г.А., Сталь , 2002, № 4, с. 6, стр. 78.

Google Scholar

9.

Вайнерман А.Е., Шоршоров М.Х., Веселков В.Д., Новосадов В.С. Плазменная наплавка металлов . Л .: Машиностроение, 1969.

. Google Scholar

10.

Фомин В.М., Мальмут Н., Маслов А.А., Фомичев В.П., Шиплюк А.Н., Поздняков Г.А., Постников Б.В., Поздняков Б.А., Докл. Phys. , 1999, т. 44, нет. 9, стр. 638.

ADS МАТЕМАТИКА Google Scholar

11.

Исакаев Э.Х., Синкевич О.А., Тюфтяев А.С., Чиннов В.Ф. ТВТ. , 2010, т. 48, вып. 1, стр. 97.

Статья Google Scholar

12.

Harvey, J.K., Simpkins, P.G., Adcock, B.D., Raketnaya Tekh. Космонавтика , 1963, т. 1, № 3, с. 213.

Google Scholar

13.

Смоляков В.Я., Прикл. Мех. Тех.Физ. , 1963, нет. 6, стр. 148.

Google Scholar

14.

Низкотемпературная плазма. Том 17. Электродуговые генераторно-термической плазмы (Низкотемпературная плазма: Том 17. Электродуговые генераторы тепловой плазмы), Жуков М. Ф. и Засыпкин И.М., Новосибирск: Наука, 1999.

. Google Scholar

15.

Татено, Х. и Сайто, К., Jpn. J. Appl. Phys. , 1963, т. 2, стр. 192.

ADS Статья Google Scholar

16.

Leylavergne, M., Duan, Z., Coudert, JF, Faushais, P., and Heberlein, J., in Влияние рабочих параметров плазменного распыления на колебания дуги: обработка материалов , Fauchais, П. и Амур, Дж., Ред., Нью-Йорк: Begell House, 1999, стр. 443.

17.

Исакаев Э.Х. и Синкевич О.А., High Temp. , 2003, т. 41, нет. 3, стр. 282.

Статья Google Scholar

18.

Исакаев Е.Х., Калинин В.И., Королев В.К., Синкевич О.А., Терешкин С.А., Тюфтяев А.С. Условия плазмы, Текирива, Анталия, Турция, 19–23 апреля 1999 г. , Анталия, 1999 г., стр. 123–125.

Google Scholar

19.

Глазков В.В., Исакаев Э.Х., Королев В.К., Синкевич О.А., Терешкин С.А., Тюфтяев, в Докладах конференции «Физика низкотемпературной плазмы» (ФНТП 98), Петрозаводск, 1998, . по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП-98), Петрозаводск, Россия, 23–27 июня 1998 г., Петрозаводск, 1998, с. 470.

Google Scholar

20.

Исакаев Э.Х., Королев В.К., Синкевич О.А., Терешкин С.А., Тюфтяев А.С., Тезисы докладов Пятой Европейской конференции «Тепловые плазменные процессы», Санкт-Петербург, Россия, 13–16 июля 1998 г., , Санкт-Петербург, 1998, с. 39

Google Scholar

21.

Жуков М.Ф., Коротеев А.С., Урюков Б.А., Прикладная динамика термической плазмы, , Новосибирск: Наука, 1975.

Google Scholar

22.

Даутов Г.Ю., Тимошевский А.Н., Урюков Б.А. и др., Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии: проблемы и перспективы, , Проблемы и перспективы. ВМ Новосибирск: Наука, 2004.

.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку “Назад” и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с вашим системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Плазмотрон

MIT для очистки автомобилей от загрязняющих веществ – значительный шаг ближе к дорожным испытаниям | MIT News

Устройство Массачусетского технологического института, которое могло бы резко сократить выбросы смога от автомобилей и других транспортных средств, является значительным шагом на пути к переходу от лаборатории к дороге.Предполагается, что устройство, известное как плазмотрон, будет недорогим и легко совместимым с существующей технологией двигателей.

Недавно плазмотрон впервые был установлен в двигателе коммерческого автомобиля. Он работал надежно в течение двух недель и оправдал ожидания своих изобретателей по сокращению выбросов загрязняющих веществ, особенно оксидов азота (NOx). Выбросы NOx сократились на два порядка по сравнению с нормальными выбросами двигателя, работающего на бензине.

«Это важная веха в демонстрации возможности установки плазменного риформинга топлива для снижения загрязнения транспортных средств», – сказал Дэниел Р.Кон, руководитель отдела плазменных технологий Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза (PSFC). Доктор Кон представит свою работу 18 ноября на собрании Американского физического общества.

Теперь, когда исследователи успешно соединили плазмотрон с двигателем, следующим шагом будет установка устройства на реальном транспортном средстве. «Мы готовы взять шоу в дорогу», – сказал доктор Кон.

Коллегами доктора Кона по текущей работе являются главный исследователь PSFC Лесли Бромберг, инженер-исследователь PSFC Александр Рабинович, приглашенный научный сотрудник PSFC Николай Алексеев и пять инженеров из Окриджской национальной лаборатории, где проводились испытания двигателя.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

По сути, плазмотрон размером с винную бутылку работает как бортовой «нефтеперерабатывающий завод». Он преобразует различные виды топлива в высококачественный газ, богатый водородом. Известно, что добавление лишь небольшого количества такого газа к ископаемому топливу, используемому в автомобиле, значительно снижает выбросы загрязняющих веществ, таких как NOx.

Топливо, впрыскиваемое в плазмотрон, подвергается электрическому разряду, который превращает топливо и окружающий воздух в электрически заряженный газ или плазму.Плазма ускоряет скорость реакции, позволяя производить газ, богатый водородом.

Плазмотроны традиционно использовались для производства газа, обогащенного водородом, для таких промышленных применений, как металлургическая обработка. Обычно они довольно большие – размером с автомобильный двигатель – и требуют большого количества электроэнергии. «Насколько нам известно, мы первые, кто разработал такой небольшой реактор реформинга топлива с плазменным наддувом, работающий на малой мощности (менее одного киловатта), – сказал доктор Кон.

ТЕКУЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

«Настоящим достижением недавних испытаний была наша способность эксплуатировать наш новый плазмотрон, подключенный к двигателю, в течение длительных периодов времени», – сказал д-р Рабинович. «Мы работали надежно от четырех до шести часов в день в течение двух недель, без каких-либо следов ухудшения».

Кроме того, исследователи обнаружили, что выбросы основных загрязняющих веществ были значительно сокращены. Например, NOx было снижено в среднем с 2700 частей на миллион без плазмотрона до 20 частей на миллион с помощью устройства.

«Это первый раз, когда кто-либо смог объединить компактный реактор реформинга топлива с плазменным наддувом и автомобильный двигатель и продемонстрировать значительное снижение выбросов загрязняющих веществ», – сказал д-р Кон. В реальном автомобиле это сокращение не будет таким значительным (благодаря каталитическому нейтрализатору), но исследователи все же ожидают снижения выбросов NOx в 10 раз. основные функции, необходимые для коммерческой привлекательности. Например, по их оценкам, вся система плазмотрона может стоить не более двух-трехсот долларов. Более того, единственный компонент, который может потребоваться замена, – электрод – стоит очень недорого, и его можно заменить так же легко, как свечу зажигания.

Следующий шаг в работе – установка плазмотрона в реальный автомобиль – потребует интеграции системы с бортовым компьютером автомобиля. Доктор Рабинович также отмечает, что «для плазмотрона потребуется дополнительное пространство, но нет необходимости в серьезном изменении конструкции аппарата.«Команда надеется разместить устройство в автобусе в течение года.

РАЗНООБРАЗИЕ ТОПЛИВА

Последние испытания двигателя проводились с использованием бензина. Однако лабораторные испытания с использованием одного только плазмотрона показали, что устройство также может обрабатывать дизельное топливо и биотопливо. топлива

Хотя в принципе устройство может обрабатывать все топливо для транспортного средства, исследователи говорят, что наиболее экономически выгодно преобразовать только часть топлива в газ, богатый водородом. Это потому, что даже если такой газ увеличивает КПД двигателя, плазмотрон сам потребляет энергию.Наилучшие результаты в недавних испытаниях были достигнуты при преобразовании 25 процентов бензина в газ, богатый водородом.

Плазмотрон вырос из работы, проведенной более 15 лет назад доктором Рабиновичем, который в то время работал инженером в бывшем Советском Союзе. Доктор Алексеев, в то время коллега доктора Рабиновича, приехал в Массачусетский технологический институт в этом году, чтобы присоединиться к своему другу по команде (с тех пор он вернулся в Россию). Плазмотрон также обязан фундаментальным исследованиям в Массачусетском технологическом институте термоядерной энергии, в которых используется плазма.

У исследователей пять патентов, связанных с плазмотроном. Работа поддержана Управлением технологий тяжелой техники Министерства энергетики США.

Что случилось с водородным топливом через плазмотрон?

Нет, это не отвергнутый реквизит из Galaxy Quest . Плазмотрон – это устройство для преобразования нефтяного топлива в газ, богатый водородом. Около десяти лет назад концепция плазмотрона была в моде, и исследователи были заняты тем, что пытались придумать, как создать компактный плазмотрон, который мог бы стрелять водородным топливом в двигатель внутреннего сгорания.

Итак, что случилось?

Изображение (обрезано) Дженни Даунинг с сайта flickr.com, лицензия cc.

Обещание плазмотрона

Плазмотроны – это устройства с электроприводом, обычно используемые для подачи газообразного водорода в металлургическую отрасль. Они не такие уж большие – они могут быть размером с автомобильный двигатель, – но когда вы пытаетесь внедрить эту технологию в движущийся автомобиль, у вас возникают две проблемы: уменьшить его и заставить использовать намного меньше электроэнергии.

В 1990-х годах Министерство энергетики начало финансировать исследования по производству водородного топлива с помощью плазмотрона для транспортных средств, проводимые Массачусетским технологическим институтом, которые были сосредоточены на сокращении выбросов:

… плазмотрон представляет собой бортовую установку «реформинга нефти», которая преобразует различные виды топлива в высококачественный газ, богатый водородом. Известно, что добавление относительно небольшого количества такого газа к бензину, приводящему в действие автомобиль, или к выхлопу дизельного транспортного средства, дает преимущества для сокращения выбросов загрязняющих веществ.

К 2003 году исследования начали давать многообещающие результаты по снижению выбросов в дизельных двигателях. Команда Массачусетского технологического института также обнаружила убедительные доказательства того, что установка для реформинга плазмотрона может значительно повысить эффективность бензиновых двигателей:

… Они прогнозируют, что эффективность бензинового двигателя может быть увеличена до 30 процентов за счет улучшения характеристик, достигаемых за счет добавления газа, богатого водородом.

Что теперь, плазмотрон?

Если вы следили за сравнением электромобилей на батареях и электромобилей на водородных топливных элементах, платформа устойчивости для всей этой штуки с плазмотроном может показаться немного шаткой, поскольку водород получают из ископаемого топлива.

Однако, так же, как область топливных элементов движется к экологически безопасному водороду, в отчете, выпущенном в 2006 году, команда Массачусетского технологического института уже ожидала использования биотоплива для производства водородного топлива на борту.

С тех пор ради свежих новостей из Министерства энергетики и Массачусетского технологического института царит радиомолчание.Если что-то новое попало вам на глаза, оставьте нам сообщение в ветке комментариев.

Следуйте за мной в Twitter и Google+ .

---

Цените оригинальность CleanTechnica? Подумайте о том, чтобы стать участником, сторонником, техническим специалистом или представителем CleanTechnica – или покровителем Patreon.

У вас есть совет для CleanTechnica, вы хотите разместить рекламу или предложить гостя для нашего подкаста CleanTech Talk? Свяжитесь с нами здесь. Плазмотрон

| Научный.Нетто

Влияние метода газо-вихревой стабилизации на качество плазменной резки.

Авторы: И.Ю. Матушкина, С.В. Анахов, Ю.А. Пыкин

Аннотация: Исследованы различные методы газовихревой стабилизации в плазмотронах для резки металла. Показано влияние угла вдувания плазмообразующего газа в сопло на кинематические характеристики плазменной струи.Увеличение радиальной составляющей скорости на выходе из завихрителя позволяет повысить равномерность распределения скорости и кинетические свойства струи в зоне воздействия на металл реза. Для резки тонколистового металла целесообразно использовать технологию «узкоструйной плазмы».

781

Исследование процессов высокотемпературного нагрева материалов для плазменного рециклинга.

Авторы: А.В. Матушкин, С.В. Анахов, Ю.А. Пыкин

Аннотация: Исследованы процессы высокотемпературного нагрева материалов для плазменного рециклинга. Методами математического моделирования определены газодинамические параметры воздушно-плазменного потока в камере смешения плазмотрона для экологических технологий. Определяются характерные температуры, скорости и время нагрева утилизируемого газа в различных областях смесительной камеры.Намечены направления дальнейших исследований и разработок, необходимые для создания технологии плазменного рециклинга с максимальной эффективностью. Рассмотрены также вопросы внедрения плазменного рециклинга на отдельных этапах высокотемпературных технологий.

775

Исследования СВЧ-плазменной обработки хвостов пенной флотации

Авторы: Алмаз Кожонов, Анвар Самсалиев, Юлия И. Топоркова

Резюме: В настоящее время ведется поиск эффективной технологии переработки состаренных золотосодержащих хвостов обогащения на обогатительной фабрике «Солтон-Сары», Кыргызстан. В данной работе исследовалось влияние микроволнового плазменного воздействия на выдержанные хвосты и дальнейшее извлечение золота с помощью пенной флотации. СВЧ-плазменная обработка материала проводилась в присутствии следующих материалов: древесный уголь, уголь / кварц и сульфид молибдена.СВЧ-плазменная обработка позволила улучшить качество флотоконцентратов по содержанию золота со 130 до 227 ppm. Предложены конструкция плазмотрона и методика плазменной обработки. Результаты, представленные в данной статье, представляют ценность для горнодобывающих организаций с точки зрения поиска новых подходов к переработке промышленных отходов и расширения их сырьевой базы.

1044

Оценка эффективности конструкции плазменных горелок для резки металлов квалиметрическим методом

Авторы: И. Ю. Матушкина, С.В. Анахов, Ю.А. Пыкин

Аннотация: Для экспериментального обоснования работоспособности плазмотронов принят технологический регламент испытания параметров качества и безопасности при плазменной резке металлов. Для интегральной оценки полученных результатов предлагается использовать методы квалиметрического анализа, адаптированные к технологии плазменной резки. Полученные интегральные параметры свидетельствуют об эффективности новых плазмотронов, разработанных авторами, по сравнению с производимыми ранее аналогами, а также с современными отечественными и зарубежными образцами.

877

О повышении эффективности стабилизации газового вихря в плазмотроне для резки металла

Авторы: А.В. Матушкин, Ю.А. Пыкин, С. Анахов, И. Матушкина

Аннотация: Отмечено влияние равномерности газораспределения в каналах газовоздушных трактов на эффективность и качество резки металлов для плазмотронов различной модификации. Показано, что применение газодинамических фильтров способствует повышению эффективности и качества плазмотронов с однолинейной схемой воздухо-газового тракта. Представлена ​​методика оценки равномерности газораспределения в каналах металлорежущего плазмотрона.

218

Узкоструйная плазма как энергоэффективная и безопасная технология резки металлов

Авторы: С.Анахов, Ю.А. Пыкин, А. Матушкин

Аннотация: Проведен анализ ряда конструктивных решений резки металла в плазмотронах. На основе представленных решений разработаны новые плазмотроны для прецизионной резки металлов. Эти плазмотроны работают с использованием узкоструйных плазменных технологий и двух газо-воздушных путей. Представлены принципы, методы и сложности проектирования этой технологии. Также представлены некоторые результаты исследования качества резки и акустической безопасности новых плазмотронов. Новая технология резки металла не имеет аналогов на российском рынке и имеет большие преимущества по сравнению с традиционными отечественными и аналогичными зарубежными плазмотронами.

523

Исследование тепловых процессов в электроде под действием электрической дуги.

Авторы: Ольга Дутова, Павел Домаров, Татьяна Ощепкова

Аннотация: В статье рассматривается влияние движущегося пятна дуги на материал электрода плазмотрона.Учтена температурная зависимость теплофизических свойств материала. Рассчитана динамика полей температуры и термических напряжений. Характерной особенностью распределения температур по радиусу электрода является большой градиент температур в узкой зоне вблизи поверхности, который может вызвать большие термонапряжения и микротрещины.

482

Оценка возможности комплексной переработки отходов переработки ОЯТ с использованием воздушной плазмы ВЧ-факелов

Авторы: Александр Г.Каренгин Иван Юрьевич Новоселов Николай Васильевич Тундешев

Резюме: В работе исследуется применение воздушной плазмы радиочастотного факела для комплексной утилизации переработанных отходов ОЯТ, обработанных в виде дисперсных водно-органических композиций (АОС). Исследование показывает целесообразность магнитной сепарации для эффективного извлечения дисперсных твердых частиц, в том числе магнитного оксида железа, образующихся в водных суспензиях.

625

.