А.С. Аньшаков, Г.Г. Волокитин, О.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова
реклама
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет» А.С. Аньшаков, Г.Г. Волокитин, О.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Допущено Учебно-методическим объединением вузов РФ по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника» и специальности «Электротехнологические установки и системы» Томск Издательство ТГАСУ 2014 УДК 691:533.9.15(075) ББК 38.3я7 Э45 Электротехнологические установки для плазменнотермической обработки материалов [Текст] : учебное пособие с грифом УМО / А.С. Аньшаков, Г.Г. Волокитин, О.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.строит. ун-та, 2014. – 126 с. ISBN 978-5-93057-602-3 Пособие соответствует программе дисциплин «Плазменные электротехнологические установки» направление магистерской подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника» магистерской программы «Автоматизированные электротехнологические комплексы» и «Техника и технология обработки строительных материалов плазмой» инженерной подготовки 270113 «Механизация и автоматизация строительства». Рассмотрены различные виды электродуговых плазмотронов, показаны области их применения. Главное внимание уделено физическим процессам, происходящим при формировании дугового разряда в плазмотронах, управлению их энергетическими характеристиками и плазменными потоками. Даны примеры опытно-промышленной реализации плазменной обработки материалов. Предназначено для студентов и магистрантов, изучающих указанные выше дисциплины. УДК 691:533.9.15(075) ББК 38.3я7 Рецензенты: главный научный сотрудник Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СОРАН, д.т.н., профессор В.Н. Ярыгин; профессор кафедры автоматизированных электротехнологический установок и систем национального исследовательского университета МЭИ, д.т.н., профессор В.П. Рубцов; профессор кафедры автоматизированных электротехнологический установок и систем национального исследовательского университета МЭИ, д.т.н., профессор А.Б. Кувалдин. ISBN 978-5-93057-602-3 2 © Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2014 © А.С. Аньшаков, Г.Г. Волокитин, О.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова, 2014 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ........................................................................................ 5 1. Основные свойства дуговой плазмы....................................12 2. Классификация и схемы плазмотронов ..............................23 2.1. Плазмотроны с вихревой стабилизацией дуги .................24 2.2. Плавильные плазмотроны .................................................31 3. Конструктивные решения плазмотронов для поверхностной обработки строительных изделий .................39 3.1. Плазмотроны с вынесенной дугой....................................39 3.2. Плазменные генераторы с обжатой вынесенной дугой для обработки малоразмерных изделий .......................43 3.3. Исследование эрозионных характеристик выносного графитового анода .................................................45 3.4. Формирование плазменных потоков для обработки большеразмерных строительных изделий ..............................52 3.5. Плазмотроны с электромагнитным перемещением дугового разряда ......................................................................56 3.6. Влияние магнитного поля на скорость перемещения дугового разряда и эрозию электродов ...................................59 3.7. Управление параметрами дугового разряда в плазмотронах для обработки строительных материалов................................................................................64 3.8. Дуговой разряд в скрещенных магнитных полях ............67 3.9. Влияние внешнего магнитного поля на производительность обработки поверхности изделий дуговым разрядом ....................................................................72 4. Опытно-промышленные установки для обработки материалов в интересах стройиндустрии................................78 4.1. Плазменная установка для обработки силикатного кирпича .....................................................................................78 4.2. Технологическая линия для создания плазменных защитно-декоративных покрытий на обожженном глиняном кирпиче ....................................................................83 3 4.3. Установка для плазменной обработки бетонных изделий .....................................................................................85 4.4. Автоматизированная плазменная установка «Гермес-010» для обработки большеразмерных строительных изделий .............................................................88 4.5. Получение минерального волокна во вращающемся плазмохимическом реакторе ...................................................92 4.6. Создание износостойких покрытий на рабочих органах строительных машин..................................................99 4.7. Создание низкосорбционных и химически стойких покрытий на строительных изделиях .................................... 108 4.8. Плазменная обработка стеклокристаллического материала сиграна .................................................................. 111 4.9. Плазменное воспламенение низкосортных твердых топлив в топочных устройствах сушильных установок ....... 115 Заключение ................................................................................ 124 Библиографический список .................................................... 125 4 ВВЕДЕНИЕ Электрическая дуга – наиболее концентрированный и высокотемпературный источник тепловой энергии. Она широко применяется, главным образом, при сварке и резке металлов, а также при электродуговой выплавке металлов из руд. С постепенным расширением областей ее применения развиваются научные исследования дугового разряда. Повышенный интерес к электрической дуге возник 40–45 лет назад, но уже в связи с проблемой нагрева газов в аэродинамических трубах для моделирования полетов самолетов с большими сверхзвуковыми скоростями и условий входа космических аппаратов в атмосферу Земли и других планет. Температура газа в этих случаях достигает 10 000 К при 100 атм. и более. Аппарат, предназначенный для производства низкотемпературной плазмы, т. е. газа, нагретого до температуры (3–50)103 градусов, называют, по установившейся терминологии, плазмотроном. В качестве генераторов низкотемпературной плазмы используются электродуговые, ВЧ и СВЧ-плазмотроны мощностью от нескольких киловатт до многих мегаватт. В настоящее время основным и наиболее распространенным способом получения низкотемпературной плазмы является нагрев газа в термической электрической дуге. Плазмотроны, которые используют этот способ нагрева газа, и будут предметом нашего изучения. Сегодня наибольшее распространение получили плазмотроны постоянного тока. Однако с точки зрения промышленного применения плазмотроны переменного тока также представляют несомненный интерес, т. к. переменный ток доступнее постоянного и практически не имеет ограничений по мощности источника питания. Кроме того, стоимость силового оборудования для переменного тока ниже, чем для постоянного. К тому же в последнее время найдены эффективные методы улучшения электрических характеристик плазмотронов переменного тока, когда коэффициент мощности близок к единице и дуга горит устойчиво без балластного сопротивления. 5 Электродуговые плазмотроны в отличие от других нагревательных устройств обладают целым рядом преимуществ. Они позволяют нагревать газ практически при любом давлении среды до температуры десятков тысяч градусов, при этом коэффициент преобразования электрической энергии источника питания в тепловую энергию газа достигает 70–90 %. Параметры нагретого газа легко регулируются изменением режима работы плазмотрона, что позволяет полностью автоматизировать технологический процесс в целом. Ресурс плазмотрона в основном определяется жизнестойкостью электродов и в настоящее время достигает десятков и сотен часов. Это позволило применить генераторы низкотемпературной плазмы в химической, металлургической, металлообрабатывающей, строительной, швейной, горной промышленности и ряде других отраслей производства, в аэрокосмических исследованиях, медицинской технике, астрофизике, а также в научном эксперименте для изучения теплофизических свойств газов при высоких температурах, теплообмена, абляции материалов и т. д. Низкотемпературная плазма явилась мощным интенсифицирующим фактором, резко ускоряющим протекание многих физико-химических процессов. В последние годы она становится основным элементом в новых методах прямого восстановления металлов из руд, получения ультра- и нанодисперсных порошков чистых металлов, карбидов, получения ряда материалов с заранее заданными свойствами. Перспективно и эффективно применение плазменной технологии для комплексной переработки минерального сырья, для извлечения ценных продуктов из вторичного сырья – отходов современного производства. Плазменные процессы охватывают как многотоннажное производство, так и производство в небольшом количестве специальных материалов для новой техники. Применение низкотемпературной плазмы резко увеличивает скорости химических реакций (время контакта составляет 10–3–10–5 с) и, соответственно, приводит к существенной миниатюризации техники. Подавляющее большинство плазмохимиче6 ских процессов, представляющих практический интерес с технологической точки зрения, одностадийные. Плазмохимические процессы хорошо моделируются, оптимизируются и управляются. Здесь также следует заметить, что управление потоком низкотемпературной плазмы может быть осуществлено газодинамическими и электродинамическими методами (т. е. режимом работы плазмотронов), а это позволяет снизить требования к конструкционным материалам генераторов низкотемпературной плазмы и плазмохимических реакторов. Миниатюрность плазмотронов и плазменных реакторов, тепловая безинерционность электрической дуги, исключительно высокие скорости движения реагирующих сред (сотни метров в секунду вместо метров и даже сантиметров в секунду в обычных химических реакторах) позволяют создавать небольшие, но чрезвычайно высокопроизводительные аппараты. Одно из важных мест в современной сварочной технике занимают процессы наплавки металлов. С их помощью на рабочих поверхностях разнообразных изделий получают сплавы с необходимыми свойствами: кислотоупорные, коррозионностойкие, жаропрочные, износостойкие, антифрикционные и т. п. Широкое использование биметаллических конструкций, получаемых путем наплавки, определяется не только техническими, но и экономическими преимуществами. Поскольку энергетические, тепловые и газодинамические параметры струи низкотемпературной плазмы сравнительно легко регулируются в широких пределах, то возможно получать наплавленные слои с заданными физико-химическими и механическими свойствами. Одним из наиболее развитых в настоящее время плазменных процессов является нанесение порошковых покрытий – плазменное напыление. Кроме традиционных областей (ракетная техника и машиностроение) плазменные покрытия в последние годы стали использоваться в атомной энергетике, металлургии, в микро- и радиоэлектронике, авиастроении, технике производства композиционных материалов, в строительстве (внутренняя 7 и внешняя отделка зданий) и других отраслях народного хозяйства. Плазмой можно наносить покрытия из металлов и сплавов, окислов, карбидов, нитридов и материалов, состоящих из нескольких компонентов, в т. ч. неметаллических. Современные плазменные установки распыляют материалы, подаваемые в плазмотроны в виде проволоки, гибких шнуров и порошка. В рассмотренных плазменных процессах – наплавка и нанесение покрытий – в первую очередь решаются вопросы взаимодействия плазмы с твердым телом. К ним относятся местный нагрев, плавление основного и присадочного материала или плавление, распыление и ускорение плазмой частиц вещества. Удельная мощность, которую позволяют получать на поверхности твердого тела современные технологические плазменные установки, достигает 105–106 Вт/см2 при обработке плазменной дугой и 103–104 Вт/см2 при ведении процесса плазменной струей. В зависимости от требований процесса удельная мощность плазменной струи может варьироваться в широких пределах, рассредоточиваться на большой площади, обеспечивая равномерный подогрев поверхности. Это свойство плазменной струи используется при наплавке и напылении, а также при термообработке изделий. Перечень технологических процессов с использованием низкотемпературной плазмы не ограничивается приведенными здесь примерами, но уже из вышесказанного следует, что электродуговые плазмотроны по праву занимают в настоящее время заметное место в новой технике. Это стало возможным благодаря успешным теоретическим и экспериментальным исследованиям поведения электрической дуги в условиях обдува ее газовым потоком, взаимодействия дуги с электродами, стенками канала и внешними магнитными полями, изучению устойчивости горения дуги, теплообмену дуги с потоком, а также исследованиям других фундаментальных физических процессов, которые происходят в разрядной камере плазмотронов. Однако и на сегодняшний день остаются неясными целый ряд явлений и процессов, связанных с горением дуги в плазмотроне. 8 Трудность теоретических исследований обусловлена многофакторностью и сложностью процессов, протекающих в электрической дуге. В плазме дуги присутствуют частицы с самыми различными свойствами и законами взаимодействия (молекулы, радикалы, атомы, ионы, электроны), в ней происходят разнообразные процессы переноса (теплопроводность, электропроводность, излучение, турбулентность). Кроме того, дуга в плазмотроне взаимодействует со стенками канала, в котором она находится. В ряде случаев существует еще внешнее магнитное поле, которое осложняет анализ и без того многообразной картины взаимодействия различных процессов в электрической дуге. На преодоление этих трудностей направлены сегодня усилия многих специалистов. Основным методом исследования дуги в плазмотроне и плазмотрона в целом остается эксперимент. Медленные темпы экспериментальных исследований в прошлом были обусловлены, главным образом, техническими трудностями, связанными с наличием высокой температуры дуги. Понадобилась разработка специальных материалов, охлаждаемых датчиков, новых спектроскопических методов измерения температуры в дуговом разряде и т. д. Несмотря на определенные успехи в экспериментальном исследовании сегодня некоторые проблемы в изучении процессов в плазмотронах ждут еще своего решения. Отметим некоторые из них. Одной из главных проблем остается обеспечение длительного ресурса электродов, которые разрушаются в зоне привязки дуги. Плотность тока у поверхности металлических электродов достигает величины 103–105 А/см2, в результате чего удельные тепловые потоки в пятнах дуги оказываются настолько большими, что материал электродов без принятия дополнительных мер интенсивно плавится, испаряется и уносится потоком газа. Процесс разрушения электродов – многогранный тепло- и электрофизический процесс, сущность которого до сих пор еще полностью не раскрыта. Однако в настоящее время наметилось несколько 9 путей решения проблемы повышения ресурса работы электродов плазмотрона. Один из них основан на рассредоточении теплового потока от пятна на большую площадь путем перемещения его по поверхности с достаточно большими скоростями. Второй путь связан с использованием электродов, изготовленных из тугоплавких материалов (вольфрам, рений, цирконий, гафний, углерод). Возможны также и такие пути, как создание композиционных материалов с малой работой выхода электронов, использование дополнительного потока заряженных частиц и т. д. Важной является также проблема снижения потерь тепла в стенке дуговой камеры с целью повышения теплового к.п.д. плазмотрона. Нагрев газа в плазмотронах до высоких температур в условиях турбулентного потока ставит на новый уровень вопросы защиты канала от больших тепловых потоков, передаваемых конвекцией и излучением. Эта проблема может быть решена, например, путем вдува защитного газа через пористые стенки канала либо использования газовой завесы при вдуве холодного газа в местах интенсивного теплообмена горячего газа со стенкой. Работы по созданию плазмотронов и их применению в различных отраслях промышленности, конечно, не ограничиваются выявлением физической сущности процессов взаимодействия дуги с внешней средой и нахождением практических методов борьбы с нежелательными явлениями. Для того чтобы спроектировать и построить плазмотрон, который мог бы обладать требуемыми характеристиками, необходимо уметь его рассчитать, т. е. заранее определить его электрические, тепловые и газодинамические параметры. Однако ввиду сложности определяющих процессов, протекающих в плазмотроне, эта задача не решена даже для случая дуги постоянного тока. Вследствие этого основным методом расчета плазмотронов в настоящее время является полуэмпирический метод, основанный на экспериментальном нахождении критериальных зависимостей для геометрически и кинематически подобных схем плазмотронов. Полезно заметить, что основной вклад в обоснование и практическое при10 менение критериальных соотношений для прогнозирования характеристик плазмотронов внесли работы советских ученых (С.С. Кутателадзе, М.Ф. Жуков, О.И. Ясько, Г.Ю. Даутов и др.). В заключение необходимо отметить следующее: до недавнего времени не были ясны основные физические процессы, протекающие в дуговых плазмотронах, методы их расчета и проектирования. Теперь же, благодаря успешным теоретическим и экспериментальным исследованиям электрической дуги, горящей в условиях ее обдува газом и под воздействием магнитного поля, выяснению фундаментальных физических явлений в разрядной камере, разработке критериев подобия дугового разряда, появилась возможность не только заложить основы разработки плазмотронов, но и передать в промышленность высокоэффективные генераторы низкотемпературной плазмы для реализации новых технологических процессов. 11 1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ДУГОВОЙ ПЛАЗМЫ В настоящее время наибольшее распространение для получения низкотемпературной плазмы получили электродуговые плазмотроны. Простейшая схема такого плазмотрона с газовихревой стабилизацией дуги приведена на рис. 1.1. Рис. 1.1. Схема плазмотрона с газовихревой стабилизацией дуги: 1 – катод; 2 – трубчатый анод; 3 – дуга; 4 – соленоид; 5 – кольцо закрутки (изолятор); 6 – плазменная струя Электрическая дуга представляет собой самоподдерживающийся разряд в газе, характеризуемый большой плотностью тока (сила тока выше 1 А) и малым катодным падением потенциала (менее 20 В). Дуговой разряд может возникнуть либо при разведении первоначально соприкасавшихся контактов, либо при искровом пробое промежутка между контактами, либо путем перехода от тлеющего разряда при увеличении силы тока. На рис. 1.2 приведена типичная зависимость прикатодного падения потенциала от силы тока при переходе от тлеющего разряда к дуговому. Для такого перехода характерно резкое снижение Uк с ростом I при одновременном снижении общего падения потенциала. Если катодное падение в тлеющем разряде обычно имеет порядок 100 В и выше, то в дуговом разряде оно составляет лишь 12 10–15 В. Причина этого различия заключается в разных процессах переноса электричества в прикатодных областях и разных способах передачи энергии электрического поля газу. Эмиссия электронов с катода в тлеющем разряде происходит благодаря бомбардировке катода ионами, ускоренными в сильном прикатодном поле, а также вследствие фотоэффекта от излучения газа в разряде. Электроны, вышедшие из катода, разгоняются в прикатодном поле до энергии, достаточной для ионизации атомов. Передача энергии электрического поля среде, в которой горит разряд, осуществляется путем электронных ударов. Рис. 1.2. Зависимость падения потенциала от силы тока Если повышать силу тока разряда, то благодаря увеличению числа электронных ударов возрастает температура газа вблизи катода, и с некоторого момента основную роль в ионизации газа начинает играть термическая ионизация, при которой температура электронов близка к температуре ионов и нейтральных частиц. Вследствие этого отпадает необходимость в большом падении потенциала вблизи катода, на котором электроны набирали большую энергию. Выход электронов из катода осуществляется теперь в основном либо термоэлектронной эмиссией (при боль13 шой температуре катода), либо автоэлектронной эмиссией (при малой температуре). Непосредственно к катоду прилегает область катодного падения потенциала, в которой наблюдается высокая напряженность электрического поля, достигающая величины 105–108 В/см. Однако вследствие малой протяженности этой области (сравнимой со средней длиной свободного пробега электрона) падение потенциала в этой области невелико и обычно находится между потенциалами ионизации паров материала катода и газа, в котором горит дуга. Непосредственно к положительному электроду примыкает область анодного падения потенциала. Ее протяженность больше области катодного падения потенциала, анодное падение напряжения составляет несколько вольт, градиент потенциала здесь значительно меньше, чем в прикатодной области. Перенос электричества в прикатодной области осуществляется электронами, эмитируемыми с поверхности катода, и ионами, которые приходят из столба дуги или рождаются в катодном слое. В прианодной области электричество переносится в основном электронами, уходящими из дугового столба в анод. Протяженность приэлектродных зон разделения зарядов имеет порядок нескольких длин свободного пробега частиц (при атмосферном давлении примерно 10–4 см). Поэтому напряженность электрического поля в этих областях должна быть очень большой. Например, у поверхности катода она оценивается величиной порядка 106–108 В/см. Именно благодаря этому возможна полевая (автоэлектронная) эмиссия электронов из холодного катода. Между электродами располагается столб дуги, состоящий из ионизированного электропроводного газа. В длинных дугах, которые в основном имеют место в плазмотронах, основная доля подводимой газу мощности выделяется в столбе дуги; вклад катодного и анодного падения потенциалов в общий энергетический баланс дуги невелик. Газ, в котором горит дуга, состоит из электронов, ионов, возбужденных и нейтральных атомов, молекул. Такой газ, со14 держащий заряженные частицы и поэтому обладающий электрической проводимостью, в физике принято называть плазмой. При этом объемные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов практически одинаковы, а доля этих частиц сравнительно велика. Под действием приложенного электрического поля в дуговой плазме происходят элементарные процессы: возбуждение, ионизация, диссоциация ударом, рекомбинация, захват электрона молекулой, разнообразные соударения рода и т. д. Возбуждение атома или молекулы, т. е. переход от нормального состояния с минимальной энергией W0 к состоянию с большей энергией Wi, может происходить под действием другого атома (молекулы), электрона, иона или светового кванта по схеме (А, В – тяжелые частицы; е – электроны; hv – световые кванты): A e A* e, A B A* B, A hv A*. Ионизация представляет собой предельный случай электронного возбуждения, когда электрон, связанный в атоме, приобретает энергию, достаточную для отрыва атома и перехода в непрерывный спектр. Ионизацией нейтральной молекулы называют расщепление ее на положительный ион и один или несколько свободных электронов. Причиной этого явления могут быть: удар электрона, удар иона, удар нейтральной молекулы в нормальном состоянии, удар возбужденной молекулы (удар второго рода), поглощение фотона (фотоионизация) и другие процессы. Ионизации любым из перечисленных способов может подвергнуться как нормальная молекула (прямая ионизация), так и возбужденная (ступенчатая ионизация). В зависимости от числа отщепленных электронов различают однократную и многократную ионизации. В результате ионизации молекул газа в нем появляются носители заряда – электроны и ионы. 15 Основные реакции ионизации можно записать в форме A e A e e, A B A B e, атомы в основном состоянии; A hv A e. (1.1) A* e A e e, A* B A B e, атомы в возбужденном состоянии. A* hv A e. Новые ионы в газе образуются также при других элементарных процессах: диссоциации многоатомной молекулы на положительный и отрицательный ионы, ионизации молекулы ионом с захватом последним освободившегося электрона (передача заряда или перезарядка иона), захвате электрона нейтральной молекулой с образованием отрицательного иона. Поэтому иногда под термином «ионизация газа» понимают всякий элементарный процесс, приводящий к возникновению в газе носителей заряда. Обратные процессы, соотношение (1.1), идущие справа налево, приводят к рекомбинации электронов с ионами: первые два представляют собой рекомбинации в тройных столкновениях с участием электрона или тяжелой частицы в качестве третьей, последняя реакция – фоторекомбинация или фотозахват электронов (с излучением). Нейтрализация носителей заряда происходит в самом газе и на граничащих с ними поверхностях твердых тел (последнее преобладает при низких давлениях). Важнейшие виды рекомбинации: 1) рекомбинация положительного иона с электроном, проходящая с излучением или тройном ударе; 2) рекомбинация положительного иона с отрицательным ионом – с образованием возбужденной молекулы, с излучением, в тройном ударе. В отличие от ионизации, рекомбинация происходит с выделением энергии; результирующая система обладает меньшей внутренней энергией, чем исходная. 16 Наряду с направлением движения под действием электрического и магнитного полей электроны или ионы могут испытывать общий перенос (дрейф) вследствие неравномерного распределения их в пространстве. Наличие градиента концентрации каких-либо частиц влечет за собой их диффузию в направлении убывающей концентрации. Это явление имеет место почти при всех видах электрического тока в газе: электроны и ионы диффундируют как в радиальном направлении (от оси тока к периферии или к стенкам), так и в продольном (из одних областей тока в другие). Диффузия заряженных частиц, как и диффузия нейтральных молекул, происходит вследствие их хаотического теплового движения. Поэтому в отличие от тока, обусловленного полем, плотность тока диффузии определяется совсем другими факторами: она тем больше, чем выше градиент концентрации и чем больше средняя скорость теплового движения. Но специфической особенностью диффузии носителей заряда является то, что она почти никогда не происходит в чистом виде, без всякого участия электрического поля. Напротив, упорядоченное перемещение заряженных частиц в определенную сторону само по себе вызывает возникновение или изменение электрического поля. В одних случаях оно содействует диффузионному току, в других – противодействует ему; но всегда результирующий ток при наличии диффузии заряженных частиц есть сумма тока диффузии и тока поля. Поэтому ток диффузии является обычно одним из важных слагаемых в общей сложной картине электрического тока в газе (например, ток диффузии электронов равен eDegradne). Между коэффициентами подвижности Be и диффузии De существует простое соотношение Эйнштейна. De kT Be e U U Be , D 1 . Е n n (1.2) 17 Пользуясь соотношением p = nkT, это соотношение можно представить в общем виде D p , (1.3) B nq где p – парциальное давление газа, состоящего из рассматриваемых частиц; n – их концентрация. По определению плазма есть особое состояние вещества, в простейшем случае однородного, химически простого газа. Но поскольку она всегда состоит из частиц различных сортов, ее можно рассматривать как смесь нескольких различных газов: газов нормальных и возбужденных нейтральных молекул и атомов, электронного, фотонного и ионного газов. Одной из существенных характеристик смеси газов является распределение скоростей частиц этих газов. Если газовая смесь находится в состоянии теплового равновесия или близко к нему, то скорости молекул каждого из ее компонентов распределены по закону Максвелла и температуры компонентов равны. Плазма, удовлетворяющая условию Te Tg T p ... T (причем T повсюду одинакова: gradT = 0), называется изотермической плазмой. При этом подразумевается, что все равновесные процессы в плазме, как кинетические, так и химические (например, процессы диссоциации и ионизации между атомами и молекулами, ионизации и рекомбинации между атомами и электронами), равно как и общие свойства плазмы в целом (например, средняя тепловая скорость компонент, излучение, электропроводность, теплопроводность), являются однозначными функциями температуры, единой для всех плазменных частиц. В реальных условиях такое полное равновесие не имеет места, т. к. вследствие конечности размеров области, занятой плазмой, в результате диффузии заряженных и нейтральных частиц, излучения и потоков тепла в окружающее пространство 18 возникают разности концентрации и температур между центральными областями и периферией, т. е. тепловое равновесие постоянно нарушается. Если температуры компонентов плазмы Te, Tp, Tg, …, хотя и меняются от точки к точке, но в каждой точке между собой приблизительно равны, то речь идет о почти изотермической (или квазиизотермической) плазме. Выделение большого количества джоулева тепла в положительном столбе дуги приводит к появлению в нем условий, способствующих установлению локального термического равновесия. Оценим условия, при которых плазма может считаться квазиизотермической. Пусть энергия, приобретаемая электронами в электрическом поле дуги, полностью передается тяжелыми частицами через упругие столкновения 3 E 2 K Te Tg veg ne , (1.4) 2 где – проводимость плазмы, равная e 2 e ne meVe ; е – заряд электро- на; e – длина свободного пробега электрона в газе, определяемая через концентрации всех компонентов плазмы nk и сечения 1 соударения Qek, e nk Qek ; Ve – тепловая скорость элек k тронов, Ve частиц; 8kT me 2me mg ; Te , Tg – температура электронов и тяжелых – доля энергии, передаваемая электроном при упругом ударе; me , mg – массы электронов и тяжелых частиц; veg Ve e – частота соударений электронов с тяжелыми частица- ми; ne – концентрация электронов. 19 Соотношение (1.4) можно привести к следующему виду: 2 T T mg eE T 3 e g e . Te Te 32 3 kT me 2 (1.5) Комплекс в скобках имеет смысл отношения энергии, набранной электроном на длине свободного пробега в электрическом поле, к кинетической энергии теплового движения. Можно видеть, что большая напряженность поля и пониженное давление препятствуют установлению равновесия (что характерно для приэлектродных областей в дугах высокого давления), и наоборот, малая напряженность поля (следовательно, большая сила тока) и повышенное давление способствуют установлению термического равновесия. Для примера на рис. 1.3 показано сближение температур электронов Te и тяжелых частиц Tg с ростом давления. Рис. 1.3. Изменение температур электронов Te и тяжелых частиц Tg с ростом давления 20 В плазме воздуха и паров металлов равновесие в положительном столбе дуги устанавливается при давлении р 1 атм. В инертных газах из-за преобладания фотопроцессов (излучение не поглощается в плазме) квазиизотермичность выполняется лишь при больших токах. Например, для аргона (при токе 500 А) Е = 13 В/см, е = 310–4 см, mg me 7 104 , Т = 310 4 К, Т/Т = 2 %. Для водоро- да при Т = 1104 К, р = 1 атм., Е = 50 В/см, относительная разность температур Т/Т = 1,4 %. Для свободно горящих дуг Т/Т при р 1 атм составляет 2–3 % и зависит от рода газа и напряженности поля. В изотермической плазме кинетическая энергия, по крайней мере, некоторой части молекул достаточна, чтобы наряду с электронными ударами вызывать ионизацию газа при соударениях между молекулами; этот процесс называют термической ионизацией. Степень ионизации газа х определяется уравнением Саха, вытекающим из условия равновесия между процессами ионизации и рекомбинации; 5/2 2 g p 2me 3/2 kT x2 g g h 2 p 1 x2 e e0Ui kT . (1.6) Здесь g p и g g – статистические веса ионов и тяжелых частиц; h – постоянная Планка; p – парциальное давление. Если подставить сюда численные значения постоянных и выразить p в мм рт. ст., Ui – в вольтах, Т – в К, то получим: 5/2 1160Ui x2 4 g p T 4, 9 10 e T . gg p 1 x2 (1.7) Формула показывает, что степень ионизации растет с повышением температуры газа и с повышением давления. В слу21 чаях, встречающихся на практике, обычно х << I; пренебрегая х2 сравнительно с I, находим 5/4 5800U i 2 g p T x 2, 2 10 e T . (1.8) g g p1/2 Концентрация свободных электронов в этом случае 5800Ui p 6 gp 1/4 ne xng x 1,9 10 ng T e T . kT gg (1.9) Как видно из последних формул, при данной температуре с ростом давления газа концентрация электронов растет по абсолютной величине, но убывает по относительной величине. Дуговой разряд практически всегда квазинейтрален, т. е. локальные концентрации ионов и электронов близки друг к другу ne np. Во-первых, заряженные частицы в равных количествах получаются из нейтральных. Во-вторых, при имеющихся плотностях заряженных частиц (1014 см–3 и выше) требуются слишком большие силы для получения избытка заряженных частиц одного типа (например, путем диффузии электронов, разделением зарядов в сильном электрическом поле и др.). Оценим, при каких условиях в плазме дугового разряда существует квазинейтральность. Используем уравнение Пуассона. divE e n p ne , (1.10) где np и ne – концентрации ионов и электронов; – диэлектрическая постоянная. Так как в центральной части столба дуги Е практически не меняется по радиусу, то величину divE следует оценить по изменению напряженности вдоль оси канала. Задаваясь значительно завышенным изменением напряженности порядка 103 В/см, получим np – ne 108 см–3, что для дуг при атмосферном давлении является очень далеким нижним пределом (ограничением снизу). 22 2. КЛАССИФИКАЦИЯ И СХЕМЫ ПЛАЗМОТРОНОВ Несмотря на многообразие конструкций плазмотронов, обусловленных различными областями применения и параметрами существующих источников питания, в основе их лежит ограниченное количество принципиальных схем. Отличаются они, главным образом, способом пространственной стабилизации разряда и мерами по снижению эрозии электродов в зоне действия опорных пятен дуги. По первому признаку плазмотроны можно разделить на следующие группы: со стабилизацией дуги стенками; с вихревой стабилизацией дугового разряда; со стабилизацией дуги магнитным полем; со стабилизацией дугового разряда электродами; комбинированной схемы. По конструктивным решениям, связанным со снижением эрозии электродов, плазмотроны можно разделить на две группы: 1) с неподвижным опорным пятном дуги на «горячем» катоде; 2) с подвижными дуговыми пятнами, когда приэлектродные участки дуги перемещаются под действием аэродинамических или электродинамических сил (или обеих сил одновременно). Не менее важны и другие определяющие признаки, по которым необходимо продолжить классификацию электродуговых плазмотронов: – по роду тока – постоянного и переменного промышленной частоты; – по способу обдува дуги газом – продольно и поперечно обдуваемые; – по длине дуги – самоустанавливающаяся и фиксированная; – по роду нагреваемого газа – инертный, восстановительный, окислительный; – по типу катода – горячий и холодный; – по числу вихревых камер – одно- , двух-, трехкамерные; – по количеству разрядов – одно- и многодуговые. 23 По конструктивным решениям дуговые плазмотроны можно разделить на два типа: – плазмотроны косвенного действия (струйные), в которых дуга горит внутри разрядной камеры между электродами, которые являются элементами его конструкции; – плазмотроны прямого действия (плавильные), в которых одно из опорных пятен дуги вынесено на нагреваемый объект (расплавленный металл или металлические изделия при сварке и резке). Следует заметить, что проведенная классификация схем плазмотронов весьма условна, т. к. она охватывает далеко не все возможные варианты, а многие схемы плазмотронов сочетают в себе признаки разных групп. Выбор той или иной схемы плазмотрона определяется требуемой температурой нагрева и степенью чистоты генерируемого газа, используемым источником питания, мощностью дугового разряда и эффективностью нагрева газа, заданным ресурсом и т. д. На выбор схемы влияют род газа, потребное давление, требования по пространственной и временной однородности потока нагреваемого газа, технологические и габаритные требования, связанные с назначением плазмотрона, и т. д. 2.1. Плазмотроны с вихревой стабилизацией дуги Эта группа плазмотронов наиболее многочисленна. В большинстве случаев в них для стабилизации дуги используется закрученный поток газа, поэтому плазмотроны такого типа и называются плазмотронами с газовихревой стабилизацией дуги. Закрутка газа осуществляется с помощью вихревой камеры (одной или нескольких), в которой вращательный импульс сообщается газу за счет его тангенциального ввода в камеру. Некоторые схемы плазмотронов рассматриваемой группы приведены на рис. 2.1, 2.2. 24 а б в Рис. 2.1. Плазмотроны с вихревой стабилизацией дуги (самоустанавливающаяся дуга): а – плазмотрон однокамерный с торцевым электродом; б – плазмотрон однокамерный с полым электродом; в – плазмотрон двухкамерный; 1 – электроды; 2 – дуга; 3 – соленоид; 4 – кольцо закрутки Рассмотрим схему плазмотрона на рис. 2.1, а. В нем вихревая камера расположена между плоским, или стержневым, электродом и выходным трубчатым металлическим электродом. Из вихревой камеры газ вытекает в межэлектродный зазор через кольцо закрутки (которое, как правило, является и изолятором между электродами), подхватывает дугу (зажженную какимлибо способом в межэлектродном промежутке) и растягивает ее в направлении течения потока. Столб дуги стабилизируется на 25 оси выходного электрода из-за градиента давления в вихре. Радиальный участок дуги замыкает ее осевую часть на электрод. Между столбом дуги с переменным по длине потенциалом и выходным электродом с постоянным потенциалом возникает переменная по длине разность. Под действием этой разности потенциалов между дугой и стенкой электрода вверх по потоку происходит слаботочный разряд, приводящий к пробою этого промежутка. Удлинение дуги, которое приводит к увеличению разности потенциалов между осевой частью столба дуги и электродом, приводит к пробою промежутка «дуга – стенка электрода» в некотором сечении канала (на рис. 2.1 обозначено ) и образованию нового, укороченного участка дуги. Укороченная дуга вновь растягивается газовым потоком до момента возникновения нового пробоя. Этот процесс, получивший название шунтирование дуги, ограничивает длину разряда и падение напряжения на нем. Дуга такого типа называется дугой с самоустанавливающейся длиной. В рассматриваемой схеме торцевой электрод работает, как правило, в режиме термокатода с неподвижным пятном (вольфрам, графит, цирконий, гафний, молибден и др.). Материал термокатода выбирается в соответствии с нагреваемой рабочей средой или защитным газом. Для устранения избирательности по газу и ограничений по роду тока схему (рис. 2.1, а) можно видоизменить, заменив торцевой электрод на полый цилиндрический электрод (рис. 2.1, б) или применив схему (рис. 2.1, в). В последней имеются две вихревые камеры: центральная (основная) и торцевая (дополнительная). Через обе камеры в одном и том же направлении подается газ с определенным соотношением расхода, изменением которого можно (в небольших пределах) регулировать напряжение и мощность дуги. Радиальный участок во внутреннем электроде вращается в месте встречи двух потоков, поступающих из вихревых камер. 26 В приведенных схемах плазмотронов уменьшение эрозии электродов может быть достигнуто путем наложения осевого магнитного поля на область вращения радиальных участков дуги. Внешнее магнитное поле создается соленоидами, включенными или в цепь дуги, или в цепь независимого источника питания. Возможно также применение постоянных кольцевых магнитов. Следует заметить, что шунтирование дуги в плазмотронах с вихревой стабилизацией дуги и гладкими цилиндрическими (трубчатыми) электродами приводит к колебаниям дуги, ограничению ее мощности, пульсациям потока нагреваемого газа и является одной из причин формирования падающей вольтамперной характеристики (ВАХ) дуги. Следующей разновидностью плазмотронов с газовихревой стабилизацией дуги являются плазмотроны с фиксированной длиной дуги (рис. 2.2). а б Рис. 2.2. Плазмотроны с вихревой стабилизацией дуги (фиксированная длина): а – плазмотрон с секционированной МЭВ; б – плазмотрон со ступенчатым выходным электродом; 1 – катод; 2 – анод; 3 – дуга; 4 – кольцо закрутки; 5 – секция МЭВ; 6 – изолятор; 7 – соленоид 27 Качественно новой особенностью таких плазмотронов является возможность получения восходящей ВАХ дуги. Для осуществления этой возможности необходимо предотвратить процесс сокращения длины дуги с ростом тока, т. е. устранить пробой дуги на стенку канала (шунтирование дуги). Этого можно достичь следующими путями: а) постановкой длинной межэлектродной секции из изолятора или изолированных коротких металлических охлаждаемых секций. Межэлектродная вставка (МЭВ) из таких секций эффективно работает в диапазоне токов, при которых длина вставки больше длины самоустанавливающейся дуги. В схеме плазмотрона (рис. 2.2, а) падение напряжения на дуге больше, чем в плазмотроне с самоустанавливающейся длиной дуги благодаря увеличению длины дуги. А это означает, что в дугу можно вложить большую мощность и получить большую температуру газа. Для уменьшения тепловых потерь в стенки дугового канала используется вдув холодного газа между секциями, что увеличивает электрическую прочность промежутка «дуга – секция» и защищает стенку от конвективного теплового потока. б) газодинамическим путем, т. е. путем резкого перехода с одного диаметра выходного электрода на больший (применение уступа) (рис. 2.2, б). В этом случае фиксированная средняя длина дуги меньше, чем самоустанавливающаяся дуга. ВАХ дуги имеет как падающий, так и восходящий участок. Приведенные конструктивные схемы струйных плазмотронов позволяют классифицировать их как три больших класса. 1. Плазмотроны с самоустанавливающейся длиной дуги, которая определяется механизмом шунтирования (см. рис. 2.1). При наличии в этих конструкциях трубчатого (гладкого цилиндрического) выходного электрода ВАХ дуги имеет падающий вид (рис. 2.3, кривая 1). 2. Плазмотроны с фиксированной средней длиной дуги, меньше самоустанавливающейся (рис. 2.2, б). При этом ВАХ дуги имеет U-образную форму (рис. 2.3, кривая 2). 28 3. Плазмотроны с фиксированной средней длиной дуги, больше самоустанавливающейся (рис. 2.2, а). ВАХ дуги в ней слабопадающая (рис. 2.3, кривая 3). G U2 Рис. 2.3. Вольт-амперные характеристики дуги трех классов линейных плазмотронов Из анализа U–I-характеристик этих трех классов плазмотронов (рис. 2.3) следует, что одинаковую мощность дугового разряда Р можно получить, применяя одну из схем плазмотронов с учетом I3 < I1 < I2 и уровня напряжений Ui (i = 1, 2, 3). Выбор конструкции того или иного плазмотрона определяется многими факторами (необходимая мощность, располагаемый источник питания, ресурс непрерывной работы и др.) для конкретного технологического процесса. Нельзя считать, что плазмотрон с секционированной МЭВ эффективнее плазмотрона со ступенчатым выходным электродом, хотя I3 < I1. Сложность конструкции и падающая ВАХ дуги устройства с МЭВ могут лишить его преимущества перед плазмогенератором со ступенчатым электродом – такой плазмогенератор обладает конструктивной простотой и восходящим участком ВАХ (при одинаковых мощностях обоих устройств). 29 На рис. 2.4 показана изометрия плазмотрона типа ЭДП-107 А со ступенчатым выходным электродом мощностью до 500 кВт (его схема дана на рис. 2.2, б), а на рис. 2.5 приведена фотография этого плазмотрона. 6 1 9 2 8 7 3 5 4 Рис. 2.4. Электродуговой плазмотрон ЭДП-107 А в разрезе: 1 – вольфрамовый катод; 2 – межэлектродная вставка; 3 – проставка ступенчатого электрода; 4 – анод; 5 – соленоид; 6 и 7 – изоляторы; 8 – узел подачи рабочего газа; 9 – узел подачи защитного газа Рис. 2.5. Плазмотрон ЭДП-107 А 30 2.2. Плавильные плазмотроны 2.2.1. Плазмотрон с термоэмиссионным катодом В плавильных плазмотронах дуга вынесена за пределы разрядной камеры и одно из опорных пятен дуги привязано к нагреваемому изделию или направлено на расплавляемый металл – изделие или расплавляемый металл в таком случае служит одним из электродов сильноточной дуги. Это так называемые плазмотроны с дугой прямого действия (в отличие от струйных плазмотронов с дугой косвенного действия). К этому классу относятся плазмотроны для плавки, резки и сварки металлов. Плавильный плазмотрон по конструктивному решению представляет собой катодный узел (рис. 2.6). Катод плазмотрона – стержневого типа, из тугоплавкого металла, обычно вольфрама. В промышленных мощных плавильных плазмотронах используется резьбовое или цанговое крепление вольфрамового стержня. Плазмообразующий газ (аргон) подается в полость, образуемую катододержателем и корпусом, и вытекает в кольцевую щель между электродом и соплом. Сопло предназначено для формирования потока газа в катодной области дуги, который стабилизирует разряд и обеспечивает конвективный перенос тепла от плазмы столба дуги к ваннеаноду. Помимо этого, сопло служит стартовым электродоманодом при поджиге дуги. Так как длина электрической дуги плавильного плазмотрона и, следовательно, падение напряжения на ней определяются размером и конструкцией печи или толщиной разрезаемого металла, а не плазмотрона, то при определении типоразмеров плазмотронов целесообразно говорить не о мощности, а о номинальном токе. В настоящее время существуют промышленные плазмотроны на токи до 10 кА. В диапазоне токов 1–6 кА оптимальный диаметр катода dК определяется по формуле I 12d К2 (I, A; dК, мм). 31 4 1 2 dK dC h H 3 Рис. 2.6. Схема катодного узла плавильного плазмотрона: 1 – катод; 2 – катододержатель; 3 – сопло; 4 – канал для аргона Для обеспечения ресурса непрерывной работы термоэмиссионного катода в промышленных плазмотронах электротехнологических установок в течение примерно 100 ч необходимо реализовать на катоде горение дуги без пятна, когда плотность тока термоэмиссии составляет 102–103 А/см2. Катод из чистого вольфрама при токе I ~ 1000 A не обеспечивает режим дуги без пятна и быстро разрушается из-за плавления и испарения при значительных тепловых нагрузках в катодном пятне. Для увеличения термоэмиссионных свойств катода в вольфрам вводятся легкоионизирующиеся добавки в виде диоксидов тория, лантана, иттрия, что приводит к снижению работы выхода электронов с рабочей поверхности катода до 2,7 эВ (для чистого вольфрама е = 4,52 эВ). Концентрация активирующих добавок, как правило, составляет 1–2 % об. Например, торированный вольфрам ВТ-10 содержит 1 % ThO2, лантанированный ВЛ-20 – 2 % La2O3. При этом тепловое состояние вольфрамового стержня должно быть таким, чтобы обеспечивать оптимальное, с точки зрения длительности работы, поступление активатора к рабочей по32 верхности катода. Здесь важное значение имеют режим охлаждения электрода и диаметр катода для заданного тока. Интенсивное разрушение катода начинается после того, как вольфрам на некоторой глубине вблизи рабочей поверхности обедняется присадками. Поэтому вольфрамовый стержень должен быть прогрет на возможно большую глубину, чтобы легирующие присадки могли продиффундировать к рабочему торцу катода из возможно большего объема стержня. Резкое изменение тока дуги в сторону его уменьшения приводит к изменению теплового состояния катода и переходу в режим горения дуги с катодным пятном. Более массивный катод, рассчитанный на работу при большом токе, например, 6–10 кА, при снижении тока до 2–3 кА может охладиться до такого состояния, при котором ограничивается поступление присадки к рабочей поверхности катода. Как следствие, в этом случае образуется дуга с пятном, и катод быстро разрушается. Удельная эрозия вольфрамового катода сильноточной дуги в режиме без пятна в аргоне при атмосферном давлении составляет G = 10–12–10–10 кг/Кл. При таких значениях G ресурс катода составляет примерно 100 ч и более (при оптимальных соотношениях тока дуги и диаметра вольфрамового стержня). 2.2.2. Плазмотрон с термохимическим катодом Для воздушно-плазменной резки металлов и плазменнотермической обработки поверхностей строительных изделий применяются дуговые плазмотроны с термохимическими катодами. Рабочим элементом катода является гафниевая (реже циркониевая) вставка, запрессованная в медный водоохлаждаемый держатель. Под действием катодного пятна дуги в воздушной среде на торце гафниевой вставки образуется высокотемпературная оксонитридная эмиссионная пленка, которая обеспечивает требуемый ток эмиссии и надежно защищает от дальнейшего окисления холодную часть вставки. Образовавшаяся пленка обладает не только хорошими эмиссионными свойствами, но и высокой теплопро33 водностью и термостойкостью (например, температура плавления нитрида гафния составляет 3580 °С, а HfO2 – 3063 °С). На рис. 2.7 представлен общий вид модифицированного плазмотрона для воздушно-плазменной резки металлов типа ПВР, а на рис. 2.8 показана сопловая камера плазмотрона ПВР-402. Наиболее теплонапряженные и быстро изнашиваемые детали – сопло 1 и катод 2 с активной вставкой из гафния. Оба эти элемента интенсивно охлаждаются водой. Диаметр гафниевой вставки dК составляет 2,45 мм при высоте 4 мм, диаметр сопла dc равен 3–4 мм, а его длина c, как правило, не превышает dc. В диапазоне токов 100–400 А расход воздуха изменяется от 1,2 до 2 г/с, расход охлаждающей воды составляет 100–150 г/с. 10 1 8 2 6 7 11 5 3 12 4 Вода 9 14 13 в Сли Вода Воздух Слив 16 15 Рис. 2.7. Плазмотрон для воздушно-плазменной резки металлов: 1 – сопло; 2 – катод; 3 – катододержатель; 4 – изолятор; 5 – промежуточный изолятор; 6–9 – уплотнения; 10 – штуцер подвода воды; 11 – закручивающий аппарат; 12 – рубашка; 13 – резьба (шаг – 1,5 мм); 14 – штифт; 15 и 16 – клеммы В плазмотронах для воздушно-плазменной резки максимально допустимые значения I/dc определяются стойкостью катода, а не условиями разрушения сопла. В связи с этим основное назначение завихряющей поток втулки (закручивающего аппарата) заключается в строгой локализации катодной области дуги вблизи вертикальной оси плазмотрона. При смещении катодного 34 пятна относительно центра активной вставки скорость разрушения катода резко увеличивается. Газ Катод Сопло с dК Рис. 2.8. Сопловая камера плазмотрона ПВР-402 Стабилизация катодного пятна на электроде и участка дуги внутри плазмотрона осуществляется потоком воздуха, закрутка которого происходит в вихревом аппарате 11 (см. рис. 2.7). Он представляет собой участок втулки с трехзаходной резьбой на корпусе 3, расположенном в цилиндрическом изоляторе 5. Сопловая часть плазмотрона полностью соответствует плазменному резаку типа ПВР, но катод и сопло охлаждаются водой раздельно с целью повышения надежности работы плазмотрона. Токоподвод к катоду осуществляется через клемму 15, пусковой ток подводится через клемму 16. Для электропитания плазмотрона используется тиристорный источник постоянного тока с крутопадающей внешней U–I-характеристикой АПР-404. Ресурс работы плазмотрона определяется стойкостью катода, точнее – гафниевой или циркониевой вставки. Работоспособность электрода во многом зависит от диаметра активной вставки, интенсивности охлаждения, величины тока дуги, давления в разрядной камере или от диаметра сопла, теплового контакта вставка–медное тело, качества запрессовки вставок и других технологических параметров. 35 Установлено, например, что оптимальный диаметр термохимической вставки при токе 300 А составляет 2,5 мм. Для разных токов рекомендуется использовать термовставки различных диаметров dК: при I 80 A dК = 1,6 мм; при 80 А I 200 A dК = 2 мм; при 200 А I 300 A dК = 2,5 мм; при 300 А I 400 A dК = 3 мм. Обусловлено это тем, что из-за низкой теплопроводности вставок (при 1000 К Hf = 20,7 Вт/(мК), Zr = 24 Вт/(мК)) тепло от дугового пятна отводится в медную обойму через узкий поясок боковой стенки вставки, а не через все медное тело. Если катодное пятно дуги на вставке меньше ее диаметра, то рабочая поверхность гафния нагревается до температуры большей, чем это необходимо для обеспечения плотности тока эмиссии по формуле Ричардсона – Дешмана. При этом, естественно, наблюдается повышенная эрозия электрода. Удельная эрозия термохимического катода имеет практически линейную зависимость от тока дуги. Следует отметить, что скорость разрушения катода во времени неравномерна. В начальный период горения дуги активная вставка эродирует с большой скоростью, затем она снижается. Связано это, по-видимому, с инерционностью процесса образования защитной термоэмиссионной пленки из окисла и нитрида металла. Поэтому эрозия гафниевого (циркониевого) катода выше в кратковременных пусковых режимах, характерных для технологии резки, чем при непрерывной работе, например, в плазмотроне для нагрева воздуха. Экспериментальные значения удельной эрозии катодов с одиночной гафниевой вставкой при работе на воздухе в диапазоне токов 100–400 А лежат в интервале 10–11–10–10 кг/Кл. При сопоставимых параметрах ресурс гафниевого катода примерно вдвое выше, чем циркониевого. Причем это отличие увеличивается с ростом тока. Эрозия термохимических катодов снижается с уменьшением величины тока, с улучшением условий охлаждения, уменьшением давления в прикатодной области. На работу катодов отрицательно воздействует присутствие в плазмообразующем воздухе паров воды, масла, углеводородов. 36 2.2.3. Плазмотрон с медным трубчатым электродом Заслуживает внимания плазмотрон разработки Кишиневского политехнического института с медным цилиндрическим (полым) электродом (рис. 2.9) для воздушно-плазменной резки металлов (по стали – толщиной до 200 мм) и нагрева кислородсодержащих сред в режиме плавления материалов. Как правило, электрод является анодом, разрезаемый металл подключен к отрицательному полюсу источника питания, т. е. плазмотрон работает на обратной полярности. Внутренний диаметр электрода в зависимости от тока составляет 12 и 16 мм. Поджиг дуги осуществляется осциллятором между электродом и соплом с последующим переходом на металл. Местоположение радиального участка дуги в полости электрода определяется расходом газа, диаметром сопла и величиной рабочего тока. Для токов 150–400 А диаметр сопла dc равен 3,5–4,5 мм, расход воздуха G – от 1 до 2,5 г/с. С увеличением тока (500–800 А) соответственно должны возрастать dc и G. Удельная эрозия медного анода в воздушной среде при наличии и отсутствии внешнего магнитного поля составляет 410–10 –410–9 кг/Кл. Такие величины эрозии обеспечивают работоспособность электрода в течение 3–6 рабочих смен, после чего он заменяется новым. Число 30-секундных включений плазмотрона с полым медным электродом типа ПВ-47 на порядок превышает число пусков плазмотрона с гафниевым катодом типа ПВР-402 (2000 и 200 раз соответственно). Для оптимальной работы плазмотрона мощностью 40–120 кВт требуется источник питания с напряжением холостого хода Uхх = 530 В (в отличие от установок АПР-404 с Uхх = 320 В для плазмотронов с термохимическими катодами). Экспериментально установлено, что удельная эрозия медного трубчатого анода при одинаковой силе тока дугового разряда и скорости перемещения опорных пятен дуги по рабочей поверх37 ности электрода (рабочий газ – воздух) почти на 2 порядка меньше, чем для катода (2·10–11 кг/Кл и 10–9 кг/Кл соответственно). Поэтому применение плазмотрона на обратной полярности в качестве плавильного устройства обеспечивает длительный ресурс работы анода (порядка 500 ч при I = 500–600 A), соответствующий требованиям промышленного технологического процесса. 1 11 7 2 8 7 3 9 10 4 5 6 Рис. 2.9. Схема плазмотрона для резки металлов: 1 – трубчатый электрод; 2 – завихритель; 3 – сопло; 4 – дуга; 5 – металл; 6 – плазменная струя; 7 – подача охлаждающей воды; 8 – подача воздуха; 9 – балластное сопротивление; 10 – контактор; 11 – катушка соленоида На основе схемы рис. 2.9 разработаны дуговые плазмотроны для нагрева азота мощностью 500 кВт, плавильные генераторы плазмы мощностью 1200 кВт с рабочей средой гелия, пароводяные плазмотроны мощностью 80–100 кВт. Все конструктивные решения используют обратную полярность с целью существенного увеличения ресурса работы электрода-анода. 38 3. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ПЛАЗМОТРОНОВ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ 3.1. Плазмотроны с вынесенной дугой Однокамерный плазмотрон Эта группа генераторов характеризуется, как правило, стабилизацией одного приэлектродного участка дуги. Вторым электродом плазмотрона может быть обрабатываемое изделие, если оно выполнено из металла, либо удаленный на некоторое расстояние анод (например, трубчатый или электрод графитовый стержень). Например, генератор с вынесенной стабилизированной дугой был использован для обработки строительных материалов (рис. 3.1). В этом случае между соосно и вертикально расположенными анодными и катодными узлами на ветви двухленточного конвейера симметрично оси плазменного шнура укладываются Рис. 3.1. Плазменный генекирпичи. Расстояние между поверхноратор с вынесенным стями каждой пары кирпичей устанавдуговым разрядом для обработки кирпича: ливают достаточным для их надежного 1 – катод; 2 – анод; 3 – оплавления плазменным шнуром. обрабатываемое изделие Возможность применения этого способа термодекорирования кирпичей в условиях промышленного производства определяется во многом стабильностью энергетических и геометрических характеристик генерируемой плазмы и ресурсом работы катодного узла плазмотрона. Двухструйные плазмотроны В ряде технологических процессов целесообразно воздействовать на обрабатываемый материал (поверхность, порошок, 39 газ, жидкость) не только плазменной струей, но и непосредственно дуговым разрядом. Реализовать такие технологии позволяют двухструйные плазмотроны – особый класс линейных плазмотронов. Особенность их конструкций заключается в том, что значительная часть столба дуги находится вне электроразрядной камеры, а электродные узлы выполнены идентичными. Различают двухструйные плазмотроны с неподвижными и подвижными опорными пятнами дуги. В плазмотронах с неподвижными пятнами электроды вольфрамовые с аргоновой защитой и подачей ниже по потоку плазмообразующего газа (воздух, водород и др.) в зазоры между секциями (диафрагмами). Эксплуатация плазмотрона для спектральных исследований показала высокую стабильность горения дуги и длительный ресурс работы электродов (1000 ч и более). В двухструйном плазмотроне с подвижными опорными пятнами дуги используются цилиндрические (трубчатые) электроды 1 (рис. 3.2). Рис. 3.2. Схема двухструйного плазмотрона: 1 – электрод; 2 – диафрагма; 3 – дуга; 4 – плазменная струя; 5 – соленоид 40 Электродные узлы схематично представляют двухкамерные плазмотроны с диафрагмой 2 вместо выходных электродов. Диафрагма (сопло) электрически изолирована от электрода 1 и в момент запуска плазмотрона выполняет роль пускового электрода. Местоположение радиального участка дуги в электроде определяется местом встречи закрученных потоков воздуха с расходами G1 и G2. Оси катодного и анодного узлов расположены друг к другу под углом , расстояние между центрами сопел равно а. Длина участка дуги вне электродных узлов составляет до 60 % всей длины разряда. Температура нагрева газа в плазменной струе с открытой дугой у такого плазмотрона значительно выше, чем у струйного, тепловые потери в конструкционные элементы сведены к минимуму и тепловой КПД составляет 0,9. Вольт-амперные характеристики дуги двухструйного плазмотрона при = 90о (рабочий газ – воздух) даны на рис. 3.3. Здесь под расходом воздуха G понимается суммарный расход через оба электродных узла, т. е. G = 2(G1 + G2). U, В 600 5 4 500 3 400 350 0 1 100 200 300 400 2 I, A Рис. 3.3. Вольт-амперные характеристики дуги: d1 = 30 мм, l1 = 120 мм; d2 = 18,5 мм; 1 – G = 6 г/с; 2 – G = 12 г/с; 3 – d2 = 14,5 мм; 4 – 11 мм; 5 – 9 мм 41 Из приведенных характеристик видно, что уровень напряжения на дуге существенно зависит от диаметра сопла d2 (кривые 2–5) и расхода газа (кривые 1 и 2). Подобное расслоение кривых U–I-характеристик имеет место и с изменением диаметра электрода d1 и межсоплового расстояния a. Для частного случая ( = 90о) напряжение на дуге с учетом межсоплового расстояния рассчитывается по формуле U 2U1 2aU1 / l1 , где U1 – напряжение между электродом и соплом. Напряжение U1 для плазмообразующего газа – воздуха – можно оценить по формуле (размерность параметров в системе СИ) I2 U1 10 (G1 G2 )d 2 3 0,2 G1 G2 d2 0,25 ( pd 2 )0,35 . (3.1) Приведенные выше результаты получены при истечении плазменных струй из сопел в неподвижную окружающую среду. В технологических приложениях открытые участки дуги могут помещаться в поток реагентов или в иную среду, и внешний поток при определенных условиях окажет влияние на напряжение дуги. В двухструйном плазмотроне с цилиндрическими электродами приэлектродные участки дуги перемещаются в азимутальном направлении под действием аэродинамических сил закрученных потоков плазмообразующего газа и внешнего магнитного поля соленоидов (на рис. 3.2 соленоид указан на нижнем электродном узле). При неизменном соотношении расходов газа G1 и G2 на рабочей поверхности электрода образуется кольцевая выработка шириной 6–8 мм в зоне встречи закрученных потоков, вытекающих из двух вихревых камер. Для расширения зоны выработки (при одинаковой величине удельной эрозии) и тем самым для увеличения ресурса непрерывной работы электродов необходимо перемещать (сканировать) опорные пятна дуги в осевом направлении. Добиться этого можно изменением соотношения расхода газа G1/G2, когда зоны встречи потоков 42 внутри электродов (а следовательно, зоны привязки дуги к электроду) будут смещаться в ту или иную сторону. С этой целью применяется пульсатор расхода газа, обеспечивающий частоту изменения расхода 3–5 Гц. Длительные контрольные испытания двухструйного плазмотрона (более 60 ч) с пульсатором расхода газов позволили оценить ресурс анода в 500 ч и более, катода – в 200 ч (электроды медные, I = 300 A, газ – воздух). Учитывая, что электродные узлы двухструйного плазмотрона идентичные, путем смены полярности электродов (на рис. 3.2 она не указана) ресурс непрерывной работы плазмотрона может составить 300–400 ч. 3.2. Плазменные генераторы с обжатой вынесенной дугой для обработки малоразмерных изделий Одним из первоначальных этапов работы по созданию специализированных генераторов плазмы явились разработка и исследование плазмотрона с вынесенной обжатой дугой, предназначенного для обработки малоразмерных строительных изделий (кирпича, плитки и т. п.) с целью получения на их поверхности покрытия. На основании проведенных исследований по эрозии графитового электрода – анода (о чем будет сказано далее) была разработана конструкция генератора с вынесенным расходуемым графитовым электродом. Представленный на рис. 3.4 плазменный генератор относится к типу плазмотронов с вынесенной дугой. Здесь некоторая область энерговыделения вынесена за пределы дугового канала. Плазмотрон представляет собой устройство, состоящее из катодного и анодного узлов, разделенных друг от друга расстоянием 120–170 мм. В его конструкции в качестве анода использован графитовый расходуемый электрод. Для обеспечения рав43 номерного сгорания графитового электрода, а также для его подачи по мере сгорания применен электропривод 4, который представляет собой мотор-редуктор и винт-гайку с диэлектрической муфтой. Рис. 3.4. Специализированный генератор плазмы для обработки строительных изделий (кирпича) с расходуемым анодом: 1 – графитовый анод; 2 – формообразующее сопло; 3 – катод; 4 – электропривод; 5 – обрабатываемые изделия; 6 – контактор включения «дежурной» дуги; 7 – плазменный шнур; 8 – водоохлаждаемый токоподвод; 9 – устройство наклона электрода; Rб – балластное сопротивление Под действием привода графитовый электрод 1 диаметром 65 и длиной 500–800 мм совершает вращательно-поступательное движение. Токоподвод 8 для графитового электрода выполнен водоохлаждаемым в виде разъемного цилиндра. Применение такой конструкции токоподвода обеспечивает, в первую очередь, охлаждение электрода, а также быструю смену сгоревшего электрода на новый. Сокращение расстояния между электродами в момент запуска плазмотрона уменьшает величину тока дежурной дуги, что, в свою очередь, резко снижает эрозию сопла катодного узла, а значит, увеличивает срок службы генератора плазмы в целом. 44 После возбуждения рабочей дуги анодный узел устанавливается в исходное положение, обеспечивая тем самым рабочие характеристики плазмотрона. Конструкция катодного узла генератора является одной из широко распространенных. Он состоит из катода 3, роль которого выполняет легированный вольфрам, обладающий высокоэмиссионными свойствами, и сопла 2, которое формирует и стабилизирует прикатодную область дугового столба, а также исполняет роль анода «дежурной» дуги. Зажигание «дежурной» дуги осуществляется путем включения контактора 6 и возбуждения ВЧ-разряда между соплом 2 и катодом 3. Плазмообразующим газом могут быть азот, аргон и их смеси. Катодный узел в этот момент работает как струйный плазмотрон, а затем следует стадия устойчивого рабочего разряда. Обрабатываемые изделия 5 размещаются в два ряда с зазором на пластинчатом конвейере, скорость которого можно изменять путем изменения передаточного числа привода. Экспериментально установлено, что для получения однородно оплавленной поверхности расстояние между катодом и изделием, а также между анодом и изделием должно составлять не менее 20 мм. Зазор между обрабатываемыми изделиями должен соответствовать диаметру плазменного шнура. С увеличением зазора между обрабатываемыми изделиями повышается устойчивость плазменного шнура. При этом зазор составляет = 6–8 мм (см. рис. 3.4). 3.3. Исследование эрозионных характеристик выносного графитового анода Для определения оптимальных размеров расходуемого графитового электрода, срок службы которого обеспечивал бы длительную работу установки в автоматизированном режиме, необходимы данные по его эрозии. В литературе имеются све45 дения по эрозии графитовых электродов в свободно горящих электрических дугах, однако практически полностью отсутствуют данные по эрозии графитовых электродов в плазмотронах постоянного тока с вынесенной дугой, у которых плазменные потоки формируются прикатодным соплом. В данном разделе излагаются результаты экспериментальных исследований эрозии анодного графитового электрода марки ГЭ в зависимости от силы тока, диаметра электрода и расположения. Исследования проводились на плазмотроне, описание которого дано выше. Унос материала электродов определялся путем взвешивания до и после эксперимента. Длительность эксперимента составляла 0,5–7 ч. При проведении эксперимента осуществлялся контроль за постоянством тока дуги и напряжения при одинаковом расходе плазмообразующего газа. При этом не изучались микропроцессы, влияющие на эрозию электродов, не учитывалось влияние процессов окисления поверхности электродов, не рассматривались процессы химического взаимодействия паров щелочных металлов с материалом электрода и другие факторы, которые в совокупности определяют эрозионные характеристики и влияние которых на эрозию должно явиться предметом специальных исследований. Так, например, эрозия в нейтральных средах зависит от удельного теплового потока, поступающего от дуги в электрод, а при работе электрода в открытой атмосфере на величину эрозии большое влияние оказывает окислительное действие кислорода воздуха. Таким образом, при исследовании и проведении экспериментов учитывалась лишь интегральная зависимость эрозии электрода от тока дуги Iд, диаметра электрода dэ и угла наклона электрода . На рис. 3.5 показана зависимость удельной эрозии электрода от диаметра графитового стрежня при силе тока дуги 400 А. Ранее исследователи, изучавшие эрозию вольфрамовых электродов, указывали на существование при определенной силе тока оптимального диаметра электрода, при котором эрозия мала. 46 Рис. 3.5. Зависимость удельной эрозии графитового электрода от его диаметра при силе тока дуги 400 А При рассмотрении зависимости эрозии графитового электрода от длины стержня отмечено, что с увеличением длины стержня уменьшается отвод тепла теплопроводностью из области привязки дуги в водоохлаждаемый токоподвод. Это приводит к повышению температуры рабочего торца электрода, увеличению поверхности испарения и росту эрозии. Однако, учитывая то, что конструкция исследуемого анодного узла обеспечивает поддержание постоянной длины графитового стержня от водоохлаждаемого токоподвода путем автоматической подачи электрода по мере его расходования, этот фактор будем считать существенно неизменяемым. Таким образом, исходя из результатов экспериментов (рис. 3.5), можно сделать заключение, что наименьшая величина эрозии электрода при силе тока дуги 400 А будет наблюдаться при диаметре электрода 65–70 мм. Это послужило обоснованием для использования расходуемого электрода диаметром 65 мм при создании плазменного генератора для обработки кирпича. В результате визуального осмотра и взвешивания электрода ( dЭ = 65 мм) после серии испытаний было установлено, что 47 большая часть материала уносится с торца электрода в результате электрической эрозии и динамического воздействия плазменных струй и меньшая часть – с боковой поверхности из-за окисления графита в потоке воздуха. Это явилось предпосылкой для нахождения оптимального расположения электрода относительно направления движения плазменных струй при сохранении стабильности горения дуги и снижении тем самым величины эрозии электрода. Из рис. 3.6, а видно, что при соосном расположении анода и катода плазменные струи действуют по нормали к плоскости анода, вызывая максимальное динамическое воздействие и соответственно сильную эрозию. а б Рис. 3.6. Схема воздействия плазменных струй при различном расположении графитового электрода: а – соосная установка электрода; б – установка электрода под углом к горизонтали; 1 – катодный узел; 2 – графитовый анод На рис. 3.6, б показано, что при установке анода под углом сила динамического воздействия Pд плазменных струй воздействует на поверхность анода под углом 90o . В связи с этим величина нормальной составляющей силы Pn , ответст48 венной за воздействие на материал анода, уменьшается. Так, при 20o Pn Pд cos PД cos 70o 0,34 PД . Уменьшение Pn снижает величину эрозии анода. В то же время экспериментально определено, что при установке анода под углом менее 20о нарушается работоспособность устройства в целом, так как при движении обрабатываемого материала наблюдается срыв дуги с рабочей плоскости анода. Увеличение угла наклона анодного узла (более 25о к горизонтали) ведет к повышению эрозии. В результате проведенных экспериментов (рис. 3.7) по изучению эрозии электрода в зависимости от его расположения было установлено, что при угле наклона, равном 20о, эрозия снижается на 15 %, что можно объяснить уменьшением динамического и теплового воздействия плазменных струй, так как большая часть плазменного потока не взаимодействует с электродом. Особо важным является изучение зависимости эрозии от величины тока. Результаты проведенных экспериментов (рис. 3.8) свидетельствуют, что при силе тока 100–400 А, диаметре электрода 65 мм и угле наклона установки электрода 20o зависимость эрозии от тока имеет наименьшее значение при силе тока 100–200 А. Дальнейшее увеличение тока вызывает увеличение теплового и динамического воздействия плазменных струй, а также выделение джоулева тепла и, соответственно, увеличение эрозии. Проведенная оценка ресурса графитового электрода в плазмотроне рассматриваемой схемы показала, что при силе тока 400 А ресурс электрода диаметром 65 и длиной 500 мм составляет 7 ч. Такой ресурс электрода вполне обеспечивает односменную работу плазмотрона и установки в целом; после замены сгоревшего электрода на новый работоспособность установки восстанавливается. Однако опыт длительной эксплуатации плазмотронов данного типа выявил некоторые недостатки, связанные с нестабильностью привязки анодного пятна в пространстве, что, в свою очередь, снижает качество полученных покрытий. С це49 лью снижения негативных факторов, влияющих на качество получаемых покрытий, разработан плазменный генератор с дополнительной стабилизацией прианодной области дугового разряда. На рис. 3.9 схематично изображен общий вид плазмотрона. Здесь показан анодный узел плазмотрона, выполненный в виде трех водоохлаждаемых вращающихся дисков 2, оси вращения которых расположены под углом 60о относительно друг друга в одной плоскости, перпендикулярной оси симметрии дугового разряда. При помощи сопла катодного узла 1 формируется обжатая плазменная дуга, стабилизирующая поток в прикатодной области дугового разряда 3. При вращении дисков 2 анодного узла со скоростью 100–200 рад/с между дуговым шнуром 3 и диском 2 анода наблюдается слабо светящаяся пограничная зона, обусловленная диффузной привязкой дугового разряда к анодным дискам. Рис. 3.7. Зависимость удельной эрозии анода (графит) от угла наклона (сила тока дуги 400 А) 50 Рис. 3.8. Зависимость удельной эрозии анода (графит) от силы тока дуги (угол наклона = 20°, диаметр электрода 65 мм) Рис. 3.9. Плазменный генератор с дополнительной стабилизацией дуги: 1 – сопло катодного узла; 2 – водоохлаждаемые вращающиеся диски; 3 – дуговой разряд; 4 – корпус анодного узла; 5 – привод; 6 – катод Кроме того, наблюдается локализованное анодное пятно на одном из трех дисков анода. С помощью скоростной киносъемки кинокамерой СКС-1М выяснено, что диаметр дугового разряда в прианодной области стабилен, а анодное пятно практически находится в плоскости, проходящей через оси трех дисков (скорость перемещения пятна по боковой поверхности диска совпадает с линейной скоростью вращения образующей диска) до увеличения напряженности электрического поля в прианодной области за счет механического воздействия двух остальных дисков. Новое анодное пятно, как правило, возникает в начале контакта токопроводящего дугового разряда с одним из дисков. Соизмеримость параметров равностороннего треугольника, образованного внутренним контуром образующих дисков анода и диаметром вписанной в него окружности токопроводящего дугового разряда, равенство скоростей вращения дисков, выполненных из одинакового материала, адекватное условие охлаждения дисков анода, имеющих равный потенциал относительно катода, позволяют с равной вероятностью образовывать анодное пятно на любом из трех дисков анода. При выполнении 51 вышеуказанных условий обеспечивается стабилизация дугового шнура, приемлемая для условий автоматизированного производства плазмированных строительных изделий. Испытание плазменного генератора производилось при скорости вращения дисков, равной 100 рад/с. Направления вра щения дисков показаны векторами линейных скоростей V в точках привязки анодного пятна на рис. 3.9. Диски анодного узла были выполнены из электротехнической меди. Диаметр окружности, вписанной в контур треугольника, образованного образующими дисков, равнялся 8·10–3 м, что соизмеримо с диаметром дугового шнура с рабочим током 250–300 А. Катодным узлом служил элемент плазмотрона ПРВ-404, серийно выпускаемого промышленностью в комплекте с источником питания АПР-404. При термообработке кирпича плазменным потоком с предложенной стабилизацией дугового разряда обеспечивается требуемая равномерность оплавления. 3.4. Формирование плазменных потоков для обработки большеразмерных строительных изделий Описанные плазменные генераторы имеют узкий диапазон использования. Они могут применяться для обработки малоразмерных изделий, обрабатываемая поверхность которых соизмерима с длиной дугового разряда. Естественно, что весьма актуальным является создание автоматизированного технологического процесса обработки большеразмерных строительных изделий (бетонных и газобетонных плит, панелей, блоков и т. п.). Это, в свою очередь, требует разработки специализированных генераторов плазмы, позволяющих обрабатывать широкую полосу поверхности за один проход. Предпосылкой к созданию таких генераторов явилась разработка совместно с сотрудниками Института физики НАН Беларуси серии плазмотронов с механическим перемещением дугового разряда вдоль обрабатываемой поверхно52 сти. В качестве примера рассмотрим устройство и принцип работы одного из них. На рис. 3.10 изображена схема дугового генератора плазмы, позволяющего в автоматизированном режиме оплавлять широкую полосу поверхности строительного изделия. Генератор имеет два параллельно расположенных электрода. Они выполнены в виде цилиндров с винтовой нарезкой. Линии нарезок описываются уравнениями x R cos t , y R sin t , z k t (3.2) на одном электроде и x R cos t , y R sin t , z k t (3.3) на другом электроде. Здесь R – радиус цилиндра электрода; – угловая скорость вращения электродов; k – коэффициент шага винтовой линии. Дуговой разряд равномерно перемещается вдоль параллельных цилиндрических электродов с нарезками вследствие перемещения дуговых пятен по выступам винтовых нарезок на электродах, вращающихся с одинаковыми скоростями в разные стороны. При таком вращении происходит увеличение дуги по длине, равной расстоянию между осями вращения электродов. Удлинение дуги, увеличивающее разность потенциалов между осевой частью дуги и поверхностью выступа электрода, приводит к электрическому пробою промежутка «дуга – поверхность выступа электрода», например nn (рис. 3.10), и образованию нового укороченного участка дуги AA . Укороченная дуга вновь растягивается за счет вращения электродов до возникновения нового пробоя. Этот процесс постоянно повторяется. При этом осуществляется перемещение опорных пятен, а следовательно, и дуги по поверхности электропроводных выступов винтовых нарезок, движение совершается по сложной траектории. В целом, дуговой разряд перемещается равномерно вдоль электродов со скоростью V k . Поскольку величина k при выполне53 нии нарезок на электродах постоянная, то управление скоростью перемещения дугового разряда производится практически только изменением угловой скорости вращения электродов . Рис. 3.10. Плазменный генератор с механическим транспортом дуги Параметры выступов нарезки на электродах связаны с радиусом цилиндров следующим образом: 5 1 1 H R; B R; С R, (3.4) 4 4 2 где Н – шаг винтовой нарезки; B – ширина выступа винтовой нарезки; C – глубина канавки выступа винтовой нарезки. Экспериментально установлено, что H RB. (3.5) Это условие исключает переброс дугового пятна на соседний выступ благодаря тому, что H > R, а при критической длине 54 дуги максимальное удаление от оси дугового разряда до поверхности выступа равно R , что облегчает шунтирование дуги только на поверхности данного выступа длиной R 2 . Необхо- димо заметить, что существенное влияние на напряжение пробоя оказывает градиент температур в промежутке «дуга – выступ винтовой нарезки электрода», с его увеличением это напряжение уменьшается. При горизонтальном расположении электродов промежуток между дугой и поверхностью выступа винтовой нарезки нагревается за счет конвекции тепла от дуги, что значительно облегчает процесс шунтирования и перемещения опорных пятен дугового разряда. Для исключения электродинамического действия собственных магнитных полей дуги и электродов необходимо осуществлять токоподводы к каждому электроду с обоих концов. Этим обеспечивается чисто «механическое» перемещение дугового разряда равномерно с заданной скоростью. Исследование перемещения дугового разряда по графитовым электродам с винтовыми нарезками производилось при следующих параметрах. Шаг винтовой нарезки H 5 102 м, ширина выступов B 1102 м, глубина канавок C 2 102 м, радиус цилиндра электродов R 4 102 м. Расстояние между осями электродов составляло 2·10-1 м, рабочая длина электродов 5·10-1 м. Ток дуги составлял I Д 250 A . При скорости вращения электродов 1 25 рад/с дуговой разряд перемещался вдоль электродов за время 1 2,5 с . При 2 100 рад/с 2 0, 6 с . Время перемещения регистрировалось кинокамерой СКС-1М. При визуальном исследовании траекторий перемещений опорных пятен дуги обнаружено, что при скоростях вращения электродов включительно до 100 рад/с I Д 250 A точки привязки дуги находятся только на выступающей поверхности винтовых нарезок. 55 Все генераторы данного типа были изготовлены в виде экспериментальных установок и прошли лабораторные испытания, подтвердив свою работоспособность при создании покрытий на строительных изделиях. Однако использование их в автоматизированном процессе плазменной обработки весьма проблематично в связи с отсутствием возможности установления оперативной обратной связи «плазмотрон – обрабатываемый объект». Соответственно была поставлена задача разработки широкополосных генераторов плазмы с электромагнитным транспортом дуги вдоль обрабатываемого изделия. Выбор объекта исследований был обусловлен, в первую очередь, возможностью активного воздействия на скорость перемещения дуги и, соответственно, на тепловые потоки, ресурс, коэффициент полезного действия плазмотрона путем изменения величины магнитного поля и силы тока дуги. 3.5. Плазмотроны с электромагнитным перемещением дугового разряда Созданы новые конструкции плазменных генераторов с электромагнитным перемещением дугового разряда. На основе теоретического и экспериментального анализа рабочих характеристик созданных генераторов была принята для дальнейших детальных исследований схема генератора, представленная на рис. 3.11. С целью снижения эрозии путем уменьшения времени воздействия опорного пятна дугового разряда прямолинейные участки электродов выполнены в виде вращающихся цилиндров 1 и 2, частота вращения которых может меняться в пределах 0–3000 об/мин. Роль криволинейных участков выполняют диэлектрические отражатели потоков плазмы, выполненные из огнеупорного материала. Такая конструкция плазменного генератора позволяет осуществлять непрерывное перемещение дугового разряда 56 вдоль электродов, при этом траектория движения дуги представляет собой удлиненный эллипс. Автоматическое поддержание процесса формирования дуги при ее перемещении по электродам достигается за счет отражателей потоков плазмы. Электрическая дуга и образованные ею потоки плазмы в своем движении срываются с концов электродов и, отражаясь от дугообразных отражателей, ионизируют межэлектродное пространство, вызывая образование новой электрической дуги, перемещающейся в противоположном направлении. Затем данный процесс повторяется, обеспечивая непрерывность перемещения дуги по заданной траектории. Рис. 3.11. Плазменный генератор с электромагнитным транспортом дуги: 1, 2 – электроды (анод); 3 – катод; 4 – диэлектрические отражатели На рис. 3.12 представлена схема плазменного генератора аналогичного типа. Генератор состоит из трех электродов, расположенных в одной плоскости. Два крайних электрически связанных и вращающихся в разные стороны электрода расположены параллельно 57 друг другу. Между ними под некоторым углом расположен катод, концы которого делят расстояния между анодами на отрезки в соотношении 1/3. Устойчивость работы данного плазмотрона обеспечивается точками токоподвода. Положительный потенциал на аноды подается с противоположных концов (рис. 3.12). Отрицательный – распределяется по всей длине катода. За счет вязких сил при вращении электродов (анодов) вращающийся слой воздуха стабилизирует положение анодного пятна в нижней точке цилиндра анода, вследствие чего плазменный поток прижимается к обрабатываемой поверхности, что увеличивает тепловой коэффициент полезного действия генератора. Рис. 3.12. Плазменный генератор с электромагнитным транспортом дуги: 1, 2 – электроды (анод); 3 – катод Генератор плазмы работает следующим образом. При инициировании дуги, например в промежутке АК генератора, дуга под действием собственных магнитных полей перемещается вдоль электродов в направлении АD. При достижении концов электродов в точках D и под действием силы Ампера дуга принимает подковообразную форму, создавая тем самым благопри58 ятные условия для электрического пробоя промежутка ЕС. При дальнейшем воздействии магнитного поля с дугой в промежутке DЕ она прерывается, ионизируя промежуток ЕС, и привязывается к электродам в точках Е и С с дальнейшим продолжением движения вдоль электродов, но уже в направлении СВ. Расположение катода под некоторым углом к аноду создает благоприятные условия для срыва дуги в промежутках ДЕ и ВК, а также улучшает условия ионизации промежутков СЕ и АК. Таким образом, дуговой разряд непрерывно перемещается вдоль электродов по замкнутой траектории, напоминающей удлиненный эллипс. При этом суммарное время нахождения дугового разряда на поворотных участках значительно меньше, чем при перемещении по криволинейным участкам электродов плазмотрона. Снижение времени нахождения дуги на поворотных участках обеспечило равномерность обработки строительных изделий. Вокруг генератора может быть расположен соленоид, создающий дополнительное внешнее магнитное поле, изменяя величину индукции которого можно управлять скоростью перемещения дуги вдоль электродов. Величина индукции может задаваться числом витков соленоида или силой тока, протекающего по соленоиду. 3.6. Влияние магнитного поля на скорость перемещения дугового разряда и эрозию электродов Рассмотрим перемещение дугового разряда по неподвижным параллельным электродам в магнитном поле. Здесь приведены результаты экспериментальных исследований скоростных характеристик перемещения дуги в зависимости от величины индукции магнитного поля и силы тока дуги. Скорость перемещения дуги вдоль вращающихся электродов определялась как на прямолинейных участках плазмогенератора, так и на участках срыва и ионизации дугового разряда. Движение дуги по периметру электродов фиксировалось двумя методами: скоростной кино59 съемкой кинокамерой СКС-1М при скорости съемки 1500 кадров в секунду со временем отметки кадров 0,01 с и зондовым методом измерения. На рис. 3.13 представлена принципиальная схема киносъемки. Рис. 3.13. Принципиальная схема киносъемки: 1 – плазменный генератор; 2 – тройное стекло (триплекс); 3 – зеркало; 4 – кинокамера; 5 – соленоид; 6 – дуговой разряд Плазменный генератор 1 (см. рис. 3.11) устанавливался над имитирующим обрабатываемую поверхность трехслойным стеклом – триплексом 2 на расстоянии 1,5·10–2 м. Во избежание теплового разрушения стекла оно равномерно перемещалось относительно плазменного генератора. Дуга в своем движении проецировалась через стекло на зеркало 3. Отраженное зеркалом изображение дуги фиксировалось кинокамерой 4. Для фиксации на снимках положения дуги на электродах плазменного генератора в различные промежутки времени при киносъемке использовался метод наложения изображений снимаемого объекта. Первоначально производилась съемка электродов плазмотрона без дуги, затем на изображение электродов накладывалось 60 изображение движения дуги. При съемке дугового разряда использовались светофильтры С3 и С9. Применение данной методики киносъемки позволило изучить скорость движения дуги при условиях, близких к реальным (при обработке строительных материалов). Метод зондовых измерений был использован для подтверждения результатов скорости движения дуги по прямолинейным участкам и закруглениям. Во время прохождения дуги с зонда снимался электрический импульс, который регистрировался шлейфовым осциллографом НО-30А. С учетом времени прохождения дуги между двумя зондами определялись значения скорости движения дуги на различных участках по периметру плазмотрона. Режим работы генератора плазмы (см. рис. 3.11) исследовался при силе тока дуги 100–440 А и величине индукции магнитного поля в интервале (1,5–4,5) 10-2 Тл. Расстояние между электродами генератора составляло 10-2 м. Длина рабочей части электродов равнялась 0,3 м. Угловая скорость анодов вокруг оси составляла 200 рад/с. Все электроды были изготовлены из радиотехнического графита марки ГЭ. На рис. 3.14 и 3.15 приведены зависимости средних скоростей перемещения дуги по электродам от электромагнитной силы, на рис. 3.16 – измеренные вольт-амперные характеристики дугового разряда, движущегося под действием внешнего магнитного поля. Анализ кривых показывает, что скорости перемещения дугового разряда по прямолинейным участкам электродов в несколько раз выше, чем на поворотных участках. Такое расхождение в скоростях перемещения дугового разряда на различных участках генератора зависит, в первую очередь, от процессов, связанных с шунтированием дуги при срыве и ионизации в конце и начале движения по электродам соответственно. Ход кривых на рис. 3.14 показывает, что с ростом магнитной индукции и силы тока дуги также растет в целом и скорость перемещения дуги. 61 Рис. 3.14. Зависимость скорости перемещения дуги по прямолинейным участкам электродов от величины электромагнитной силы: 1 – при силе тока дуги 100 А; 2 – 240 А; 3 – 400 А Рис. 3.15. Зависимость скорости движения дуги на поворотных участках от величины электромагнитной силы: 1 – при силе тока дуги 100 А; 2 – 240 А; 3 – 400 А Рис. 3.16. Вольт-амперная характеристика дугового разряда: 1 – при силе тока соленоида 30 А; 2 – 20 А; 3 – 10 А 62 На основе экспериментальных данных методом наименьших квадратов определена эмпирическая зависимость скорости перемещения дуги от силы тока дуги I д и индукции магнитного поля В. V 275, 432 I д0,410 B0,996 . (3.6) Максимальное относительное расхождение экспериментальных значений скорости от рассчитанных не превышает 13 %. Полученная формула согласуется с эмпирической зависимостью, имеющей вид V 1, 5–86 В I д(0,47–0,96) , (3.7) что позволяет сделать вывод о достоверности полученного обобщения и использовать его при расчете скорости движения дуги по прямолинейным участкам электродов в плазмотронах рельсового типа. Необходимо отметить, что с увеличением магнитной индукции в межэлектродном пространстве при одинаковых значениях тока дуги происходит увеличение рабочего напряжения на дуге, что связано с деионизацией дугового разряда, возрастающей с увеличением скорости. Эрозия вращающихся электродов в зависимости от силы тока дуги и скорости перемещения приэлектродных опорных пятен исследована экспериментально. Для определения ресурса медных водоохлаждаемых и графитовых электродов (анодов) измерялся унос материала путем взвешивания электродов до и после эксперимента. Длительность эксперимента составляла 0,5–2 ч. В ходе эксперимента не изучались микропроцессы, влияющие на эрозию электродов, не рассматривались процессы взаимодействия паров обрабатываемого материала с материалом электродов и другие факторы, которые в совокупности определяют эрозионные характеристики и влияние которых должно явиться предметом специальных исследований. В данном случае оценивались интегральные зависимости 63 удельной эрозии электродов от силы тока в дуге и от скорости перемещения дугового разряда, приведенные на рис. 3.17 для медных и на рис. 3.18 для графитовых электродов. Рис. 3.17. Зависимость удельной эрозии медного электрода (анода) от скорости его вращения: 1 – при силе тока дуги 100 А; 2 – 240 А; 3 – 440 А Рис. 3.18. Зависимость удельной эрозии графитового анода от скорости вращения: 1 – при силе тока дуги 100 А; 2 – 240 А; 3 – 440 А Экспериментально установлено, что при увеличении скорости перемещения дуги удельная эрозия электродов снижается, причем это характерно для различных токовых режимов работы плазмогенератора. Ход кривых соответствует общеизвестным данным для плазмотронов вихревой схемы. 3.7. Управление параметрами дугового разряда в плазмотронах для обработки строительных материалов В данном разделе приведены результаты исследований интегральных значений количества теплоты, получаемой обрабатываемым изделием в зависимости от силы тока дуги, индукции 64 внешнего магнитного поля и его частоты. Показаны способы повышения производительности генератора и силы сцепления плазменных покрытий с основой изделия путем управления параметрами плазменных потоков магнитным полем. Определялось интегральное значение количества теплоты Qизд, получаемой обрабатываемым изделием в зависимости от величины индукции магнитного поля В и силы тока дуги Iд при постоянном расстоянии плазмотрона от обрабатываемой поверхности. Для этого медный калориметр, заделанный заподлицо в тело изделия, располагался под плазмотроном, движущимся со скоростью 0,1 м/с вдоль обрабатываемого изделия. Схема измерений тепловых потоков, поступающих в изделие, приведена на рис. 3.19. При этом измерялись расход воды GB , проходящей через калориметр, и разность между температурами на выходе tвых и входе tвх . Величина Qизд рассчитывалась из соотношения Qизд C p GB tвых tвх , (3.8) где C p – теплоемкость воды. Рис. 3.19. Схема измерений тепловых потоков: 1 – плазменный генератор; 2 – слой силикатного клея с песком; 3 – медный калориметр; 4 – медные трубки; 5 – шланги с охлаждающей водой; 6 – измерительные термопары; 7 – прибор Ф-116/2; 8 – прибор Р-009; 9 – осциллограф светолучевой НО-30А 65 Разность температур tвых tвх фиксировалась батареей медьконстантановых термопар диаметром 0,1 мм, причем батарея располагалась после заземленных медных трубок, которые использовались для снятия электрического потенциала, возникающего в воде при взаимодействии дуги с поверхностью медного калориметра. ЭДС, поступающая с термопар, усиливалась прибором Ф-116/2, а затем, после согласования на приборе Р-009, записывалась на фотоленте светолучевого осциллографа НО-30А. Рассчитанные величины тепловых потоков Qизд в зависимости от магнитной индукции B и силы тока дуги Iд показаны на рис. 3.20, откуда видно, что с увеличением B величина Qизд растет, причем с увеличением силы тока дуги скорость изменения dQизд dB падает. С ростом силы тока дуги влияние маг- нитной индукции на Qизд уменьшается. Зная величину теплового потока, поглощаемого изделием, и общую, подводимую к плазмотрону, мощность Qпл , можно рассчитать коэффициент полезного действия (КПД) плазмотрона по формуле С р GВ (tвых tвх ) Q , (3.9) 1 изд 1 Qпл UI где U и I – соответственно напряжение и сила тока дуги, регистрируемые светолучевым осциллографом НО-30А одновременно с записью разности температур tвых tвх . На рис. 3.21 приведено изменение КПД плазмотрона в зависимости от силы тока дуги I д для различных значений величины магнитной индукции B . Анализ кривых показал, что с ростом величины магнитной индукции КПД плазмотрона возрастает, однако с увеличением силы тока дуги значение КПД уменьшается. 66 Рис. 3.20. Зависимость величины тепловых потоков в изделии от магнитной индукции: 1 – при силе тока дуги 440 А; 2 – 220 А; 3 – 130 А вращающиеся аноды; Рис. 3.21. Изменение коэффициента полезного действия генератора плазмы в зависимости от тока дуги: 1 – при магнитной индукции 0,045 Тл; 2 – 0,03 Тл; 3 – 0,015 Тл невращающиеся аноды Повышение КПД генератора с ростом В можно объяснить тем, что при возрастании магнитной индукции происходит увеличение напряжения на дуге (см. рис. 3.16), вследствие чего увеличивается мощность генератора. Использование в генераторах плазмы данного типа вращающихся электродов обеспечивает наряду со снижением эрозионных характеристик повышение количества тепла, поступающего в изделие, и, соответственно, КПД плазмотрона за счет более плотного контакта дугового разряда с поверхностью обрабатываемого изделия. 3.8. Дуговой разряд в скрещенных магнитных полях Электрическую дугу представляют в основном в виде упругого газообразного проводника, поэтому внешние силы вызы67 вают ее отклонение и, как следствие, перемещение по параллельным электродам. Это перемещение может осуществляться как под действием собственных магнитных полей, создаваемых протекающим током дуги по электродам, так и в результате взаимодействия внешнего магнитного поля с током дуги. Однако во всех случаях имеется неравномерность перемещения дуги по электродам, что отрицательно сказывается на качестве плазменных покрытий при термодекорировании. С целью управления равномерностью перемещения дугового разряда по параллельным электродам и увеличения КПД генератора рельсового типа за счет магнитного прижима плазменных потоков к обрабатываемой поверхности исследовалось движение дугового разряда постоянного тока в скрещенных магнитных полях. На рис. 3.22 представлена принципиальная схема плазмотрона рельсового типа. Здесь же (рис. 3.22, а) показано направле ние электродинамической силы F , действующей на элемент дуги dl с силой тока I д при наложении на дуговой разряд внешнего поперечного постоянного магнитного поля с индукцией B . На рис. 3.22, б и в изображены векторные диаграммы сил, направления токов дуги и магнитной индукции. Дуговой разряд 1 с протекающим по нему током Iд перемещается по параллельным электродам 2 под действием внешнего магнитного поля с индукцией B1 , создаваемого соленоидом 3 в сторону направления вектора F1 (рис. 3.22, б). F1 – вектор силы, действующей на дуговой раз ряд при наложении магнитного поля с индукцией B1 , а F2 – вектор силы, действующей на дуговой разряд с током I Д при нало жении магнитного поля с индукцией B2 , F – вектор результи рующей силы F1 + F2 . Угол между векторами B1 и B2 в этом случае находится в интервале 180–270°, а модуль вектора B2 ра68 вен B2 B1 / cos . При выполнении указанных условий результирующая сила направлена вниз, перпендикулярно обрабатываемой поверхности, при этом действие горизонтальных сил на дуговой разряд компенсировано. При B2 f x, t const дуговой разряд не перемещается в горизонтальном направлении по электродам вдоль координаты x , а результирующая сила F прижимает потоки дуговой плазмы к обрабатываемой поверхности, увеличивая при этом передачу тепла к изделию. Рис. 3.22. Принципиальная схема плазмотрона рельсового типа (а) и векторные диаграммы (б, в): 1 – дуга; 2 – электроды; 3 – соленоид При перемещении магнитного поля B2 по направлению вектора F1 в ту же сторону со скоростью перемещения поля B2 69 будет перемещаться и дуговой разряд под действием силы F1 . Большую скорость перемещения дуговому разряду вдоль элек тродов не позволяет развить тормозящее поле B2 , скорость перемещения которого вдоль электродов и определяет скорость перемещения дугового разряда. При B2 B1 / cos и 180 < 270 дуговой разряд пе ремещается в сторону перемещения магнитного поля B2 , впра во – под действием силы F1 , влево – под действием силы F F1 F2 , угол между силами F1 и F2 больше 90°. При B2 B1 = 180, сила F = 0. В этом случае при перемещении поля B2 в направлении силы F1 по оси x будет перемещаться в том же направлении дуговой разряд со скоростью, равной скорости перемещения поля с индукцией B2 . При B2 B1 = 180, перемещение магнитного поля B2 в любую сторону по оси x вызывает перемещение в ту же сторону дугового разряда. При B2 B1 / cos и 0 < < 180 управление перемещением дугового разряда отсутствует, дуга будет неравномерно перемещаться в направлении силы F1 по оси x , хотя прижим дугового разряда к обрабатываемой поверхности строительного материала присутствует. На рис. 3.23 приведена экспериментальная зависимость силы сцепления плазменного покрытия с основой изделия из силиката от угла между векторами индукции магнитных полей . Мощность дугового разряда в экспериментах составляла 60 кВт, скорость перемещения разряда по параллельным электродам от70 носительно обрабатываемой поверхности равнялась 0,1 м/с. Значения индукций магнитных полей: – для кривой 1 – B1 = 1,5 мТл, B2 = 9 мТл; – для кривой 2 – B1 = 1,5 мТл, B2 = 5 мТл. Сила тока дугового разряда составляла 200 А. Анализ представленных на рис. 3.23 кривых показывает, что при B1 const , изменяя величину B2 и угол между векторами индукции магнитных полей B1 и B2 , можно добиться максимального прижима дугового разряда к обрабатываемой поверхности и, варьируя этими параметрами, достичь требуемой адгезии покрытия. При увеличении прижима дугового разряда к обрабатываемой поверхности увеличивается и КПД генератора в целом за счет увеличения теплоотдачи обрабатываемому изделию. Рис. 3.23. Зависимость прочности сцепления плазменного покрытия с основой изделия от угла между векторами индукции магнитных полей: 1 – В1 = 1,5 мТл, В2 = 9 мТл; 2 – В1 = 1,5 мТл, В2 = 5 мТл Применяя вышеуказанный способ прижима, удалось повысить КПД генератора плазмы на 12–17 %. 71 3.9. Влияние внешнего магнитного поля на производительность обработки поверхности изделий дуговым разрядом Ранее рассмотрена установка, используемая для обработки поверхностей большеразмерных строительных изделий. Принцип ее работы заключается в том, что цилиндрический анод из графита расположен над изделием параллельно обрабатываемой поверхности, ось вращения анода перпендикулярна дуговому шнуру. Катодный узел перемещается возвратно-поступательно со скоростью 0,07–0,14 м/с по направляющим параллельно аноду. При достижении конечных точек, местоположение которых определено шириной требуемой обработки, катодный узел меняет направление перемещения; одновременно обрабатываемое изделие, установленное на конвейере, перемещается относительно генератора плазмы с обжатой дугой на ширину зоны оплавления. Это происходит периодически, благодаря автоматическому управлению процессом плазмирования. Для эффективного использования тепловой энергии плазменных потоков от вынесенной дуги и, соответственно, увеличения КПД генератора плазмы в целом требуется обеспечить максимальный контакт плазменного шнура с поверхностью обрабатываемого строительного изделия. В данном разделе приведены результаты экспериментальных исследований влияния на производительность процесса создания плазменных покрытий на строительных материалах при помощи дугового разряда, величины и формы импульсов магнитного поля, а также частоты импульсов, накладываемых на дуговой шнур. Импульсы внешнего поперечного магнитного поля накладывались на дуговой разряд в прикатодной области, формирование их осуществлялось при помощи электромагнита, полюса которого размещались на срезе сопла катодного узла. Взаимодействие поперечного магнитного поля с током дугового разряда вызывает его отклонение и, следовательно, прижим дугового 72 шнура к поверхности обрабатываемого изделия. Это, в свою очередь, приводит к повышению производительности процесса создания плазменных покрытий и, соответственно, увеличению теплового КПД генератора плазмы. На рис. 3.24 приведены зависимости производительности процесса оплавления поверхности бетонных панелей дуговым шнуром от амплитуды периодически меняющейся величины индукции магнитного поля, создаваемого электромагнитом, по катушке которого протекает выпрямленный по двухполупериодной схеме синусоидальный ток промышленной частоты f = 50 Гц. Экспериментально установлено, что максимальная ширина оплавления (Iд = 250 А, U = 220 В, угол между осью симметрии катода и обрабатываемой поверхностью = 10°, расстояние между анодом и катодом S = 0,165 м, расстояние между анодом и обрабатываемой поверхностью = 0,01 м) не превышает (7–7,5) 10–2 м при расходе плазмообразующего газа (азота) G = 2,2·10–4 кг/с и амплитуде индукции магнитного поля около 1,6·10-4 Тл. Попытка увеличить ширину зоны равномерной обработки путем увеличения тока в отклоняющей магнитной системе приводит к резкому уменьшению зоны равномерного оплавления за счет пережога поверхности строительного материала в приэлектродных (в основном, прикатодной) областях, что ведет к резкому снижению адгезии плазменного покрытия вследствие разрушения вяжущих в приповерхностной зоне изделия. С целью уменьшения времени пребывания дугового шнура в прикатодной области обрабатываемой поверхности электромагнит отклоняющей магнитной системы был запитан выпрямленным по однополупериодной схеме синусоидальным током промышленной частоты. Соответствующие зависимости представлены на рис. 3.25. Полученные графики отражают зависимость ширины зоны оплавления от расхода газа и магнитной индукции. Максимальной ширине зоны, которая в данном случае достигает (1,1–1,15) 10–1 м, соответствуют следующие значения: G =2,2·10–4кг/с и B =1,4·10–4 Тл. 73 Рис. 3.24. Зависимость ширины зоны обработки от величины магнитной индукции, создаваемой соленоидом, при протекании в нем тока синусоидальной формы: 1 – G =2,2·10-4 кг/с; 2 – 2,5·10-4 кг/с; 3 – 3,1·10-4 кг/с Рис. 3.25. Зависимость ширины зоны обработки от величины магнитной индукции, создаваемой соленоидом, при протекании в нем тока однополярной синусоидальной формы: 1 – G = 2,2·10-4 кг/с; 2 – 2,5·10-4 кг/с; 3 – 3,1·10-4 кг/с 74 Для дальнейшего повышения равномерности теплового воздействия плазменного потока на обрабатываемую поверхность был предложен способ запитки электромагнитной системы током однополярной треугольной формы с частотой f , определяемой неравенством V f , (3.10) d где V – скорость перемещения дугового шнура относительно поверхности строительного материала; d – диаметр токопроводящего дугового разряда. Наиболее благоприятные значения индукции магнитного поля с частотой 50 Гц составили B = 1,2·10–4 Тл, а расход плазмообразующего газа (азота) G = 2,5·10–4 кг/с. На рис. 3.26 приведены зависимости ширины обработки поверхности строительного изделия из бетона при расстоянии между анодом и катодом 1,65·10-1 м, позволяющие сопоставить эффективность электромагнитного прижима дугового шнура к обрабатываемой поверхности при различных формах питающего напряжения. Использование напряжения треугольной формы, запитывающего отклоняющую магнитную систему, позволило довести ширину оплавляемой зоны до (1,35–1,4) 10–1 м с обеспечением равномерности обработки, что связано с более эффективным воздействием на поверхность изделия рабочей части плазменного потока. Была сделана попытка запитать отклоняющую систему импульсами прямоугольной формы. Поскольку качество и ширина зоны оплавления в этом случае ниже, чем при прижиме с двухполупериодным питанием, результаты представляют чисто сравнительный интерес. На рис. 3.27 приведена зависимость силы сцепления плазменного покрытия на бетонном изделии от частоты треугольных импульсов магнитного поля, накладываемого на дуговой шнур на срезе сопла. Из графика видно, что с увеличением частоты импульсов магнитного поля уменьшается адгезия плазменного 75 покрытия. Это, по-видимому, связано с тем, что при колебаниях дуги с высокой частотой, во-первых, ухудшается теплоотдача изделию от плазменных потоков и, во-вторых, происходит охлаждение дугового разряда. Рис. 3.26. Зависимость ширины зоны обработки от величины магнитной индукции, создаваемой соленоидом при протекании в нем тока однополярной треугольной формы: Рис. 3.27. Зависимость силы сцепления плазменного покрытия от частоты треугольных импульсов магнитного поля (режим обработки: мощность плазмотрона 55 кВт; скорость обработки 0,1 м/с) 1 – G = 2,2·10–4 кг/с; 2 – 2,5·10–4 кг/с; 3 – 3,1·10–4 кг/с Следует уделить особое внимание постоянству величины зазора между обрабатываемой поверхностью и электродами плазмогенератора, в противном случае неравномерность оплавления поверхности приведет к снижению качества плазменных покрытий. Таким образом, экспериментальные исследования показали, что величина, форма и частота импульсов магнитного поля, взаимодействующего с дуговым разрядом, величина массового 76 расхода плазмообразующего газа оказывают существенное влияние на технологические характеристики обработки поверхностей строительных изделий. Вариация вышеуказанных параметров позволяет в конкретных случаях оптимизировать производственный процесс. На основании теоретических и экспериментальных исследований энергетических параметров разработанных генераторов, теплофизических характеристик потоков плазмы можно сделать выводы, что потоки дуговой плазмы обладают высокой плотностью энерговыделения, достаточной для создания качественных плазменных покрытий на строительных материалах. Воздействуя на потоки плазмы импульсным магнитным полем, можно легко управлять теплофизическими характеристиками дугового разряда. Оптимизация режима оплавления путем изменения тока в дуговом разряде, амплитуды, формы, частоты следования импульсов магнитной индукции позволяет увеличить производительность оплавления и улучшить качество покрытия. 77 4. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ В ИНТЕРЕСАХ СТРОЙИНДУСТРИИ 4.1. Плазменная установка для обработки силикатного кирпича Установка плазменной обработки силикатного кирпича предназначена для получения защитного слоя на лицевых гранях кирпича. Покрытие образуется на поверхности кирпича при кратковременном воздействии высокотемпературной плазменной дуги. Защитный слой представляет собой стекловидную плёнку, образованную из расплава самого материала кирпича толщиной 0,1–0,3 мм. При плазменной обработке силикатного кирпича покрытие получается белого или зеленоватого цвета. Оттенок определяется химическим составом исходных материалов при производстве кирпича. Возможно получение цветных покрытий после предварительной обработки оплавляемой поверхности силикатного кирпича водными растворами солей металлов (например, хрома, кобальта и др.). На рис. 4.1 представлена технологическая схема процесса плазменной обработки силикатного кирпича. Изделия, прошедшие стадию автоклавной обработки (силикатный кирпич), подаются из автоклава 1 на вагонетках 2 по рельсовому пути к плазменной установке 4 конвейерного типа. После укладки кирпича на конвейер с помощью автомата 3, для придания лицевой поверхности декоративности, с помощью форсунки 5 наносятся растворы солей металлов. Затем изделия перемещаются в камеру 6, где происходит поверхностная обработка плазменным потоком. После обработки автомат-укладчик 7 снимает изделия с конвейера и укладывает в контейнеры 8, которые транспортируются грузоподъёмными механизмами на склад готовой продукции. Конструктивно установка состоит из плазменного генератора, двухручьевого ленточного конвейера и вспомогательного оборудования. 78 79 1 – автоклав; 2 – вагонетка для подачи кирпича; 3 – автомат-укладчик; 4 – конвейер; 5 – пост покраски; 6 – плазмотрон; 7 – автомат-съемщик; 8 – контейнер для пакетирования обработанного кирпича Рис. 4.1. Технологическая линия плазменной обработки силикатного кирпича: Плазмогенератор с вынесенным анодом расположен в средней части конвейера, при этом катодный узел размещен по оси конвейера и установлен в вертикальном положении формообразующим соплом вверх, в непосредственной близости от стола конвейера. Причем он снабжен выносным устройством для коррекции его положения. В качестве выносного анода используется графитовый стержень диаметром 70 мм, установленный под углом 20° относительно горизонтали. Электропривод обеспечивает в процессе работы вращение и поступательное перемещение графитового стержня. Для возбуждения рабочей дуги используется вспомогательный (поджигающий) электрод, который шарнирно сопряжен с анодным узлом. Двухручьевой ленточный конвейер выполнен по классической схеме, имеет приводную станцию и натяжные ролики. Особенность конвейера – рассекатель, установленный по оси, и прижимные ролики. Эти элементы обеспечивают постоянство зазора между оппозитно расположенными кирпичами в процессе обработки. Общий вид установки для плазменной обработки силикатного кирпича представлен на рис. 4.2. а б Рис. 4.2. Плазменная установка для обработки силикатного кирпича: а – общий вид установки; б – оплавление кирпича 80 Вспомогательное оборудование состоит из источника электропитания, системы водоохлаждения, узла подкрашивания и пульта управления: 1) источник электропитания – специальный выпрямитель с крутопадающей характеристикой, используется источник от аппарата АПР-404; 2) система водоохлаждения состоит из бака, наноса, напорных рукавов, распределительных вентилей. Система работает по замкнутому циклу и снабжена электроконтактным манометром с блокировкой включения плазменного генератора; 3) система газоснабжения включает в себя газовый баллон с азотом, редуктор, ротаметр и регулятор расхода газа. Система обеспечивает дозированное питание плазмотрона плазмообразующим газом; 4) кабина – камера прямоугольной формы, обеспечивает изоляцию персонала от рабочей зоны. Кабина снабжена смотровым стеклом для визуального контроля процесса. Справа расположен пульт управления и рычаг перемещения вспомогательного электрода с маховичком перемещения анода; 5) пульт управления обеспечивает электропитание и коммутацию электродвигателей установки. Здесь же размещены регулятор расхода газа и ротаметр; 6) узел подкрашивания расположен на загрузочном конце установки, состоит из распылителя, питаемого сжатым воздухом, емкости с окрашивающим раствором и устройства слива и сбора излишков раствора. Работа установки происходит в такой последовательности: 1) при подаче напряжения холостого хода источника питания (300 В) между катодом и соплом плазмотрона с помощью возбудителя дуги генерируется слаботочная (ток до 30 А) вспомогательная дуга. Длина факела вспомогательной дуги составляет 20–50 мм; 2) когда факел вспомогательной дуги попадает на специальный (поджигающий) электрод, электрически соединенный 81 с анодом, возбуждается основная дуга. Ток основной дуги выбирается исходя из технологических условий обработки и составляет 250–500 А. Вслед за возбуждением основной дуги зажигающий электрод плавно поднимается вверх. В результате этого столб основной дуги удлиняется, перебрасываясь на конец графитового анода. Далее поджигающий электрод выводится из зоны теплового воздействия, а основная дуга принимает рабочие характеристики. Ее длина при этом превышает на 30–40 мм высоту грани обрабатываемого кирпича; 3) после возбуждения рабочей дуги автоматически включается конвейер с предварительно установленными кирпичами, чем обеспечивается подача последних в зону оплавления; 4) в процессе работы обеспечивается непрерывная постановка кирпича на конвейер, съем оплавленного, а также контроль за технологическими параметрами дуги и распылительного устройства; 5) окончание процесса происходит при отключении силовой цепи источника питания. В этом случае напряжение с электродов снимается автоматически. В результате комплексного подхода к решению задач по созданию защитно-декоративных покрытий на силикатном кирпиче коллективом отдела «Плазменные и электроимпульсные технологии в строительстве» Научно-исследовательского института строительных материалов при Томском государственном архитектурно-строительном университете реализована в аппаратурном оформлении и внедрена плазменная технология обработки силикатного кирпича на предприятиях строительных материалов России в городах: Липецке, Уфе, Томске, Волгограде, Кургане, Сургуте. Силикатный кирпич, обработанный низкотемпературной плазмой, был использован при строительстве зданий и балконных ограждений. Дальнейшим развитием научно-исследовательских работ по плазменной обработке явилась разработка линии по обработке глиняного кирпича. 82 4.2. Технологическая линия для создания плазменных защитно-декоративных покрытий на обожженном глиняном кирпиче При взаимодействии потоков плазмы с поверхности глиняного кирпича образуется стекловидное покрытие темных цветов и оттенков. Это объясняется наличием в составе керамического кирпича оксидов железа. В целях расширения цветовой гаммы покрытий были разработаны составы паст, которые наносились на поверхность кирпича перед воздействием потоками плазмы. Производство представляет собой поточную технологическую линию с основным и вспомогательным оборудованием. В процессе работы линии осуществляются следующие операционные стадии процесса: – приготовление специальных паст с красителями; – нанесение их на лицевую поверхность кирпича; – сушка покрытого пастами кирпича; – обработка низкотемпературной плазмой; – съем и упаковка обработанных изделий. Функциональная цепочка процесса выстроена следующим образом. Установленный на технологические рамки кирпич предварительно проходит через зону нанесения пасты. Паста представляют собой смесь молотого кварцевого песка и кварцсодержащего материала на основе жидкого стекла. Цвет стекловидного покрытия будет зависеть от состава пасты и определяться основными компонентами, входящими в её состав. Введение в состав пасты красителей (водные растворы солей кобальта, хрома, никеля, меди) позволяет значительно расширить цветовую гамму. Кирпич с равномерно нанесенными пастами подаются в зону сушки с температурой 60–80 °С. Кирпичи с высушенными пастами подаются на установку плазменной обработки, где укладываются на конвейер и перемещаются в зону плазменной обработки. Под действием высокой температуры плазменного потока (до 5000 °С) на поверхно83 сти изделий образуется стекловидное защитно-декоративное покрытие. При этом использовался плазмотрон с вынесенным дуговым разрядом мощностью 60-80 кВт, питаемый от источника марки АПР-404. Технические характеристики плазменной установки приведены в табл. 4.1 Таблица 4.1 Технические характеристики плазменной установки для обработки керамического кирпича Наименование параметров Значение параметра 1. Потребляемая мощность кВт 2. Производительность, млн шт. в год 3. Скорость обработки, м/с 4. Плазмообразующий газ 60–80 3–4 0,08–0,14 Воздух, азот После плазменной обработки покрытия обладают следующими характеристиками, приведенными в табл. 4.2. Таблица 4.2 Физико-химические свойства обработанных покрытий Наименование Значение 1. Прочность сцепления покрытия с основой изделия, МПа 2. Морозостойкость, циклов 3. Химическая стойкость по отношению к воде, % 2,5–3,2 Более 65 98,9–99,8 4. Химическая стойкость по отношению к кислоте, % 96,6–99,8 5. Химическая стойкость по отношению к щелочи, % 97,4–99,3 Технологическая схема участка плазменной обработки керамического кирпича представлена на рис. 4.3. Изделия с полученными защитно-декоративными покрытиями могут быть использованы для кладки наружных стен и для работ в интерьере без дополнительной обработки. 84 Рис. 4.3. Технологическая схема участка плазменной обработки керамического кирпича: 1 – плазмотрон в защитном корпусе; 2 – транспортер; 3 – зона управления и энергообеспечения плазмотрона; 4 – зона сортировки и отбраковки изделий; 5 – зона приготовления паст; 6 – зона нанесения паст; 7 – зона сушки; 8 – зона складирования контейнеров и упаковочного материала; 9 – склад готовой продукции Участок по созданию стекловидных защитно-декоративных покрытий занимает небольшую по габаритам площадь (до 200 м2), что позволяет включать его в структуру действующего предприятия. 4.3. Установка для плазменной обработки бетонных изделий В рамках развития научно-исследовательских работ, направленных на создание защитно-декоративных покрытий на бетонных изделиях, на Коркинском ЗКПД (г. Красноярск) раз85 работана и внедрена технология плазменной обработки экранов балконов зданий на специальной установке. На рис. 4.4 проиллюстрирована принципиальная схема установки, а на рис. 4.5 – ее фотография. Рис. 4.4. Схема установки плазменной обработки поверхности малоразмерных бетонных плит: 1 – электропривод транспортера; 2 – цепной транспортер; 3 – стол транспортера; 4 – бетонная плита; 5 – система охлаждения анода; 6 – привод анода; 7 – привод катода; 8 – винт каретки; 9 – патрубок подачи газа; 10 – система охлаждения плазмотрона; 11 – каретка; 12 – плазмотрон (катод); 13 – анод; 14 – электродуговой разряд; 15 – устройство электромагнитного сканирования дуги 86 Рис. 4.5. Плазменная обработка поверхности малоразмерных бетонных плит Бетонная плита 4 помещается на стол 3, закрепленный на цепном транспортере 2 возвратно-поступательного действия. В начале обработки плита 4 фиксируется под плазмотроном своей передней кромкой. Электродуговой разряд 14 зажигается между плазмотроном (катодом) 12 и анодом 13 и перемещается с возвратно-поступательным движением плазмотрона 12 вдоль анода 13. После одного прохода плазмотрона вдоль анода происходит обработка плазмой поверхности плиты в виде полосы. В крайнем положении катода включают транспортер на такое время, чтобы плита переместилась на величину обработанной полосы ее поверхности. Затем движение катода и соответственно плазмы выполняется в противоположную сторону анода. Такие движения катода и плиты выполняются последовательно до полной обработки всей поверхности плиты. 87 4.4. Автоматизированная плазменная установка «Гермес-010» для обработки большеразмерных строительных изделий Совместно с Минусинским электротехническим комплексом при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ создана специализированная плазменная установка, предназначенная для обработки большеразмерных бетонных изделий, работающая по заданной программе в автоматическом режиме. Конструктивно установка выполнена портальной стационарного типа (рис. 4.6) и состоит из подвижной части (механизма исполнительного и подвода питания) и неподвижной части (рельсового пути и автономно размещенных устройства числового программного управления – УЧПУ, стойки системы следящих приводов – ССП и источника питания АПР-404). Рис. 4.6. Автоматизированная плазменная установка для обработки большеразмерных строительных изделий «Гермес-010» Исполнительный механизм, перемещающийся по рельсовому пути, имеет портал, по направляющим которого перемещается каретка поперечного хода с установленным на ней блоком плазменного генератора. Портал размещается над объектом обработки (фасадные панели), который предварительно устанавлива88 ется на специальный стол, имеющий возможность регулировки по вертикали. Прямолинейность перемещения портала по рельсовому пути обеспечивается установкой роликов, охватывающих головку рельса. Зазор между рельсом и роликом регулируется. В корпусах портала установлены приводы портала, каждый из которых состоит из трехступенчатого редуктора с электродвигателем ПЯ-250 Ф, тахогенератора ТД-102 с датчиком обратной связи ВТМ-IВ. Двигатели связаны между собой электрической синхронизацией. Информация о скорости перемещения снимается с тахогенераторов. На балке закреплены направляющие, по которым перемещается каретка поперечного хода с плазменным генератором. Для ограничения перемещения портала по рельсовому пути и каретки поперечного хода установлены концевые выключатели, нормально закрытые контакты которых используются для разрыва цепи якоря электродвигателей приводов, а нормально открытые контакты используются в цепи блокировки программы. На раме установки, представляющей собой сварную конструкцию, расположено следующее оборудование: коробка разделительная; устройство поджига дугового разряда; электромагнитные клапаны; кабели; шланги, подводящие к каретке поперечного хода электрические сигналы, плазмообразующий газ и воду для охлаждения плазмотрона. Для поджига дуги используется устройство УПД-1. Разделительная коробка предназначена для осуществления электрических связей между узлами исполнительного механизма, ССП и УЧПУ, источником питания. Каретка поперечного хода представляет собой тележку, перемещающуюся по направляющим балки при помощи привода каретки, состоящего из безлюфтового редуктора и электродвигателя ПЯ-250 Ф. К корпусу каретки крепится коллектор для ввода рабочего (плазмообразующего) газа и охлаждающей воды в систему плазмотрона. 89 Установленный на каретке привод подъема предназначен для подъема-опускания специализированного плазменного генератора в автоматическом режиме при обработке строительных изделий (в случае отклонений их от геометрических размеров по высоте). Привод генератора по вертикальной оси состоит из трехступенчатого редуктора, одной из ступеней которого является самотормозящая червячная пара, и электродвигателя СЛ-369. Управление работой привода подъема-опускания осуществляется как в ручном режиме с пульта управления, так и автоматически. В блок плазменного генератора входят: специализированный генератор плазмы; кронштейн для его крепления и кожух защиты обслуживающего персонала от лучистой энергии плазменной дуги и для отвода газов, образующихся при обработке строительных материалов. Подвод электропитания, газо- и водоснабжения осуществляется с помощью кабелей и шлангов, свободно перемещающихся по подвесной траверсе. Включение и выключение плазмотрона, скорость его перемещения, включение стабилизации программируется. При наличии команды о включении плазмотрона УЧПУ включается сигнал «ОБРАБОТКА» и подается напряжение на пускатель источника питания АПР-404 УХЛ 4, питающий УПД-1. Со вторичной обмотки УПД-1 подается высокое напряжение, происходит пробой воздушного промежутка между электродами плазменного генератора, возбуждая при этом сильноточный дуговой разряд, посредством которого ведется обработка строительных изделий. Для поддержания постоянного расстояния от дугового разряда до обрабатываемой поверхности (соответственно обеспечения качества обработки) используется устройство стабилизации высоты (УСВ). С пульта управления УЧПУ с помощью регулятора высота плазмотрона над обрабатываемой поверхностью строительного изделия плавно регулируется в диапазоне 5–30 мм. Основой УСВ является емкостный датчик. Измеряемая емкость, образованная измерительным датчиком, преобразуется в фазовый сдвиг напряжения. Это напряжение на фазовом дис90 криминаторе сравнивается с опорным. В результате сравнения получается постоянное напряжение «Uдат», полярность и величина которого зависят от величины знака отклонения высоты плазмотрона от заданной. Сигнал «Uдат» поступает в УЧПУ, где вырабатывается сигнал управления, поступающий в ССП для формирования сигнала управления двигателем перемещения плазмотрона по вертикальной оси. Технические характеристики установки приведены в табл. 4.3. Таблица 4.3 Технические характеристики плазменной установки «Гермес-010» Наименование параметров, единица физической величины Потребляемая мощность, кВт Ток дуги, А Плазмообразующий газ Давление воды, Па Скорость обработки, м/с Производительность, м2/ч Ширина колеи, мм Длина, мм Норма 120 400 Азот, воздух 3,5105–4,5105 0,1–0,15 30–40 3500 12 000 Управление скоростью плазменной обработки строительных изделий обеспечивается с помощью программно-управляемого таймера, который формирует последовательность импульсов, частота которых пропорциональна запрограммированной в данном кадре скорости обработки. Плата технологического управления обеспечивает прием технологических команд от микроЭВМ, их хранение и выдачу на плату гальванических разделителей. Информация об аварийной ситуации поступает через плату гальванических разделителей на плату технологического управления, которая формирует сигнал прерывания в микроЭВМ, по этому сигналу запускается специальная программа, которая ана91 лизирует причину прерывания и выдает на пульт УЧПУ информацию о причине остановки. Пульт УЧПУ обеспечивает оперативное управление и индикацию работы установки. 4.5. Получение минерального волокна во вращающемся плазмохимическом реакторе Огромное количество золо- и шлакоотходов, скопившееся на отвалах энергетических производств, ухудшает экологическую обстановку регионов их размещения. Наносится немалый вред всему живому, снижается плодородие земель, повышается радиационная загрязненность и запыленность районов. Основное содержание этих отходов – минеральный несжигаемый остаток, который является хорошим стеклообразующим сырьем. Однако температура переработки (в основном плавления) этого техногенного материала значительно выше температуры плавления природного сырья. Повышение температуры технологического процесса в традиционных плавильных агрегатах влечет за собой непропорциональное увеличение энергетических затрат. Существующие производства получения минеральной ваты основаны на ваграночном и электротермическом способах. Интенсивность экологического загрязнения при первом способе производства обусловлена применением кокса в качестве энергоисточника. При этом время нагрева массы шихты велико, и несмотря на используемые технологические приемы (повторный подвод угарного газа и его дожигание в реакционной зоне) не удается обеспечить нормальные экологические параметры производства. Кроме этого, ваграночный метод характеризуется большими капиталовложениями на этапе строительства завода, повышенными требованиями к гранулометрическому и химическому составу используемого сырья, высокими показателями энергозатрат, дефицитностью и дороговизной горючего – кокса, невозможностью использования включений металлов в золе. 92 Электротермический способ требует больших затрат электроэнергии. Экологическое состояние также неудовлетворительно, так как низка скорость подвода тепла к шихте, а это повышает (наряду с временными затратами) возможность образования вредных веществ в производстве. Очень высоки требования к химическому составу шихты, что практически полностью препятствует использованию этого способа при переработке зольных отходов, имеющих высокую температуру плавления. В настоящее время в минераловатном производстве получение волокон является двухстадийным процессом: 1) сырье плавится в плавильном агрегате, который выдает струю расплава; 2) струя расплава, поданная в волокнообразующее устройство, превращается в волокно. В применяемых плавильных агрегатах устройства для выпуска расплава в виде струи не обеспечивают ее стабильности по производительности и по геометрии. Применение плазменных технологий для переработки зольных отходов, в частности для производства минеральной ваты, открывает широкие возможности по преодолению тех технологических трудностей, которые возникают в традиционных способах получения минеральной ваты. Во-первых, процесс из многостадийного превращается в одностадийный с возможностью эффективного автоматического регулирования. Во-вторых, за счет высоких темпа нагрева и температуры резко уменьшается количество вредных выбросов в атмосферу. В-третьих, сокращается время прогрева шихты до плавления, а следовательно, снижаются затраты по энергии и времени, возрастает производительность. В-четвертых, полнее используется затрачиваемая энергия, и увеличивается коэффициент полезного действия установок. Использование электродуговых генераторов низкотемпературной плазмы позволяет в принципе изменить процесс получения минераловатного продукта. Возникла идея вводить порошок сырья непосредственно в струю плазмы. Капли расплава, увлекаемые потоком, в дальнейшем вытягиваются в волокна. Этот способ позволяет получать ультратонкие волокна. Однако ос93 новным препятствием на пути реализации предложенного метода является, так же как и в случае напыления материалов, технически сложная задача введения порошка непосредственно в ядро плазменной струи. Как правило, из-за высокой скорости потока плазмы частицы порошка не попадают в центральные высокотемпературные области плазменной струи. Захват частиц порошка периферийной областью струи приводит к недостаточному прогреву, и в результате провар стекла может не произойти. Но в то же время низкотемпературная плазма, генерируемая электродуговыми плазмотронами, находит широкое применение в промышленности и стройиндустрии. Экспериментально подтверждена принципиальная возможность получения расплавов стеклообразующих материалов на различных конструкциях плазменных реакторов в условиях прямотока и противотока. Дана классификация плазменных реакторов для переработки неорганических материалов, среди которых отдельной группой выделяются вращающиеся плазмохимические реакторы. Здесь же представлена конструкция устройства, совмещающего в одном месте источник энерговыделения – генератор плазмы и потребитель тепла в виде ванны расплава, перемешивающегося во вращающемся наклонно к горизонту футерованном цилиндре. В результате взаимодействия с вращающимися стенками происходит стабилизация дуги, она оказывается способной значительно расширяться, что обеспечивает снижение радиального градиента температуры в зоне реакции. Это объясняется наличием центробежной силы и трением о стенку, уменьшением влияния естественной конвекции за счет вращения. Специально проведенные исследования поведения электрической дуги воздушной плазмы внутри вращающегося цилиндра показали значительное повышение теплоотдачи и возможность стабилизации сильно растянутой дуги. Это устройство периодического действия: загрузка – плавление – выпуск расплава. Для обеспечения работы реактора в непрерывном режиме организовано вращение его вокруг вертикальной оси. При со94 вместном действии центробежной силы и гравитации жидкая пленка принимает форму параболоида. Частота вращения аппарата около 250 об/мин. Подача материала в расплав через верхнюю часть параболоида приводит к вытеканию жидкого продукта через выходное отверстие реактора. Время нахождения материала в реакторе обеспечивается скоростью подачи сырья и эффективной глубиной слоя расплава. Температура в зоне реакции регулируется мощностью генератора плазмы, скоростью подачи сырья и коэффициентом использования тепла в реакторе, который достигает 86 %. Тяжелая футеровка стенок и конструкция реактора не позволяют без больших энергозатрат увеличить скорость вращения устройства, необходимую для обеспечения стабильного волокнообразования. В лаборатории «Плазменные процессы и аппараты» НИИ СМ при ТГАСУ разработан способ одностадийного получения минерального волокна во вращающемся плазмохимическом реакторе (ВПХР), являющемся одновременно плавильным агрегатом для переработки дисперсного сырья и распылочным устройством. Опыты получения минерального волокна из золоотходов ГРЭС-2 подтвердили перспективность использования для этого в качестве источников тепловой энергии генераторов низкотемпературной плазмы. Процессы стекловарения удается успешно провести в тонком слое расплава, движущегося в поле центробежной силы по внутренним стенкам реактора. Анализ полученного волокна показал его хорошие эксплуатационные характеристики. По сравнению с описанной выше плазменной техникой, применяемой для переработки неорганических материалов, ВПХР обладает рядом преимуществ. Во-первых, это очень компактное оборудование, не требующее большой инфраструктуры систем жизнеобеспечения; во-вторых, перерабатываемый материал используется практически без предварительной подготовки, за исключением механической фракционной сортировки; в-третьих, процессы плавления сырья и волокнообразования совмещены в одном устройстве, чем обеспечивается одностадий95 ность производства; в-четвертых, конструкция устройства допускает в достаточно широких пределах регулировку рабочих параметров (скорость вращения реактора, мощность источника тепловой энергии), что предоставляет возможность создания автоматической системы управления процессом. Для исследования теплофизических процессов при плавлении порошкообразного стеклообразующего материала потоками низкотемпературной плазмы во вращающемся реакторе при движении пленки расплава и при волокнообразовании создан комплексный автоматизированный опытный стенд «Плазмовата», моделирующий промышленную пилотную станцию по производству минерального волокна (рис. 4.7). Рис. 4.7. Комплексный автоматизированный опытный стенд «Плазмовата» Принципиальная схема экспериментального стенда представлена на рис. 4.8. Генератор низкотемпературной плазмы предназначен для создания плазменной дуги, являющейся источником высококонцентрированной тепловой энергии, необходимой для плавления исходной шихты. В качестве плазмотрона использовался графитовый полый цилиндрический катод с рубашкой водяного охла96 ждения, который закреплен на движущейся вертикально каретке подъемного механизма. Управление движением осуществлялось с пульта управления установки. Подъем плазмотрона производился после зажигания основной дуги для ее растяжения, вследствие чего происходило увеличение длины плазменного шнура, необходимое для интенсификации тепловыделения. Рис. 4.8. Блок-схема экспериментального автоматизированного стенда «Плазмовата»: 1 – вращающийся плазмохимический реактор; 2 – плазмотрон; 3 – графитовый анод; 4 – дозатор дисперсного материала; 5 – оптический пирометр; 6 – блок зондов и датчиков; 7 – автоматическая система регистрации; 8 – ЭВМ; 9 – источник постоянного тока; 10 – пульт управления Для энергопитания плазмотрона используется источник постоянного тока питания АПР-404 с плавным регулированием по току от 200 до 500 А. Условное рабочее напряжение 270 В. 97 Потребляемая мощность при номинальном токе (400 А) не более 128 кВА. Удельная энергоемкость – КПД не менее 84 %. Система газоснабжения включает в себя две независимые друг от друга структуры. Первая ориентирована на подачу плазмообразующего газа, расход газа Gг измерялся с помощью ротаметров типа РМ-IV и в ходе проведения экспериментов изменялся в диапазоне (0,3–0,5)·10–3 кг/с. Вторая – на технологические нужды лабораторной установки (поддув шихты в дозаторе). Для охлаждения нагревающихся и токопроводящих частей плазмотрона использовалось принудительное водяное охлаждение. Для предотвращения аварийного режима работы электродугового плазменного генератора в систему водоснабжения установлено гидрореле контроля расхода воды. Расход воды составлял Gж = (0,2 0,01) кг/с. Подача исходного материала осуществляется шнековым дозатором, который оборудован бункером для сыпучего материала и двигателем постоянного тока с ременной передачей, что обеспечивает плавную регулировку расхода шихты. Вращающийся плазменный реактор представляет собой цилиндрическую емкость, изготовленную из нержавеющей стали Х18Н10Т, смонтированную соосно с ведущим валом. На дне емкости закреплен конический графитовый электрод, на который осуществляется привязка дуги. Вращение реактору сообщается двигателем постоянного тока, обеспечивающим плавное изменение частоты вращения до 6000 об/мин. Минеральное волокно, полученное во вращающемся плазмохимическом реакторе, показано на рис. 4.9. Из условия устойчивой работы плазмотрона были выбраны оптимальные параметры плазменного реактора, радиус емкости составил 0,05 м при высоте 0,15 м. Частота вращения регулировалась в диапазоне 1900–5800 об/мин. Массовый расход сырья варьировался от 0,001 до 0,01 кг/с. В качестве исходного материала в опытах использовались зола ГРЭС-2 г. Томска, базальт, кварцевый песок. 98 Рис. 4.9. Минеральное волокно, полученное во вращающемся плазмохимическом реакторе. 82 В соответствии с проведенными исследованиями были рассчитаны в качестве примера оптимальные технологические параметры работы ВПХР и на нем осуществлены эксперименты по получению минерального волокна из золы ГРЭС-2 с добавлением известняка. Волокно имеет хорошие эксплуатационные характеристики, а высокая прогнозируемая температурная стойкость (до 1600 К) и значительная длина волокон позволяют говорить о возможности применения данного материала не только в строительной индустрии, но и в производстве огне- и теплозащитных изделий. 4.6. Создание износостойких покрытий на рабочих органах строительных машин Одним из наиболее перспективных методов повышения срока службы деталей механизмов в настоящее время является 99 метод плазменного нанесения покрытий с особыми высокими эксплуатационными свойствами. Известно, что свойства покрытий, создаваемых плазменным методом, такие как адгезионная прочность, износостойкость, способность выдерживать ударные циклические нагрузки в большей мере зависят от предварительной подготовки поверхности обрабатываемой детали, скорости, температуры и свойств материала частиц, напыляемых на подложку. К сожалению, практика показывает, что прочность сцепления покрытий, нанесенных традиционным плазменным методом, а следовательно, его надежность и долговечность еще низки. Отмечено, что сцепление напыленного слоя с подложкой осуществляется преимущественно за счет механического сцепления. Кроме механического сцепления адгезионная прочность сцепления покрытия с основным материалом обеспечивается за счет ряда других механизмов, включая диффузию компонентов покрытия в материал подложки, оплавление и химическое взаимодействие, а также за счет сил Ван-дер-Ваальса. Настоящий раздел посвящен описанию способа создания износостойких покрытий путем активации рабочей поверхности колёс вагонеток в момент нанесения покрытия с целью получения высокой адгезионной прочности и износостойкости покрытий, работающих при ударных циклических нагрузках и повышенном абразивном износе. Суть способа сводится к активации поверхностного слоя обрабатываемой детали путем создания (до определенной глубины) расплава основного материала с последующим внедрением в этот расплав частиц наносимого материала. При этом предполагалось, что покрытие, полученное данным методом, будет органически связано со структурой подложки и будет обладать высокими механическими характеристиками. Для реализации данного способа была создана установка (рис. 4.10), которая имела привод для регулируемого вращения колес и два плазменных генератора, обеспечивающих одновременное создание расплава на поверхности обрабатываемой де100 тали, а также нагрев и внедрение в образованный расплав частиц наносимого порошка (ПГСР-4, фракцией 80–100 мкм). В качестве плазмообразующего газа использовался азот. Рис. 4.10. Плазменная установка для создания износостойких покрытий на рабочих органах строительных машин На первоначальной стадии исследований проводился микроструктурный анализ материала колес с нанесенными покрытиями, для чего из обработанного изделия электроискровым способом вырезались образцы, которые подвергались механической, а затем электролитической полировке в электролите, состоящем из 75 % ортофосфорной кислоты, 15 % хромового ангидрида и 10 % серной кислоты. Полученная таким образом полированная поверхность протравливалась реактивом, состоящим из 5 % HNO3 и 95 % C2H5OH. Протравленная поверхность исследовалась на оптическом микроскопе МИМ-8 или на растровом электронном микроскопе РЭМ-200. На рис. 4.11 представлена микроструктура поперечного сечения образца, вырезанного из обода колеса с нанесенным изно101 состойким слоем. На панораме характерно прослеживаются следующие зоны: зона покрытия 1 мм; зона переходного слоя 0,8 мм; зона основы. Рис. 4.11. Микроструктура образца с нанесенным износостойким покрытием. 50: 1 – покрытие; 2 – переходный слой; 3 – основа Зона покрытия представлена в основном составом нанесенного порошка ПГСР-4 толщиной 1 мм. Зона переходного слоя характерна отсутствием резкой границы раздела между слоем покрытия и подложкой, в отличие от традиционного способа нанесения покрытия на холодную подложку. Вследствие взаимодействия нагретых частиц наносимого порошка и жидкой ванны поверхностного расплава обрабатываемой детали образовалась переходная зона толщиной 0,8 мм, обеспечивающая высокие адгезионные свойства покрытия. Зона основы следует за переходной зоной, где она на глубину до 1,2 мм, будучи подверженной термическому воздействию, представлена мелкодисперсной мартенситной структурой. 102 В более глубокой части этой зоны размер зерен возрастает, последовательно переходя к размеру зерен исходного состояния структуры изделия. С целью установления структурных составляющих образования новых фаз в вышеназванных зонах проводились рентгеноструктурные исследования на аппарате ДРОН-ЗМ в фильтрованном излучении железа. При расшифровке рентгенограмм использованы известные справочные данные, а также программы рентгеновского качественного анализа на ЭВМ «АРФА». Точ ность определения параметра решетки составила a 0, 003 А . На рис. 4.12 приведены рентгенограммы, снятые с различных по глубине слоев, угол дифракции 2 – от 54 до 58. Результаты качественного анализа представлены в табл. 4.4. Рис. 4.12. Рентгенограммы, снятые по сечению образца: а – покрытие; б – переходная зона; в – основа; 1 – рефлекс (III); 2 – рефлекс (II0); 3 – рефлекс (III); 4 – рефлекс (III); 5 – рефлекс (II0) 103 Таблица 4.4 Результаты анализа областей восстановленного образца Исследуемая область Покрытие Переходная зона Основа Тип решетки и фазовый состав ГЦК, твердый раствор ГЦК, твердый раствор ГЦК, твердый раствор ОЦК, мартенсит ОЦК, мартенсит ОЦК, феррит Параметры решетки, А 3,557 3,554 3,566 2,871 2,872 2,861 Особый интерес с точки зрения прочностных связей покрытия с основой представляет фазовый состав переходной зоны. Рентгенограмма этой зоны (см. рис. 4.12) представлена рефлексами твердых растворов Ni-Cr (рефлекс 3) и Ni-Fe (рефлекс 4) и слабо выраженным рефлексом мартенсита (рефлекс 2). Наличие образовавшихся твердых растворов между компонентами покрытия и основы при данном способе нанесения покрытий способствует, на наш взгляд, обеспечению органической связи материала покрытия с основой. Попытки определения адгезионной прочности покрытия шрифтовым и клеевым способами не дали результатов, т. к. покрытие не отрывалось от подложки. С целью оценки прочностных связей между подложкой и покрытием создана установка для проведения испытаний на образцах. Для этого из обработанных деталей с покрытиями электроискровым способом вырезались образцы размером 3 3 6 мм таким образом, чтобы одна сторона образца имела плазменное покрытие. Полированные образцы подвергались деформированию на сжатие, одновременно изучался поперечный микрорельеф поверхности на электронном микроскопе РЭМ-200. В процессе нагружения образца с постоянной скоростью деформация матрицы и покрытия носит различный характер. Вследствие разности прочностных характеристик покрытия 104 и подложки пластическая деформация происходит, главным образом, за счет деформирования подложки. Увеличение деформации в большей степени способствует локализации деформации в области, близкой к переходной зоне, и при некоторой критической деформации (по нашим наблюдениям, она составляет 6–8 %) (рис. 4.13) наблюдается развитие трещин вблизи переходной зоны (рис. 4.14). Рис. 4.13. Диаграмма нагружения образца с износостойким покрытием (точкой А отмечена критическая деформация, при которой наблюдается появление микротрещин вблизи переходной зоны) Рис. 4.14. Возникновение микротрещин вблизи переходной зоны при деформации образца 6 %. 300 Возникновение трещин в структуре образца происходит лишь при нагрузке 48–50 кг/мм2, что указывает на высокую адгезионную прочность нанесенных покрытий. Наряду с микроструктурным и рентгеноструктурным анализом проводились исследования по изучению микротвердости образцов. Микротвердость измерялась на приборе ПМТ-3 с использованием алмазной пирамидки при нагрузке 50 г. Результаты измерения микротвердости представлены на рис. 4.15. Обобщенный анализ результатов микротвердости по сечению колеса дает наглядную картину по изменению микротвердости (Н) вглубь изделия, при этом наибольшее значение Н 105 наблюдается в переходной зоне. Дать однозначную интерпретацию относительно высокой микротвердости в переходной зоне на данном этапе не представляется возможным, это объект дальнейших исследований. Создание покрытий и зон, обладающих повышенной твердостью, на колесах вагонеток определило необходимость проведения испытаний колес на износостойкость в условиях, приближенных к натурным (рис. 4.16). Рис. 4.15. Изменение микротвердости по поперечному сечению образца с износостойким покрытием Рис. 4.16. Опытный стенд для исследования износостойкости колес вагонеток С этой целью изготовлен специальный стенд, на который установлена загруженная вагонетка, имеющая пару колес с нанесенными покрытиями, другая пара не подвергалась плазменной обработке. На беговой дорожке приводных колес стенда имитировались зазоры, присущие рельсовому пути. Скорость вращения колёс стенда соответствовала условному перемещению вагонетки со скоростью 10 км/ч. Общая нагрузка на колеса вагонетки составляла 8 т. По результатам испытаний установлено: при пробеге 3 тыс. усл. км, что соответствует одному году 106 эксплуатации, износ ободов необработанных колес составляет около 3 мм, в то время как ободы колес с нанесенным покрытием подвергаются износу менее 1 мм. На рис. 4.17 представлена сравнительная характеристика износа колес, подвергнутых плазменной обработке, и необработанных. Проведенные испытания, приближенные к реальным условиям эксплуатации, и полученные при этом результаты свидетельствуют о том, что износостойкость обработанных плазменным методом колёс выше по сравнению с необработанными. Характер износа рабочей поверхности колеса вагонетки представлен на рис. 4.18. Рис. 4.17. Схема износа обода колеса после испытаний на износостойкость: Рис. 4.18. Характер износа рабочей поверхности колеса вагонетки а – с плазменным покрытием; б – без покрытия При плазменном напылении порошка ПГСР-4 на активированную поверхность детали возникает переходная зона, образованная вследствие взаимодействия жидкой фазы детали с материалом напыляемого порошка, основным компонентом которой является железоникелевый раствор с небольшим количеством мартенситовой фазы. Методом плазменной обработки с использованием идеи – создания рамы в структуре материала – удается получить покрытие с прочной связью «покрытие – подложка» (48–50 кг/мм2), при 107 этом общая деформация детали, при которой покрытие еще не отслаивается, составляет 6–8 %. Разработанный способ может быть рекомендован для создания износостойких покрытий с высокой прочностью сцепления на деталях машин в условиях ударных динамических воздействий. 4.7. Создание низкосорбционных и химически стойких покрытий на строительных изделиях В специальных отраслях народного хозяйства эксплуатация зданий и сооружений в условиях радиоактивного и химического воздействия сопряжена с рядом проблем экологического характера. Поверхность стен зданий, не защищенная от вышеуказанных воздействий, в силу своей значительной открытой пористости и шероховатости концентрирует вредные для человеческого организма элементы, становясь при этом самостоятельным источником заражения. Защитные покрытия, получаемые непосредственным оплавлением силикатного материала стены здания или изделия низкотемпературной плазмой, представляют собой тонкий остеклованный поверхностный слой. В силу своего химического состава, а также физических свойств данные покрытия могут найти широкое применение в условиях радиоактивного и химического воздействия. В процессе оплавления строительных изделий и материалов происходит интенсивное охлаждение расплава, который, застывая, образует стекловидное покрытие на поверхности изделия. Застывающий остеклованный слой в результате выхода адсорбционной, кристаллизационной и конструкционной влаги, а также выделения газовой среды содержит микропоры и газовые включения в виде пузырьков. Для получения покрытий, обладающих низкой сорбционной способностью, большое значение имеет выявление причин, вызывающих образование пор, и управление 108 этими процессами. Количество пор и газовых включений зависит от химического и минералогического состава строительных изделий. Кроме этого, на формирование покрытий влияют кристаллизационная способность, вязкость, поверхностное натяжение и смачивающая способность расплава исходного материала. Немаловажную роль в процессе получения малопористых покрытий играют режимы обработки изделий низкотемпературной плазмой. По результатам исследований можно сделать вывод, что на формирование покрытий с различной пористостью в первую очередь оказывает влияние величина тепловых потоков, воздействующих на поверхность обрабатываемого изделия. Так, например, при одной и той же скорости обработки (0,06 м/с), но при различной мощности генератора (36 и 56 кВт) пористость меняется от 6,45 до 9,36 %. В то же время на пористость влияет скорость обработки. Увеличение скорости обработки ведет к образованию большего числа пор, но малого диаметра, что, в свою очередь, определяет величину пористости. Так, при N = 56 кВт, V = 0,14 м/с число пор увеличилось до 405 на 1 см2. Однако средний диаметр пор составил 0,11 мм, что соответствует минимальному значению (3,65 %) пористости. Анализ результатов показывает, что оптимальным режимом обработки, при котором получаются малопористые (3,65 %) покрытия, будут: мощность 56 кВт и скорость обработки 0,14 м/с. В целях получения низкосорбционных покрытий за счет снижения пористости поверхность изделий предварительно обрабатывалась растворами борной кислоты или боратами щелочных или щелочноземельных металлов с последующим оплавлением плазменными потоками на оптимальных режимах, установленных ранее. Как показали эксперименты (рис. 4.19), предварительная обработка способствует образованию более однородного и малопористого покрытия. Уменьшение пористости стекловидного покрытия объясняется тем, что при смачивании поверхности силикатных изде109 лий 5–25 % растворами борной кислоты или растворами боратов щелочных или щелочноземельных металлов и последующей плазменной обработке на поверхности изделий образуется расплав силикатоборатов кальция, которые значительно снижают вязкость расплава. Рис. 4.19. Микроструктура стекловидного покрытия. 50 Предварительная обработка поверхностей силикатных изделий растворами борной кислоты или буры снижает пористость покрытия по сравнению с необработанными до 30 % и может быть применена для создания низкосорбционных покрытий. В ходе исследований были проведены сравнительные испытания по десорбционной способности строительных изделий с плазменным покрытием и без него. На трех партиях силикатного кирпича (две партии с покрытием, одна без покрытия) имитировалось радиоактивное загрязнение. При испытаниях установлено: 1) разовая отмывка проточной водой образцов с покрытием позволяет снизить загрязненность их поверхности с 5000 до 3500 -частиц/(см2·мин) по общей загрязненности и с 320 до 0 -частиц/(см2·мин) по снимаемой загрязненности; 110 2) отмывка проточной водой, а затем водой с порошком СФ-3 (СФ-3К «Новость») образцов с покрытием позволила снизить загрязненность поверхности с 35000 до 6000 -частиц/(см2·мин) по общей загрязненности и с 11000 до 30 -частиц/(см2·мин) по снимаемой загрязненности; 3) трехразовая отмывка 3 образцов без покрытия водой с порошком СФ-3, имеющих начальную загрязненность 35 000 -частиц/(см2·мин) по общей и 15 000 -частиц/(см2·мин) по снимаемой загрязненности, не позволила ликвидировать снимаемую загрязненность их поверхности. Таким образом, как показали испытания, покрытия, полученные методом плазменной обработки, обладают меньшей сорбционной способностью, после десорбции полностью очищаются от радиационного загрязнения и могут быть использованы при эксплуатации в условиях радиационного и химического воздействия. 4.8. Плазменная обработка стеклокристаллического материала сиграна Сигран – стеклокристаллический материал, получаемый на основе доменного шлака и недефицитных сырьевых материалов методом прессования из расплава стекла. При производстве сиграна необходимыми и важными в технологическом плане являются процессы его шлифовки и полировки, проводимые с целью вскрытия фактуры материала, устранения неровностей поверхности и придания сиграну товарного вида. При этом в процессе шлифовки необходимо удалять слой сиграна толщиной не менее 2 мм. Поверхностный слой материала после термообработки в кристаллизаторе представляет собой структуру, состоящую из перпендикулярно ориентированных к поверхности игольчатых кристаллов β-волластонита, твердость которых, 111 по Моосу, составляет 5–7 единиц. При снятии слоя толщиной 2 мм расходуется значительное количество шлифовального инструмента – алмазного и карбид-кремниевого. Известные способы механического шлифования стекла с использованием таких технологических приемов, как разогрев шлифуемой поверхности, химическое травление и т. д. не обеспечивают эффективности процесса шлифовки. С целью повышения производительности процесса механической обработки сиграна, снижения расхода абразива были проведены эксперименты, в основу которых заложена идея перевода структуры поверхностного слоя (на определенную глубину) из кристаллического состояния в аморфное с помощью теплового воздействия. Для того чтобы тепло, приводящее к разрушению стеклокристаллической фазы, не проникало на большую глубину изделия, использован высококонцентрированный источник тепловой энергии, воздействующий на поверхность в течение короткого времени. Таким источником выбрана низкотемпературная плазма, в частности плазма дугового разряда. При плазменной обработке поверхности стеклокристаллического материала происходит интенсивный нагрев сиграна в зоне обработки, при высоких температурах протекают химические реакции: разлагаются и испаряются (иногда избирательно) соединения поверхностного слоя. Одновременно нагрев сиграна приводит к возникновению термонапряжений, которые в случае превышения допустимых значений вызывают разрушение и образование микротрещин. При нагреве же выше температуры текучести экспоненциально уменьшается вязкость; под влиянием динамического напора струи, сил гравитации и поверхностного натяжения стекло течет. Кроме того, следует отметить, что при высоких скоростях нагрева не успевает произойти релаксация структуры сиграна. Изменения состояния поверхности, химического состава поверхностных слоёв, образование пузырей, микротрещин после плазмохимической обработки сложным образом влияют на ме112 ханические характеристики поверхностного слоя сиграна, которые в результате плазмохимической обработки понижаются. Исследования физико-механических свойств сиграна проводились на образцах 6525012 мм, изготовленных калужским заводом. Образцы предварительно нагревались до максимальной температуры 650–700 °С со скоростью 140 град/ч. Источником плазмы служил плазменный генератор с разделенными катодным и анодным узлами. Подбор оптимальных параметров производился путем определения режимов работы плазмотрона (сила тока, напряжения) и скорости обработки. Скорость обработки и режимы работы плазмотрона подбирались экспериментально. Визуально определялось качество обработанной поверхности. Плазменная обработка сиграна проводилась при следующих параметрах: силе тока 220–440 А; напряжении 200–220 В; скорости 0,125; 0,167; 0,200; 0,250; 0,330 м/с. Выбранные режимы работы плазмотрона обеспечивают среднемассовую температуру плазменного факела порядка 5000–7000 °С при удельной плотности теплового потока q = (1,0–6,0) 106 Вт/м2. Процесс обработки поверхности с использованием высокоэнтальпийных плазменных потоков происходит за очень короткий промежуток времени. Поэтому этот процесс можно рассматривать как тепловой удар, при котором температурный градиент изменяется скачкообразно, т. е. температура нагреваемой поверхности мгновенно повышается, а среднемассовая температура образца изменяется незначительно. Неоднородное распределение температуры вследствие невысокой теплопроводности сиграна вызывает в нём термические напряжения. Поэтому для снижения термических напряжений от местного нагрева образцы перед обработкой плазмой подогревались до температуры, которая на 30–50 °С ниже температуры начала перехода из стеклокристаллического состояния в аморфное. 113 В ходе работы изучалось влияние предварительного нагрева образцов на параметры обработанной поверхности. Образцы сиграна подогревались в муфельной печи до температуры 150, 300, 650 °С, обрабатывались плазмой и отжигались. В процессе плазменной обработки поверхность образцов подвергалась высотемпературному воздействию, поверхностный слой расплавлялся и при переходе из кристаллического состояния в аморфное сглаживались поверхностные дефекты. Замечено, что с увеличением мощности плазмотрона до 70 кВт при скорости обработки 0,125 м/с и температуре предварительного нагрева образца 650 °С глубина обработанного слоя возрастает до 2 мм. Это удовлетворяет условиям технологического процесса шлифовки, при котором с изделий для вскрытия внутренней фактуры необходимо сошлифовать слой толщиной 2 мм. С учетом того, что плазменная обработка способствовала расплавлению поверхностных кристаллов β-волластонита, переходу их в стеклообразное состояние и соответственно снижению их твердости. В МХТИ им. Д.И. Менделеева образцы сиграна, прошедшие плазменную обработку, были подвергнуты исследованиям на их обрабатываемость шлифованием. В ходе испытаний было оценено значение абразивной устойчивости материалов. Абразивная устойчивость образцов определялась методом взаимного трения по кварцевому стеклу. В качестве абразивного порошка был взят карбид кремния КЧ № 10, в качестве охлаждения – вода. Данные по обработке материала шлифовкой были получены при испытаниях образцов на станке ШПЗ-350М, где в качестве инструмента был выбран алмазный диск 6А 2Т (АП) с алмазами АС-15 фракции 100/80 на связке М2-01, а в качестве СОЖ – вода. Было установлено, что низкотемпературная плазменная обработка сиграна снижает абразивную устойчивость его поверхностных слоев в 2–2,5 раза, что позволяет повысить в 2–2,5 раза интенсивность процесса шлифовки. Данные по шлифовке представлены в табл. 4.5. 114 Таблица 4.5 Показатели работы алмазного инструмента при шлифовке сиграна Показатели Удельный расход алмаза, кар/дм3 Интенсивность шлифовки, мм3/мин Время обработки, мин Исходный сигран Сигран, прошедший обработку плазмой 2,0–2,5 0,5–1,0 200–300 450–600 2,0 0,5–1,0 Таким образом, обработка сиграна низкотемпературной плазмой на глубину около 2 мм является перспективным направлением исследований, т. к. позволяет существенно интенсифицировать процесс его шлифовки. 4.9. Плазменное воспламенение низкосортных твердых топлив в топочных устройствах сушильных установок Практически все технологические цепочки производства строительных материалов и полуфабрикатов имеют в своем составе этап тепловой обработки, в частности сушку. Экономичность всей технологии строительства определяется во многом снижением затрат на сырье, топливо и транспорт. Не так много предприятий имеют близкую сырьевую базу, и уж совсем мало – калорийное местное топливо. Местное низкокалорийное топливо (торф, отходы деревообрабатывающей промышленности, угольный шлам и т. д.) может быть вполне приемлемым источником дешевой тепловой энергии. Однако для их сжигания в топочном пространстве тепловых агрегатов необходимо создавать более выгодные условия для горения: высокую температуру в печи, тепловую подготовку горючей смеси. Такие условия традиционно обеспечиваются предварительным розжигом с ис115 пользованием газомазутного факела. Постоянное удорожание жидкого топлива, транспортные и внутристанционные затраты препятствуют снижению себестоимости продукции, а в некоторых случаях для удаленных и малых предприятий практически полностью делает невозможным использование менее калорийного местного топлива. Использование плазменных потоков для высокотемпературного воспламенения и окисления твердых частиц органических топлив значительно эффективнее по сравнению с традиционными методами инициирования горения мазутным или газовым факелом. Для проектирования и изготовления системы плазменного розжига сушильной печи для завода древесно-стружечных плит г. Томска, работающей на отходах древесины, образующихся при шлифовке древесностружечных плит, необходимо знание основных теплофизических характеристик топлива и характеристик процесса горения в печи. Шлифовочная пыль, используемая в качестве топлива и сжигаемая в топочном пространстве печи сушильного агрегата, состоит из древесины и связующего – карбамидоформальдегидной смолы. Анализ исходных данных для промышленной работы печи сушильного агрегата, теплофизических характеристик топлива, расходных параметров и тепловых параметров воздушного и теплового баланса топки позволяет разработать технологическую схему процесса плазменного розжига и стабилизации горения аэросмеси древесной шлифовочной пыли. Процесс розжига необходимо разделить на три последовательные стадии: стадию прогрева воспламенительного муфеля при помощи плазменного потока и частичного сжигания топливной аэросмеси, стадию прогрева муфеля-стабилизатора с использованием большего расхода топлива и стадию прогрева топочного пространства до температуры стабильного самовоспламенения аэросмеси (650 °С). 116 Для экспериментального исследования процессов плазменного розжига печи сушильного агрегата и практической апробации работоспособности плазменного оборудования, определения индукционных характеристик розжига создан лабораторный стенд (рис. 4.20), принципиальная схема которого представлена на рис. 4.21. Рис. 4.20. Лабораторный стенд для исследования плазменного розжига и стабилизации горения твердотопливных аэросмесей Для генерации плазмы использован плазмотрон ПВР-402 3 с источником питания АПР-402 1. Управление установкой осуществляется с пульта 2. Специально изготовленная пылевихревая горелка 4 состоит из двух коаксиальных каналов с закручивающими лопатками на выходе и тангенциальными входами и внутренней цилиндрической проточной камеры, выполненной из нержавеющей стали. Внутренняя поверхность плазменного муфеля обмурована бадделеитокорундовым сплавом, и снаружи муфель изолирован каолиновой ватой, что обеспечивает практически адиабатические условия во внутренней области. На выходе из муфеля установлено графитовое сужающееся сопло. Перед плазменным муфелем установлен совмещенный узел винтовой подачи графитового электрода и закрутки подаваемого вспомогательного потока топливной аэросмеси. 117 Рис. 4.21. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 – источник питания; 2 – пульт управления; 3 – плазмотрон; 4 – пылевихревая горелка; 5, 9 – питатели пылевидного топлива; 6, 10, 14 – шиберные заслонки; 7, 11, 13 – электромеханические ротационные расходомеры; 8, 16 – управляемые двигатели постоянного тока в системе подачи топлива; 12 – дополнительная подача воздуха; 15 – термопары; 17 – топочная камера Подача пылевидного топлива осуществляется в две ступени: в прямоточный розжиговый канал через плазменный муфель (вспомогательный поток на розжиг) и во внешний закручивающий канал пылевихревой горелки (основной поток на горение в печи). Для равномерной регулируемой подачи порошкообразного топлива сконструированы и изготовлены два вибрационных секторных дозатора 5 и 9. Регулировка дозирования материала осуществлялась посредством изменения частоты вращения роторов двигателей постоянного тока 8 и 16, передающих вращение через червячные редукторы с передаточным отношением 15/1 на валы секторных питателей. На валы двигателей постоянного 118 тока установлены электромеханические тахометры, регистрация показаний которых осуществлялась посредством стрелочных милливольтметров типа М-2020 класса точности 0,2. При градуировке показания тахогенераторов приведены в соответствие с массовыми расходами питателей, получены тарировочные зависимости систем подачи топлива. Пневмотранспорт пылевидного топлива осуществлялся воздушным потоком, нагнетаемым напорными вентиляторами. Регулировка расхода воздуха производилась шиберными дросселями 6 и 10. Для измерения объемного расхода воздуха в магистралях установлены ротационные расходомеры 7 и 11. Воздушный баланс топки осуществлялся дополнительной подачей воздуха сгорания в вихревую горелку вентилятором 12, дросселируемого шибером 14 по показаниям электромеханического ротационного расходомера 13. Все расходомерные устройства подвергались градуировке. С этой целью было изготовлено расходомерное сопло из оргстекла с внутренним профилем в виде кривой второго порядка – лемнискаты. Такой профиль сопла обеспечивает точность измерения расхода по перепаду статического давления в точке минимального диаметра с погрешностью не более 0,5 %. Лемнискатное сопло было использовано в качестве эталонного прибора в тарировочных экспериментах при градуировке электромеханических ротационных расходомеров, установленных в каналах воздушных магистралей. Камера сгорания 17 выполнена из стальной трубы диаметром 700 и длиной 1300 мм и обмурована внутри шамотным кирпичом. Внутренний объем камеры составляет 0,2 м3. На выходе установлен дымосос, обеспечивающий расход газа 1000 м3/ч с перепадом давления 170 мм вод. ст. Стальной газоход обеспечен рубашкой принудительного водяного охлаждения. Для определения теплового состояния рабочих частей установки и установления временных и тепловых характеристик плазменного розжига использованы хромель-алюмелевые и вольфрамрениевые термопары 15. Одна термопара ВР 5/20 смонтирова119 на на выходе из плазменного муфеля перед вихревой горелкой для измерения среднемассовой температуры розжигового пылеплазменного потока. Пять ХА-термопар расположены с интервалом в 60 мм на внутренней поверхности прямоточного канала горелки и одна ХА-термопара вмонтирована на глубину 3/4 кирпича в шамотную кладку с боковой стороны камеры сгорания на расстоянии 200 мм от внутреннего торца обмуровки для определения времени разогрева кладки и момента перехода на работу с основным потоком топлива. Проведенные установочные эксперименты и определенные в ходе них расходные параметры питательных и транспортных устройств (общий расход воздуха – 600 м3/ч, расход топлива – 100 кг/ч) дали возможность оценить тепловую мощность стенда, равную примерно 0,5 МВт. Горение аэросмеси пылевидного твердого топлива на выходе из плазменного муфеля показано на рис. 4.22. Рис. 4.22. Горение аэросмеси пылевидного твердого топлива на выходе из плазменного муфеля При установке и настройке горелочного и вспомогательного оборудования было произведено порядка 30 пробных и запланированных экспериментальных розжигов. Плазменное, транспортное и топочное оборудование показало достаточно высокую надежность работы. 120 В ходе плановых экспериментов мощность плазменного генератора колебалась в пределах от 20 до 50 кВт, расход топлива в первой розжиговой ступени устанавливался равным 40 кг/ч, расход воздуха здесь изменялся от 80 до 120 м3/ч, во вторую ступень (коаксиальные каналы вихревой горелки) подавался воздух, недостающий до полного дожигания топлива. При переходе на основной режим питатель топлива второй ступени работал с производительностью 100 кг/ч, соответственно расход воздуха доводился до расчетного с коэффициентом избытка, равным 1,2. На рис. 4.23 представлены характерные термограммы, зарегистрированные при плазменном розжиге лабораторного стенда. о Т, С 700 600 - L= 60 мм - 120 мм - 180 мм - 240 мм - 300 мм - 360 мм - Н = 200 мм (в печи) 500 400 300 200 100 0 2 4 6 8 t, мин Рис. 4.23. Характерные термограммы, полученные при розжиге аэросмеси древесной пыли на лабораторном стенде Анализ термограмм дает возможность сделать заключение о том, что незначительное время работы плазменного генератора (1 мин) обеспечивает после его отключения уже через 5–6 мин в условиях лабораторного стенда при расходе топлива, равном 40 % от номинального, достичь в топочном пространстве температуры стабильного самовоспламенения древесного пылевидного топлива (600–650 °С) и запустить основной поток топливной 121 смеси. Тепловое состояние внутренней прямоточной зоны горелки достаточно умеренное – около 500 °С в самой нагретой зоне в начальный период розжига. Граница стабильной работы модуля плазменного розжига определена экспериментально по условиям срыва дуги при постепенном увеличении расхода транспортирующего топливо воздуха. Из рис. 4.24 видно, что значения мощности плазмотрона (1,5 % от общей тепловой мощности топочного агрегата), необходимой для стабильного розжига аэросмеси, находятся в области устойчивой работы дугового разряда. Qв, кг/ч III 240 200 II 160 1 2 3 120 I 80 30 35 40 45 50 N, кВт Рис. 4.24. Область устойчивого горения открытой плазменной дуги в кольцевом канале муфеля плазменного розжига пылевидного топлива: I – зона стабильного горения дугового разряда; II – зона нестабильного поведения дугового разряда; III – зона срыва дугового разряда; 1, 2 и 3 – границы необходимой мощности плазмотрона для розжига угля, торфа и древесной шлифовочной пыли соответственно Конструкция плазменного узла с вынесенной дугой обеспечивает более высокую степень ионизации газа в зоне воспламенения, что значительно повышает интенсивность активации топлива при термохимической подготовке аэросмеси. Однако устойчивость открытого дугового разряда при его поперечном обдувании топливовоздушным потоком в кольцевом канале плаз122 менного муфеля меньше, чем устойчивость плазменного потока генераторов косвенного действия. Проведенные исследования позволили создать работающую модель сушильной печи с плазменным розжигом древесной шлифовочной пыли, пригодную для отработки режимных параметров функционирования устройства, показали надежность работы плазменного оборудования и стабильное зажигание и горение твердотопливной аэросмеси при незначительном времени работы плазменного генератора. Эти мероприятия и результаты проведенных исследований позволяют приступить к конструкторской проработке и изготовлению узлов плазменного оборудования и систем управления для промышленной сушильной печи. 123 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Плазменные технологии находят все большее применение в различных областях народного хозяйства. Это связано с тем, что низкотемпературная плазма с такими ее свойствами, как высокая концентрация энергии в малом объеме, высокие температуры и скорости протекания реакций позволяют разрабатывать новые эффективные технологии и создавать материалы с новыми свойствами. В данном пособии кратко рассмотрены процессы, происходящие при взаимодействии дуговой плазмы с твердой поверхностью материалов и порошками, большое внимание уделено конструкциям различных схем электродуговых генераторов плазмы, описан принцип их действия и показаны примеры конкретной промышленной реализации плазменных технологий. Авторы понимают, что рассмотреть все вопросы плазменной обработки материалов невозможно, поэтому, наверное, многие интересные моменты остались неосвещенными. Вместе с тем пособие дает студентам, магистрантам и аспирантам основу для самостоятельного изучения дисциплины по плазменным технологиям. 124 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Чередниченко, В.С. Плазменные электротехнологические установки / В.С. Чередниченко, А.С. Аньшаков, М.Г. Кузьмин. – Новосибирск : Изд-во Новосиб. гос. техн. ун-та, 2008. – 602 с. 2. Плазменные технологии в строительстве / Г.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова, А.М. Шиляев [и др.]. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2005. – 290 с. 3. Физические основы рентгеноструктурного исследования кристаллических материалов / А.А. Клопотов, Ю.А. Абзаев, О.Г. Волокитин [и др.]. – Томск : Изд-во Том. политехн. ун-та, 2013. – 263 с. 4. Плазменная обработка материалов / Г.Г. Волокитин, И.А. Лысак, А.С. Аньшаков. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.строит. ун-та, 2009. – 200 с. 5. Алиферов, А. Электроконтактный нагрев металлов / А. Алиферов, С. Лупи. – Новосибирск : Изд-во Новосиб. гос. техн. ун-та, 2004. – 224с. 6. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии. Проблемы и перспективы / Г.Ю. Даутов, А.Н. Тимошевский, А.С. Аньшаков [и др.]. – Новосибирск : Наука, 2004. – 466 с. 7. Приэлектродные процессы в дуговых разрядах / М.Ф. Жуков, А.В. Пустогаров, А.С. Аньшаков [и др.] – Новосибирск : Наука, 1982. – 158 с. 8. Карпенко, Е.И. Эколого-экономическая эффективность плазменных технологий переработки твердых топлив / Е.И. Карпенко, В.Е. Мессерле. – Новосибирск : Наука, 2000. – 158 с. 9. Электрические промышленные печи: Дуговые печи и установки специального нагрева / А.Д. Свенчанский, И.Т. Жердев, А.М. Кручинин [и др.] ; под ред. А.Д. Свенчанского. – М. : Энергоиздат, 1981. – 296 с. 125 Учебное издание Анатолий Степанович Аньшаков Геннадий Георгиевич Волокитин Олег Геннадьевич Волокитин Нелли Карповна Скрипникова ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Учебное пособие Редактор Г.Г. Семухина Технический редактор Н.В. Удлер Подписано в печать 06.09.2014. Формат 60×84/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 7,32. Уч.-изд. л. 6,63. Тираж 100 экз. Зак. № 279. Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2. Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ. 634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15. 126 Строительные материалы и изделия Для заметок 296 Строительные материалы и изделия Для заметок 296
