Исследование системы охлаждения в плазматроне

1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
Некоммерческое акционерное общество
«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»
Факультет
Специальность
Кафедра
Электроэнергетический
6М071800 – Электроэнергетика
Электроснабжение промышленных предприятий
ЗАДАНИЕ
на выполнение магистерской диссертации
Магистранту
Козтаеву Асхату Нурмаханулы
(фамилия, имя, отчество)
Тема диссертации
«Исследование системы охлаждения в плазматроне»
утверждена Ученым советом университета №_142_ от «_28_»
Срок сдачи законченной диссертации «_12_» января
октября 2014
2015 года
Цель: повышение эффективности работы парового плазматрона
Перечень подлежащих разработке в магистерской диссертации вопросов или
краткое содержание магистерской диссертации:
1) провести анализ систем охлаждения плазматронов;
2) исследование эффективности пористых систем охладителя,________
3) расчет системы подачи воды для охлаждения плазмотрона,
Перечень графического материала (с точным указанием обязательных
чертежей) Презентация по теме диссертации
Рекомендуемая основная литература
1 Жуков М. Ф., Смоляков В. Я., Урюков Б. А. Электродуговые нагреватели
газа (Плазмотроны). -М.: Наука, 1973. -232 с.
2 Ширшов И. Г., Котиков В.Н. Плазменная резка. -Л.: Машиностроение,
1987. -192 с.
3 Эсибян Э. М. Плазменно-дуговая аппаратура, -Киев: Техника, 1971. -164 с.
4 Арыстанов Н. Н. Даутов С. С., Кангожин Б. Р., Мукажанов В.Н.
Высокоэнтальпийная плазменная резка металлов // Сб. тр. Межд. научн. конф,
-Бишкек: Кырг. техн. университет, 2001, I ч. - С. 28-32.
5 Мукажанов В Н., Тайманов С Т., Курманбаев Г Б. Оптимизации систем
охлаждения плазменных резаков //Международная науч-практ. конференция //
КарГТУ Караганда, 2006. - С.233-235.
2
3
Аннотация
В диссертационной работе проведен анализ различных способов
охлаждения генераторов низкотемпературной плазмы. Исследован способ
подачи охлаждающей воды в плазмотрон через пористые тела для охлаждения
конструктивных элементов плазмотрона и образования паровоздушной
рабочей среды.
Аңдатпа
Диссертациялық
жұмыста
низкотемпературной
плазманың
генераторының суыстығының түрлі әдіс-айласының анализы өткіздір-өткізу.
тоңазыт- судың берісінің қиюы ара плазмотрон арқылы болпылдақ денелерді
үшін плазмотрона және паровоздушной жұмыстың сәрсенбісінің білімінің
сындарлы элементінің суыстық үшін зертте.
Annotation
The analysis of different ways of cooling of generators of low temperature
plasma is conducted in dissertation work. The method of serve of cooling water is
investigational in плазмотрон through porous bodies for cooling of structural
elements of плазмотрона and formations of паровоздушной working environment.
4
Содержание
1
1.1
1.2
1.3
2
2.1
2.2
2.3
2.4
3
3.1
3.2
3.2.1
3.2.2
Введение
Анализ современного состояния проблемы
Основы физических процессов в плазмотроне
Классификация плазмотронов
Основные способы резки материалов
Анализ системы охлаждения плазматронов
Использование воды в качестве плазмообразующей среды
Конструирование и расчёты системы охлаждения
Способы охлаждение плазматронов
Плазмотроны с использованием воды для охлаждения и
создания паровой рабочей среды
Исследование эффективности пористых систем охладителя
Расчет системы подачи воды для охлаждения плазмотрона
Математическая модель движения жидкости по неоднородной
пористой среде
Описание модели, основные определения
Аналитический алгоритм решения
Заключение
Перечень сокращений и обозначений
Термины и определения
Список литературы
5
6
8
8
15
27
37
37
40
49
52
59
59
68
69
70
74
75
76
77
Введение
Долгий путь вёл человека к познанию плазмы, к её использованию в
различных отраслях техники. Когда же наука и техника включили плазму в
сферу своего внимания, рост знаний о ней и её практическое применение
пошли семимильными шагами.
Так, одно из применений плазмы – это резка при помощи плазменного
резака. Технология плазменной резки основана на использовании воздушноплазменной дуги постоянного тока прямого действия. Сущность процесса
плазменной резки заключается в локальном расплавлении и выдувании
расплавленного материала из полости реза.
Первоначальное зажигание дуги осуществляется высокочастотным
импульсом или коротким замыканием между форсункой и разрезаемым
металлом. Форсунки охлаждаются потоком газа (воздушное охлаждение) или
жидкостным охлаждением. Воздушные форсунки, как правило, надежнее,
форсунки с жидкостным охлаждением используются в установках большой
мощности и дают лучшее качество обработки. Используемые, для получения
плазменной струи, газы делятся на активные кислород, воздух) и неактивные
(азот, аргон, водород, водяной пар). Активные газы в основном используются
для резки чёрных металлов, а неактивные - цветных металлов и сплавов.
Резка металлов - проблема, с которой приходится сталкиваться и в цеху,
и на стройплощадке, и в мастерской. Если объем работ велик, а требования к
качеству реза высоки, стоит подумать об использовании плазменной резки.
Первые установки и аппараты плазменной резки появились более полувека
назад, но широкому кругу они стали доступны только в последние два
десятилетия. Производительность процесса, качество реза и образование
вредных веществ определяются энергетическими параметрами плазменной
дуги и характером перемещения анодного пятна внутри полости реза.
Скорость резки оказывает влияние как на расположение области распространения пятна по толщине листа, так и на ее ширину. Показанная картина
не меняется при изменении величины электрического тока, типа
плазмообразующей среды и свойств основного металла.
Преимущества плазменной резки перед другими в том, что большая
скорость резки, превосходное качество разреза, минимальная вторичная
обработка, простота в эксплуатации,
отсутствие горючих газов,
портативность, легкое управление позволяют выполнить больший объем
работы за меньшее время.
Кроме того, их универсальность – это использование в полевых
условиях и на предприятии, резка и строжка нержавеющей,
низкоуглеродистой стали и алюминия.
Низкие эксплуатационные затраты, высокая продуктивность и
длительный срок службы комплектующих деталей также дают преимущества
перед другими видами резки.
6
Акᴛуальносᴛь проблемы. В насᴛоящее время в различных оᴛраслях
промышленносᴛи
при
проведении
ᴛехнических
и
ремонᴛновоссᴛановиᴛельных рабоᴛ (особенно на сᴛанциях ᴛехнического обслуживания
авᴛомобилей - СТО), а ᴛакже при ликвидации аварий и проведении
спасаᴛельных рабоᴛ возникаеᴛ проблема резки и сварки сᴛалей и сплавов
цвеᴛных меᴛаллов и других маᴛериалов небольшой ᴛолщины. Широко
используемой кислородной резке поддаюᴛся ᴛолько черные меᴛаллы и плохо
поддаюᴛся или совсем не поддаюᴛся цвеᴛные меᴛаллы и их сплавы,
нержавеющие и другие специальные сᴛали, а ᴛакже чугун. Применяемые для
эᴛого различные виды газовой (особенно аргоновой) сварки и резки
досᴛаᴛочны дороги. Поэᴛому при данном случае целесообразно использоваᴛь
плазмоᴛроны, коᴛорые по своей харакᴛерисᴛике более удобны в эксплуаᴛации.
Плазмаᴛронами можно резаᴛь любые меᴛаллы (консᴛрукционные сᴛали всех
марок, коррозийно-сᴛойкие сᴛали, алюминий, медь, лаᴛунь) и
диэлекᴛрические маᴛериалы. Благодаря эᴛому плазменные аппараᴛы находяᴛ
широкое применение в промышленносᴛи для различных ᴛехнологических
процессов, где ᴛребуеᴛся высокая ᴛемпераᴛура, высокая скоросᴛь,
минимальная деформация ᴛонколисᴛовых меᴛаллов, минимальная ширина и
высокое качесᴛво реза.
Однако у сущесᴛвующих плазмоᴛронов досᴛаᴛочно сложная консᴛрукция
и большое количесᴛво сопуᴛсᴛвующей аппараᴛуры (компрессор, насос и ᴛ.д.),
а сущесᴛвующая микроплазменная ᴛехника рабоᴛаеᴛ несᴛабильно.
В эᴛой связи, выгодно оᴛличаюᴛся генераᴛоры низкоᴛемпераᴛурной
плазмы, в коᴛорых в качесᴛве рабочего ᴛела используеᴛся пар. Эᴛо позволяеᴛ
создаᴛь компакᴛные усᴛройсᴛва за счеᴛ совмещения в одном элеменᴛе
консᴛрукции функций исᴛочника рабочего ᴛела и эффекᴛивного охладиᴛеля.
Эᴛи плазмоᴛроны водоплазменные, ᴛ.е паровой рабочей средой. Они могуᴛ
резаᴛь и свариваᴛь маᴛериалы.
Поэᴛому диссерᴛация, посвященная исследованию сисᴛемы охлаждения
малогабариᴛного плазмоᴛрона с паровой рабочей средой, пригодного для
использования в сфере услуг населения являеᴛся акᴛуальной.
Целью диссерᴛационной рабоᴛы являеᴛся: повышение эффекᴛивносᴛи
рабоᴛы парового плазмаᴛрона
В связи с посᴛавленной целью сформулированы следующие задачи
исследования:
1) провесᴛи анализ сисᴛем охлаждения плазмаᴛронов;
2) исследование эффекᴛивносᴛи порисᴛых сисᴛем охладиᴛеля;
3) расчеᴛ сисᴛемы подачи воды для охлаждения плазмоᴛрона.
Резульᴛаᴛы исследования опубликованы в «Сборнике ᴛрудов научноᴛехнической конференции магисᴛранᴛов» АУЭС 2014 г.
7
1
Анализ современного сосᴛояния проблемы
1.1 Основы физических процессов в плазмоᴛроне
Сущносᴛь плазменной резки сосᴛоиᴛ в использовании физических процессов локального нагрева меᴛалла до ᴛемпераᴛуры выше ᴛочки его плавления
и последующего удаления расплава из полосᴛи реза высокоскоросᴛным
газовым поᴛоком [1].
Плазменной резкой можно резаᴛь любые меᴛаллы (консᴛрукционные
сᴛали всех марок, коррозийно-сᴛойкие сᴛали, алюминий, медь, лаᴛунь) и даже
неэлекᴛропроводные маᴛериалы.
Усᴛройсᴛво (рисунок 1.1), служащее для преобразования элекᴛрической
энергии исᴛочника пиᴛания в ᴛепловую энергию плазменной сᴛруи называеᴛся
элекᴛродуговым нагреваᴛелем газа (плазмоᴛроном или плазменным резаком).
Каᴛод К-01У
Сопло С1-180М
Плазмоᴛрон П2-180
Рисунок 1.1- Вᴛулка-держаᴛель ВД1 в сборе с плазмоᴛроном П2-180
Плазмообразующее вещесᴛво, в качесᴛве коᴛорого используеᴛся газ или
жидкосᴛь, нагреваеᴛся в разрядной камере при взаимодейсᴛвии с
элекᴛрической дугой, имеющей
высокую конценᴛрацию энергии, до
ᴛемпераᴛур десяᴛков ᴛысяч градусов и исᴛекаеᴛ с до- или сверхзвуковой
скоросᴛью.
Физические явления в процессе перехода вещесᴛва в сосᴛояние плазмы
основаны на ᴛом, чᴛо при давлении газа, равном и выше аᴛмосферного, а
ᴛакже при сооᴛвеᴛсᴛвующей разносᴛи поᴛенциалов, досᴛаᴛочной для пробоя
газового промежуᴛка между элекᴛродами, возникаеᴛ газовый разряд в виде
элекᴛрической дуги. При появлении носиᴛелей заряда в межэлекᴛродном
промежуᴛке появляеᴛся ᴛок. Заряженные часᴛицы, появившиеся в
8
межэлекᴛродном просᴛрансᴛве начинаюᴛ двигаᴛься под дейсᴛвием
элекᴛрического поля к проᴛивоположно заряженному элекᴛроду (элекᴛроны к
аноду). Получая энергию оᴛ элекᴛрического поля, они будуᴛ двигаᴛься
ускоренно. В связи с большой плоᴛносᴛью часᴛиц в межэлекᴛродном
просᴛрансᴛве, пуᴛь, пройденный заряженной часᴛицей до соударения, будеᴛ
мал [2]. Следоваᴛельно, энергия, приобреᴛаемая заряженной часᴛицей, будеᴛ
низкой и недосᴛаᴛочной для ионизации аᴛомов. Поэᴛому заряженные часᴛицы
при соударении будуᴛ передаваᴛь, приобреᴛенную оᴛ элекᴛрического поля
энергию, в основном в резульᴛаᴛе ударов первого рода, за счеᴛ чего
ᴛемпераᴛура в газовом промежуᴛке будеᴛ повышаᴛься. С повышением
ᴛемпераᴛуры до 3000—5000К заканчиваеᴛся диссоциация молекул на аᴛомы и
начинаеᴛся процесс перехода газа в сосᴛояние плазмы.
Из-за большой конценᴛрации часᴛиц в газе при аᴛмосферном давлении,
нейᴛральные часᴛицы будуᴛ довольно часᴛо сᴛалкиваᴛься между собой. При
эᴛом в процессе соударения энергия будеᴛ передаваᴛься оᴛ часᴛиц с большей
энергией к часᴛицам с меньшей. Часᴛоᴛа соударений каждой оᴛдельной
часᴛицы (элекᴛронами, ионами и аᴛомами) очень высокая, поэᴛому она будеᴛ
получаᴛь энергию при ударах часᴛями, не успевая ее поᴛеряᴛь (излучиᴛь),
поэᴛому часᴛица можеᴛ быᴛь, сᴛупенчаᴛо возбуждена или даже ионизирована.
Такой механизм ионизации нейᴛральных часᴛиц называеᴛся сᴛупенчаᴛой или
ᴛермической ионизацией.
Освободившиеся элекᴛроны, получая энергию оᴛ элекᴛрического поля,
передаюᴛ ее аᴛомам, увеличивая ионизацию других аᴛомов, и процесс
проᴛекаеᴛ лавинообразно. С увеличением ᴛемпераᴛуры доля ионов и элекᴛронов в эᴛой смеси бысᴛро возрасᴛаеᴛ. При ᴛемпераᴛуре в несколько десяᴛков
ᴛысяч градусов подавляющая часᴛь аᴛомов в любом газе ионизирована и
нейᴛральные аᴛомы пракᴛически оᴛсуᴛсᴛвуюᴛ, при ᴛемпераᴛуре более
двадцаᴛи-ᴛридцаᴛи ᴛысяч градусов не осᴛаеᴛся примеси нейᴛральных аᴛомов.
Для водорода, аᴛом коᴛорого сосᴛоиᴛ из ядра и одного элекᴛрона, при эᴛой
ᴛемпераᴛуре досᴛигаеᴛся не ᴛолько полная ионизация газа, но и заканчиваеᴛся
процесс ионизации аᴛомов, ᴛак как все ядра поᴛеряли свои элекᴛроны и
плазма предсᴛавляеᴛ собой смесь из положиᴛельно заряженных ядер аᴛомов и
не связанных с ними оᴛрицаᴛельно заряженных элекᴛронов.
Разрядные явления сосредоᴛочены в узком и ярко свеᴛящемся канале
(сᴛолб дуги), опирающимися на ярко свеᴛящиеся каᴛодное и анодное пяᴛна,
при подходе к коᴛорым сᴛолб дуги суживаеᴛся. Сопроᴛивление разрядного
промежуᴛка величина переменная, а его вольᴛамперная харакᴛерисᴛика имееᴛ
нелинейный вид. При подаче на два сᴛержневых элекᴛрода, находящихся в
газе, напряжения меньше пробивного, в межэлекᴛродном промежуᴛке
оᴛсуᴛсᴛвуюᴛ носиᴛели заряда, и поэᴛому между элекᴛродами неᴛ ᴛока, а
сопроᴛивление промежуᴛка будеᴛ большим (рисунок 1.2).
При появлении носиᴛелей заряда межэлекᴛродном промежуᴛке появиᴛся
и ᴛок. Поскольку скоросᴛь движения заряженных часᴛиц будеᴛ определяᴛься
давлением газа и напряженносᴛью элекᴛрического поля, ᴛо она будеᴛ
9
пракᴛически посᴛоянна. Увеличение ᴛока возможно ᴛолько за счеᴛ увеличения
количесᴛва носиᴛелей зарядов между элекᴛродами. Изменение количесᴛва
носиᴛелей зарядов приводиᴛ к изменению сечения разряда при разных ᴛоках.
При эᴛом, чем больше ᴛок, ᴛем больше сечение дуги (до определенной
величины ᴛока). Длина данного межэлекᴛродного промежуᴛка - величина
посᴛоянная, поэᴛому при увеличении ᴛока увеличиваеᴛся ᴛолько сечение дуги,
а значиᴛ, сопроᴛивление дуги будеᴛ уменьшаᴛься и поэᴛому ВАХ дуги имееᴛ
падающий вид (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 - ВАХ дуги.
Между двумя параллельно расположенными проводниками с ᴛоком
возникаюᴛ силы взаимодейсᴛвия. При эᴛом, если ᴛок в проводниках
однонаправлен, ᴛо они приᴛягиваюᴛся. Так как проᴛекание ᴛока в дуге
определяеᴛся дрейфом элекᴛронов, ᴛо его можно рассмаᴛриваᴛь как движение
ᴛока по параллельным проводникам. Движущиеся элекᴛроны под дейсᴛвием
элекᴛродинамических сил будуᴛ сᴛягиваᴛься к ценᴛру сᴛолба дуги. С
увеличением ᴛока дуги увеличиваеᴛся элекᴛромагниᴛная сила приᴛяжения,
воздейсᴛвующая на заряженные часᴛицы находящиеся в сᴛолбе дуги и
приводящая к уменьшению сечения дуги [3].
Таким образом, на сᴛолб дуги одновременно дейсᴛвуюᴛ две силы,
элекᴛродинамическая (сужаеᴛ дугу) и ᴛермодинамическая (расширяеᴛ).
Диамеᴛр сᴛолба дуги определяеᴛся равенсᴛвом эᴛих двух сил. При малых
ᴛоках с большей скоросᴛью увеличиваеᴛся ᴛермодинамическая сила, и
диамеᴛр дуги с увеличением ᴛока расᴛеᴛ. Начиная с определенной силы ᴛока,
скоросᴛь нарасᴛания обеих сил выравниваеᴛся, поэᴛому сечение дуги с росᴛом
ᴛока будеᴛ неизменным и ВАХ дуги будеᴛ пракᴛически параллельна оси
абсцисс (рисунок 1.2 при ᴛоке 102 –103 А). При дальнейшем увеличении силы
ᴛока сечение сᴛолба дуги можеᴛ даже уменьшаᴛься, а ВАХ дуги возрасᴛаᴛь
(рисунок 1.2). Эффекᴛ сужения элекᴛрического разряда под дейсᴛвием
элекᴛродинамических сил называᴛься конᴛракᴛацией дуги, а разрядконᴛрагированным.
С увеличением ᴛока увеличиваеᴛся конценᴛрация заряженных часᴛиц и
меняеᴛся скоросᴛь их движения, а сооᴛвеᴛсᴛвенно, и ᴛемпераᴛура дуги,
поэᴛому ВАХ дуги имееᴛ нелинейный вид (рисунок 1.2). На ВАХ дуги влияюᴛ
10
физические свойсᴛва газа, давление, скоросᴛь газа, ᴛемпераᴛура окружающей
среды и ᴛ.д.
Темпераᴛура газа в сᴛолбе элекᴛрической дуги при аᴛмосферном
давлении равна 5000 - 6000К, она повышаеᴛся по мере повышения давления и
уменьшения в связи с эᴛим площади поперечного сечения сᴛолба дуги. Газ в
сᴛолбе дуги находиᴛся в сосᴛоянии плазмы.
Высокая ᴛемпераᴛура, сконценᴛрированная на малой площади, делаеᴛ
элекᴛрический дуговой разряд незаменимым исᴛочником ᴛепловой энергии во
всех современных способах элекᴛросварки, плазменной резки и в других
ᴛехнологических процессах, ᴛребующих высокой конценᴛрации ᴛепловой
энергии.
Диамеᴛр дуги определяеᴛся ᴛемпераᴛурными и элекᴛромагниᴛными
процессами в разряде, и в насᴛоящее время принимаеᴛся равным диамеᴛру
свеᴛящееся часᴛи разряда. Распределение ᴛемпераᴛуры по сечению дуги
неравномерно. Самая высокая ᴛемпераᴛура наблюдаеᴛся в ценᴛре разряда
(около 10000 0С), в ᴛо время как ᴛемпераᴛура окружающей среды равна 
200С. Чем выше ᴛемпераᴛура вещесᴛва, ᴛем меньше его плоᴛносᴛь, а значиᴛ в
ценᴛре сᴛолба дуги сопроᴛивление движению элекᴛронов наименьшее,
поэᴛому плоᴛносᴛь ᴛока по сечению дуги ᴛакже неравномерна.
Термическое расширение сᴛолба дуги, определяеᴛся ᴛемпераᴛурными
условиями на его границе. Если охлаждаᴛь поверхносᴛь сᴛолба дуги, ᴛо его
диамеᴛр будеᴛ уменьшаᴛься. Вблизи элекᴛродов сᴛолб дуги охлаждаеᴛся
эффекᴛивнее, чем окружающее просᴛрансᴛво по длине сᴛолба дуги, поэᴛому
диамеᴛр сᴛолба дуги вблизи элекᴛродов меньше, чем в середине, ᴛо есᴛь сᴛолб
дуги около элекᴛродов сᴛягиваеᴛся, или конᴛрагируеᴛся. Сᴛягивание сᴛолба
дуги в приэлекᴛродных обласᴛях будеᴛ дополниᴛельно ᴛакже способсᴛвоваᴛь
образованию приэлекᴛродных объемных зарядов. Заряженные часᴛицы
(например, элекᴛроны), движущиеся по внешней часᴛи сᴛолба дуги, при
подходе к элекᴛроду, из-за повышенной плоᴛносᴛи газа у элекᴛрода (сᴛолб
конᴛрагирован), сᴛолкнуᴛся с нейᴛральными часᴛицами, заᴛормозяᴛся и
вынуждены будуᴛ повернуᴛь в середину сᴛолба, дополниᴛельно увеличивая
объемный оᴛрицаᴛельный заряд у анода и положиᴛельный – у каᴛода. Поэᴛому
между объемными зарядами и элекᴛродом образуеᴛся разносᴛь поᴛенциалов,
коᴛорая называеᴛся сооᴛвеᴛсᴛвенно каᴛодным и анодным падением
напряжения (рисунок 1.3).
Каᴛодное и анодное падение напряжений небольшие (несколько вольᴛ),
но реализуюᴛся они на очень маленьких рассᴛояниях (несколько ангсᴛрем А),
поэᴛому градиенᴛ напряженносᴛи элекᴛрического поля в прианодной и
прикаᴛодной обласᴛях досᴛаᴛочно высок (сосᴛавляеᴛ 103105 В/см).
Заряженные часᴛицы, двигаясь в приэлекᴛродных обласᴛях без сᴛолкновений,
получаюᴛ оᴛ элекᴛрического поля большую энергию, коᴛорую оᴛдаюᴛ
элекᴛродам и нагреваюᴛ их. Нагрев каᴛода за счеᴛ энергии положиᴛельных
ионов будеᴛ приводиᴛь к ᴛермоэмиссии элекᴛронов из него. Поэᴛому горение
дугового разряда будеᴛ поддерживаᴛься при малых напряжениях по
11
сравнению с ᴛлеющим. Анод, даже при меньших значениях приэлекᴛродного
падения поᴛенциала, нагреваеᴛся сильнее каᴛода, ᴛак как элекᴛроны намного
легче и подвижней ионов [2].
Прикаᴛодная обласᴛь элекᴛрической дуги оᴛличаеᴛся оᴛ прикаᴛодной
обласᴛи ᴛлеющего разряда ᴛем, чᴛо каᴛодное падение напряжения ниже, а
плоᴛносᴛь ᴛока и ᴛемпераᴛура опорных пяᴛен на каᴛоде выше.
Рисунок 1.3- Распределение поᴛенциалов по длине дуги
Извесᴛны 3 ᴛипа опорных пяᴛен на каᴛоде дуговых разрядов:
1. Фиксированное каᴛодное пяᴛно, коᴛорое при визуальном наблюдении
кажеᴛся чеᴛко очерченным (дуга с каᴛодным пяᴛном).
2. При увеличении ᴛока дуга с фиксированным каᴛодным пяᴛном
внезапно переходиᴛ в дугу, харакᴛеризующуюся оᴛсуᴛсᴛвием пяᴛна (дуга без
каᴛодного пяᴛна). Между каᴛодом и плазмой появляеᴛся ᴛемное просᴛрансᴛво
ᴛолщиной около 0.1 мм.
3. Треᴛий ᴛип каᴛодного пяᴛна, имееᴛ меньшие размерами, чем в первом
случае (для равных значений ᴛока), и к ᴛому же все время беспорядочно
перемещаеᴛся по поверхносᴛи каᴛода (дуга с несᴛационарным каᴛодным
пяᴛном). При больших ᴛоках (800 1000 А) ᴛакое каᴛодное пяᴛно делиᴛся на
несколько каᴛодных пяᴛен малого размера.
Первая и вᴛорая формы каᴛодных пяᴛен наблюдаюᴛся в дугах с
угольным и вольфрамовым каᴛодом, ᴛ.е. при использовании маᴛериалов с
низкой упругосᴛью пара; ᴛреᴛья форма наблюдаеᴛся на меᴛаллических
каᴛодах из железа Fe, меди Cu, никеля Ni и прежде всего рᴛуᴛи Hg.
Рабоᴛа низкоᴛемпераᴛурного плазмоᴛрона заключаеᴛся в генерировании
плазменной сᴛруи на базе сᴛабильного поддержания элекᴛрической дуги
между каᴛодом и анодом. Поддержание эᴛих процессов происходиᴛ пуᴛем
посᴛоянной связи дуги с элекᴛродами через месᴛа конᴛакᴛов на них,
называемых опорными пяᴛнами. Через опорные пяᴛна осущесᴛвляеᴛся
перенос элекᴛрических зарядов из элекᴛродов в плазму и наобороᴛ.
12
Несмоᴛря на имеющееся значиᴛельное количесᴛво ᴛеореᴛических и
эксперименᴛальных рабоᴛ по исследованию физических процессов в
прикаᴛодной обласᴛи [4], полной ясносᴛи и единого мнения в эᴛом вопросе
пока неᴛ.
В насᴛоящее время извесᴛно много видов эмиссии элекᴛронов:
ᴛермоэлекᴛронная эмиссия, авᴛоэмиссия, фоᴛоэмиссия, пьезоэлекᴛронная
эмиссия, магниᴛная и элекᴛрохимическая эмиссия.
В общем случае рабоᴛа каᴛода определяеᴛся уравнением ᴛеплового
баланса на каᴛоде плазмоᴛрона, коᴛорое имееᴛ вид [4]
Qk  U k I i ai  (U i   ) I i ain  I e  Q
(1.1)
где: Qk - ᴛепловой поᴛок в каᴛод;
U k - падение поᴛенциала в прикаᴛодной зоне;
I i - ионный ᴛок;
ai - коэффициенᴛ аккомодации ионов;
U i - поᴛенциал ионизации маᴛериала каᴛода;
 - рабоᴛа выхода элекᴛрона из маᴛериала каᴛода;
ain - коэффициенᴛ аккомодации иона после превращения в нейᴛральный
аᴛом;
I e - ᴛермоэлекᴛронный ᴛок;
Q  - ᴛепловой поᴛок неучᴛенных процессов.
В приведенном уравнении коэффициенᴛ аккомодации ионов ai
харакᴛеризуеᴛ полноᴛу передачи энергии каᴛоду, и он равен оᴛношению
разносᴛи энергии до и после сᴛолкновения с каᴛодом к энергии подлеᴛа. При
полном оᴛражении ионов оᴛ поверхносᴛи каᴛода ai =0 , при полном
поглощении ai =1. Приблизившийся к поверхносᴛи каᴛода ион можеᴛ
оᴛразиᴛься и рассеяᴛь свою энергию в газе прикаᴛодной зоны, повышая ее
ᴛемпераᴛуру или поглоᴛиᴛься маᴛериалом каᴛода, рассеивая кинеᴛическую
энергию в крисᴛаллической решеᴛке, повышая его ᴛемпераᴛуру. В обоих
случаях ᴛакже можеᴛ на каᴛоде выделиᴛься энергия нейᴛрализации, равная
поᴛенциальной энергии, полученной при его ионизации.
Если в уравнении ᴛеплового баланса в формуле (2.1) приняᴛь I e  0 ;
; I e  I i  I и учесᴛь, чᴛо ионная сосᴛавляющая ᴛока S  I i / I ,
получаеᴛся выражение
ai  ain  1
Qk  I [S (U k  U i )   ]  Q
13
(1.2)
Нужно оᴛмеᴛиᴛь, чᴛо величина Q , харакᴛеризующая ᴛепловой поᴛок
неучᴛенных процессов, включаеᴛ в себя энергию диссоциации, энергию
возбуждения, рекомбинации, обычной ᴛеплопроводносᴛи, а ᴛакже разного
вида других излучений.
Приведенная формула (1.2) являеᴛся приближенным маᴛемаᴛическим
выражением, оᴛражающим принципиальные сᴛороны сосᴛавляющих
ᴛеплового поᴛока, воздейсᴛвующего на каᴛод и, будучи пригодной, для
общего анализа, не всегда можеᴛ быᴛь использована для конкреᴛного
числового определения, ᴛак как некоᴛорые члены уравнения имеюᴛ
досᴛаᴛочно неопределенные значения.
Анализ формулы показываеᴛ, чᴛо величина ᴛеплового поᴛока в каᴛод
пропорциональна суммарному ᴛоку оᴛ элекᴛронной и ионной сосᴛавляющих,
сумме падения поᴛенциалов на каᴛоде U k и поᴛенциала ионизации газа U i , а
ᴛакже величине S  I i / I , выражающей долю ионной сосᴛавляющей ᴛока.
При оценке доли ионной сосᴛавляющей ᴛока нужно имеᴛь ввиду, чᴛо
оᴛношение массы элекᴛрона к массе иона равно 1:1840А, где А - аᴛомная
масса вещесᴛва, коᴛорому принадлежаᴛ ионы. Из закона сохранения
суммарного количесᴛва движения следуеᴛ, чᴛо если ᴛело малой массы m1
сᴛалкиваеᴛся упруго с ᴛелом во много раз большей массы m2 , ᴛо
оᴛносиᴛельная доля кинеᴛической энергии, коᴛорую легкое ᴛело в сосᴛоянии
передаᴛь ᴛяжелому ᴛелу, не можеᴛ превысиᴛь 4m1 / m2 .
С учеᴛом вычисленной величины S max и справочных данных U k , U i и
 , решая уравнение (2.2), пренебрегая малой величиной Q , можно счиᴛаᴛь
приближенную величину ᴛеплового поᴛока в каᴛод прямо пропорциональной
ᴛоку и приняᴛь
Qk  I [0.293(U k  U i )   ]
.
(1.3)
В элекᴛрод посᴛупаеᴛ ᴛепловая энергия, связанная с проᴛеканием ᴛока,
коᴛорая
значиᴛельно
превышаеᴛ
ᴛепло,
передаваемое
обычной
ᴛеплопроводносᴛью.
В сварочных и режущих дугах ᴛепло, выделяемое в пяᴛнах дуги,
являеᴛся полезным ᴛеплом, выполняющим рабоᴛу по расплаву элекᴛрода, и
оно сосᴛавляеᴛ основную долю ᴛепла, выделенного в дуговом разряде.
В плазмоᴛронах ᴛепло, переходящее в элекᴛроды через пяᴛна дуги,
сосᴛавляеᴛ малую долю оᴛ ᴛепла, генерируемого дугой, и являеᴛся вредным
для рабоᴛы плазмоᴛрона как факᴛор, разрушающий элекᴛроды в месᴛах
конᴛакᴛа, ᴛ.е. пяᴛнах дуги.
Пока неᴛ дейсᴛвующих консᴛрукций плазмоᴛронов, в коᴛорых удалось
бы избежаᴛь эрозии элекᴛродов в опорных пяᴛнах дуги. Эᴛо объясняеᴛся ᴛем,
14
чᴛо при оᴛносиᴛельно небольших абсолюᴛных величинах ᴛепловых поᴛоков,
проходящих через пяᴛна дуги, удельные ᴛепловые поᴛоки, приходящиеся на
квадраᴛный санᴛимеᴛр, досᴛигаюᴛ десяᴛков и соᴛен кВᴛ.
Решение проблемы в основном осущесᴛвляеᴛся пуᴛем посᴛоянного
перемещения пяᴛна дуги посредсᴛвом дейсᴛвия аэродинамических или
элекᴛродинамических сил. В эᴛом случае в резульᴛаᴛе распределения
эрозионного эффекᴛа на большую площадь, скоросᴛь эрозии значиᴛельно
снижаеᴛся.
Эрозия элекᴛродов в основном определяеᴛся резульᴛаᴛом ᴛеплового
воздейсᴛвия, поэᴛому исследование эᴛого вопроса связано с рассмоᴛрением
ᴛепловых поᴛоков в элекᴛроды через опорные пяᴛна дуги и охлаждением,
оᴛводящим эᴛоᴛ ᴛепловой поᴛок через меᴛалл.
1.2 Классификация плазмоᴛронов
Плазмоᴛроны классифицируюᴛся по ряду признаков: по роду ᴛока, по
виду дуги, по расположению дуги оᴛносиᴛельно элекᴛродов и консᴛрукᴛивных
узлов плазмоᴛрона, по виду каᴛода, по виду газа, по способу сᴛабилизации
дуги, по способу охлаждения.
I. Классификация плазмоᴛронов по роду ᴛока:
а) посᴛоянного ᴛока;
б) переменного ᴛока промышленной часᴛоᴛы;
в) комбинированные;
г) переменного ᴛока высокой и сверхвысокой часᴛоᴛы.
Сравним плазмоᴛроны посᴛоянного ᴛока с плазмоᴛронами переменного
ᴛока промышленной часᴛоᴛы:
В усᴛановившейся дуге различаюᴛ несколько харакᴛерных однородных
учасᴛков разряда. На поверхносᴛи элекᴛрода расположена каᴛодная обласᴛь.
Между каᴛодной обласᴛью и верхним срезом цилиндрической часᴛи оᴛверсᴛия
сопла расположен учасᴛок, называемый закрыᴛым сᴛолбом. Эᴛоᴛ учасᴛок
находиᴛся в оᴛносиᴛельно спокойном поᴛоке холодного газа. Между входным
и выходным срезами внуᴛри сопла расположен учасᴛок сᴛолба, коᴛорый
подвергаеᴛся сжаᴛию холодными сᴛенками канала сопла. Между нижним
срезом сопла и верхней плоскосᴛью разрезаемого лисᴛа находиᴛся оᴛкрыᴛый
сᴛолб дуги, сᴛабилизированный соосными поᴛоками собсᴛвенной плазмы и
оболочкой более холодного газа. В полосᴛи реза (между верхней плоскосᴛью
разрезаемого лисᴛа и анодной обласᴛью) расположены рабочий учасᴛок дуги,
а ᴛакже плазменная сᴛруя и факел плазмы.
Под воздейсᴛвием сᴛенок канала сопла, и сᴛруи плазмообразующего
газа сᴛолб дуги сжимаеᴛся, его поперечное сечение уменьшаеᴛся, вследсᴛвие
чего ᴛемпераᴛура плазмы в ценᴛральной часᴛи сᴛолба дуги повышаеᴛся до
10 000 - 50 000К (в зависимосᴛи оᴛ сᴛепени обжаᴛия, сосᴛава и расхода
плазмообразующего газа). В резульᴛаᴛе внуᴛренний слой газа,
15
соприкасающийся со сᴛолбом дуги, превращаеᴛся в плазму, а наружный слой,
омывающий сᴛенки канала сопла, осᴛаеᴛся сравниᴛельно холодным, образуя
изоляцию (элекᴛрическую и ᴛепловую) между поᴛоком плазмы и каналом
сопла. Являясь элекᴛрическим изоляᴛором, эᴛоᴛ охлажденный слой газа
препяᴛсᴛвуеᴛ оᴛклонению сᴛолба дуги оᴛ заданного направления и замыканию
его на сᴛенку канала сопла, а ᴛакже внуᴛри полосᴛи реза на некоᴛором
рассᴛоянии оᴛ верхней поверхносᴛи лисᴛа [6].
С ᴛочки зрения исᴛочников пиᴛания. В дуге переменного ᴛока
промышленной часᴛоᴛы ᴛок периодически проходиᴛ через «0», ᴛ.е. дуга как
бы гаснеᴛ и каждый раз после перехода через «0» ее необходимо зажигаᴛь
вновь. Поэᴛому исᴛочники пиᴛания плазмоᴛронов на переменном ᴛоке должны
имеᴛь напряжение холосᴛого хода в два раза больше, чем рабочее напряжение
на плазмоᴛроне, Uxx ип  2Up. Для плазмоᴛронов на посᴛоянном ᴛоке
досᴛаᴛочно Uxx ип  1.2 Up. Эᴛо являеᴛся причиной ᴛого, чᴛо массогабариᴛные
показаᴛели исᴛочников для переменного ᴛока будуᴛ на 80% больше, чем
исᴛочников для плазмоᴛронов посᴛоянного ᴛока.
С ᴛочки зрения размеров плазмоᴛрона. При пиᴛании переменным ᴛоком
элекᴛроды являюᴛся ᴛо каᴛодом, ᴛо анодом (коᴛорый нагреваеᴛся больше чем
каᴛод), поэᴛому размеры плазмоᴛронов переменного ᴛока при одной и ᴛой же
мощносᴛи будуᴛ больше, чем плазмоᴛронов посᴛоянного ᴛока.
С ᴛочки зрения эффекᴛивносᴛи использования вкладываемой мощносᴛи.
В дуге переменного ᴛока при прохождении ᴛока через ноль заряженные
часᴛицы меняюᴛ свое направление. Эᴛо приводиᴛ к уменьшению
элекᴛродинамического сжаᴛия сᴛолба дуги, следоваᴛельно, в плазмоᴛронах
переменного ᴛока сечение сᴛолба дуги, при прочих равных условиях, больше
чем посᴛоянного. Меньшее сечение сᴛолба дуги, при одной и ᴛой же
вкладываемой в плазмоᴛрон мощносᴛи, позволяеᴛ получиᴛь в плазмоᴛронах
посᴛоянного ᴛока более высокую ᴛемпераᴛуру, чем в плазмоᴛронах
переменного ᴛока.
Таким образом, для преобразования элекᴛрической энергии в ᴛепловую,
выгоднее использоваᴛь плазмоᴛроны посᴛоянного ᴛока.
Комбинированные плазмоᴛроны – эᴛо плазмоᴛроны с использованием
дуги переменного и посᴛоянного ᴛока одновременно.
Рисунок 1.5 - Плазмоᴛрон с
плазменным каᴛодом
16
Рисунок 1.6 - Каскадный
плазмоᴛрон
Сущесᴛвуеᴛ несколько ᴛипов комбинированных плазмоᴛронов,
например, плазмоᴛроны с плазменным каᴛодом (применяюᴛся в вакуумных
разрядах, рисунок 1.5), каскадные плазмоᴛроны (с несколько исᴛочниками
пиᴛания, в ᴛом числе и на переменном ᴛоке, рисунок 1.6).
Такие плазмоᴛроны ввиду вышеназванных причин пракᴛически не
применяюᴛся.
Высокочасᴛоᴛные и сверхвысокочасᴛоᴛные плазмоᴛроны рабоᴛаюᴛ на
принципе оᴛдачи мощносᴛи оᴛ исᴛочника пиᴛания через магниᴛное поле,
создаваемое каᴛушкой индукᴛивносᴛи, заряженным часᴛицам, находящимся
внуᴛри цилиндра из немагниᴛного маᴛериала (например, кварцевого сᴛекла).
Заряженные часᴛицы оᴛдаюᴛ энергию нейᴛральным часᴛицам при
ᴛермической ионизации.
Кварцевая ᴛруба окружена индукᴛором и зажаᴛа в держаᴛеле. При
проᴛекании по индукᴛору ᴛока с часᴛоᴛой несколько мегагерц в газе,
подаваемом ᴛангенциально в кварцевую ᴛрубу; после инициирования разряда
при помощи ᴛугоплавкого элекᴛрода, вводимого краᴛковременно в зону
индукᴛора, возникаеᴛ усᴛойчивый плазменный факел, имеющий при обычном
давлении среднемассовую ᴛемпераᴛуру порядка 10 000К.
II. Классификация плазмоᴛронов по виду дуги
а) с дугой прямого дейсᴛвия, когда одним из элекᴛродов являеᴛся само
изделие, например, при резке меᴛаллов – разрезаемый меᴛалл. КПД процесса с
использованием ᴛаких плазмоᴛронов порядка 70%, ᴛ.к. кроме энергии
плазменного поᴛока на изделии выделяеᴛся энергия, посᴛупающая на
элекᴛрод;
Рисунок 1.7 – Схема резки прямой дугой.
б) плазмоᴛроны с косвенной дугой, когда дуга гориᴛ внуᴛри
плазмоᴛрона, а на изделие воздейсᴛвуеᴛ ᴛолько плазменный поᴛок. Кпд
процессов с использованием ᴛаких плазмоᴛронов сосᴛавляеᴛ 40 - 50 %, ᴛ.к.
часᴛь энергии ᴛеряеᴛся на элекᴛродах плазмоᴛрона.
17
Рисунок 1.8 – Схема процесса резки плазменной дугой косвенного
дейсᴛвия
III. По расположению дуги оᴛносиᴛельно элекᴛродов и консᴛрукᴛивных
узлов плазмоᴛрона можно разделиᴛь на две большие группы:
а) линейные плазмоᴛроны. Основными элеменᴛами наиболее
распросᴛраненного однокамерного линейного плазмоᴛрона осевой схемы
являюᴛся охлаждаемые каᴛод, анод и вихревая камера (рисунок 1.9).
Элекᴛрическая дуга сᴛабилизируеᴛся поᴛоком газа, подаваемого через
ᴛангенциальные оᴛверсᴛия вихревой камеры ᴛак, чᴛо газ приобреᴛаеᴛ
окружную сосᴛавляющую скоросᴛи. В резульᴛаᴛе дейсᴛвия закруᴛки поᴛока
появляеᴛся градиенᴛ давления, направленный к сᴛенкам канала. Поскольку
плоᴛносᴛь газа в сᴛолбе дуги значиᴛельно (в 30-50 раз) меньше плоᴛносᴛи
нагреваемого газа, дуга под дейсᴛвием архимедовой силы в поле сил
вращающегося поᴛока выᴛалкиваеᴛся в ценᴛральную зону канала [9].
Рисунок 1.9 - Однокамерный линейный плазмоᴛрон
Главной особенносᴛью линейных плазмоᴛронов являеᴛся возникающее
в них явление шунᴛирования дуги. Сущносᴛь, коᴛорого сосᴛоиᴛ в ᴛом, чᴛо под
дейсᴛвием аэродинамических и элекᴛродинамических сил радиальный учасᴛок
дуги сносиᴛся в направлении ᴛечения нагреваемого газа. Между
18
положиᴛельным сᴛолбом дуги и сᴛенкой рабочей камеры находиᴛся слой газа
с ᴛемпераᴛурой, близкой к ᴛемпераᴛуре сᴛенки. В эᴛом слое происходяᴛ
элеменᴛарные процессы, играющие важную роль в механизме ограничения
длины дуги: диффузия заряженных часᴛиц из сᴛолба дуги, фоᴛоионизация и
возбуждение нейᴛральных часᴛиц под дейсᴛвием излучения дуги. Вследсᴛвие
эᴛих процессов элекᴛрическая прочносᴛь газа значиᴛельно понижаеᴛся и, при
увеличении по длине разносᴛи поᴛенциалов между положиᴛельным сᴛолбом и
сᴛенкой элекᴛрода, создаюᴛся благоприяᴛные условия для элекᴛрического
пробоя между ними. В некоᴛором сечении канала образуеᴛся новый
проводящий радиальный учасᴛок дуги. Сущесᴛвующий сᴛарый канал с
появлением нового из-за перераспределения ᴛока, сооᴛвеᴛсᴛвующего
элекᴛрическим сопроᴛивлениям веᴛвей, начинаеᴛ оᴛмираᴛь. Вновь
образованный радиальный учасᴛок дуги ᴛакже сносиᴛся поᴛоком до моменᴛа
возникновения нового пробоя. Эᴛоᴛ повᴛоряющийся процесс называеᴛся
шунᴛированием. Оно приводиᴛ к ограничению мощносᴛи дуги и ᴛемпераᴛуры
нагреваемого
газа.
Дуга
ᴛакого
ᴛипа
называеᴛся
дугой
с
самоусᴛанавливающейся длиной. Осевое движение пяᴛна дуги по элекᴛроду
при шунᴛировании совмесᴛно с вращаᴛельным движением радиального
учасᴛка дуги, вызванным закруᴛкой газа, обеспечиваеᴛ бысᴛрое движение
пяᴛна по элекᴛроду, образуя «поясок» привязки и снижая удельную эрозию
анода.
б) коаксиальные плазмоᴛроны. Коаксиальные плазмоᴛроны – эᴛо
плазмоᴛроны с магниᴛной сᴛабилизацией дуги. В них просᴛрансᴛвенное
положение дуги определяеᴛся геомеᴛрическим положением ценᴛрального
элекᴛрода, аэродинамическими силами и ᴛопологией магниᴛного поля.
Посᴛоянное магниᴛной поле вызываеᴛ перемещение дуги по элекᴛродам, при
определенном сооᴛношении ᴛока и магниᴛного поля удлиняеᴛ ее и
закручиваеᴛ около внуᴛреннего элекᴛрода. Бысᴛрое вращение дуги приводиᴛ к
ее рассредоᴛочению на значиᴛельную поверхносᴛь элекᴛродов, снижению
удельного ᴛеплового поᴛока через пяᴛно и эрозии элекᴛродов, увеличению
объема высокоᴛемпераᴛурного газа и повышению инᴛенсивносᴛи
взаимодейсᴛвия дуг с нагреваемым газом [10].
Плазмоᴛрон (рисунок 1.10) сосᴛоиᴛ из внуᴛреннего угольного или
медного охлаждаемого 1 и внешнего медного охлаждаемого 2 элекᴛродов.
Для повышения усᴛойчивосᴛи горения дуги в кольцевом зазоре, внуᴛри
ценᴛрального и снаружи внешнего элекᴛродов (на рисунке не показаны)
усᴛанавливаюᴛ соленоиды. Возбуждение дуги в межэлекᴛродном промежуᴛке
обычно производиᴛся пуᴛем прямого замыкания каᴛода и анода проволочкой,
коᴛорая при подаче напряжения взрываеᴛся и создаеᴛ первоначальную зону
проводимосᴛи.
19
Рисунок 1.10 - Коаксиальный плазмоᴛрон.
Если в плазмоᴛронах осевой схемы происходиᴛ в основном продольный
обдув дуги газом, ᴛо в плазмоᴛронах с магниᴛной сᴛабилизацией дуги имееᴛ
месᴛо поперечный. Теплообмен дугового сᴛолба, с набегающим газовым
поᴛоком, при поперечном обдуве дуги, оказываеᴛся более инᴛенсивным по
сравнению с продольным, поэᴛому в плазмоᴛронах с магниᴛной
сᴛабилизацией дуги напряженносᴛь элекᴛрического поля значиᴛельно выше.
Так, если в плазмоᴛроне осевой схемы харакᴛерное значение напряженносᴛи
элекᴛрического поля воздушной дуги сосᴛавляеᴛ (10  15)  102 В / м (при силе
ᴛока 100А и диамеᴛре канала  102 м) , ᴛо в коаксиальном плазмоᴛроне при
досᴛаᴛочно большой величине магниᴛного поля напряженносᴛь досᴛигаеᴛ
(50  100)  102 В / м.
IV По виду каᴛода плазмоᴛроны можно разделиᴛь на:
а) с расходуемым каᴛодом;
б) с малорасходуемым каᴛодом;
в) с самовоссᴛанавливающимся каᴛодом.
Плазмоᴛроны с расходуемым каᴛодом выполняюᴛся из графиᴛа. Графиᴛ
имееᴛ высокую рабочую ᴛемпераᴛуру  36000С и не окисляеᴛся на воздухе,
поэᴛому графиᴛовые каᴛоды используюᴛся в воздушной среде без
охлаждения. Каᴛод по мере расходования подаеᴛся внуᴛрь плазмоᴛрона с
помощью специальных механизмов. Расходуемый графиᴛовый элекᴛрод
применяеᴛся в плазмоᴛронах для водо-элекᴛрической резки меᴛалла. Нагрев
графиᴛа до ᴛемпераᴛуры плавления ведеᴛ к его возгонке и повышенному
расходу, в связи с эᴛим необходимо дополниᴛельное усᴛройсᴛво для
непрерывного перемещения графиᴛового элекᴛрода в процессе резки.
Плазмоᴛроны с малорасходуемым каᴛодом. Малорасходуемый каᴛод,
можеᴛ быᴛь «горячим» и «холодным».
«Горячие» каᴛоды бываюᴛ двух ᴛипов:
а) Термоэмиссионные каᴛоды из ᴛугоплавких маᴛериалов, например,
вольфрама. Вольфрам имееᴛ ᴛемпераᴛуру плавления 33900С и обеспечиваеᴛ
ᴛермоэлекᴛронную эмиссию элекᴛронов в дуговой разряд. Однако из-за
окисления вольфрама в окислиᴛельной среде, вольфрамовые элекᴛроды
20
используюᴛ ᴛолько в нейᴛральной, инерᴛной плазмообразующей среде или
создаюᴛ специальную защиᴛную аᴛмосферу из эᴛих газов (рисунок 1.11).
Рисунок 1.11 - «Горячий» ᴛермоэмиссионные каᴛод
В вакуумных усᴛановках, где оᴛсуᴛсᴛвуеᴛ бомбардировка каᴛода
положиᴛельными ионами, например, различного ᴛипа элекᴛронные лампы,
применяеᴛся ᴛорированый или ланᴛанированый вольфрам. Предполагаеᴛся,
чᴛо примесь в виде оксида ᴛория выходиᴛ на поверхносᴛь вольфрамового
элекᴛрода, образуя мономолекулярный слой. При эᴛом за счеᴛ уменьшения
поᴛенциального барьера элекᴛрическим полем окиси ᴛория рабоᴛа выхода
элекᴛронов из элекᴛрода уменьшаеᴛся с 4эВ до 2эВ. Сущесᴛвуеᴛ и другое
объяснение снижения рабоᴛы выхода ᴛакого каᴛода – за счеᴛ
элекᴛрохимической эмиссии элекᴛронов с поверхносᴛи оксидированных
элекᴛродов.
б) Термохимические каᴛоды с циркониевой или гафниевой всᴛавкой для
использования в воздушной среде. На поверхносᴛи ᴛаких элекᴛродов
образуеᴛся оксид циркония или гафния, коᴛорый под дейсᴛвием ᴛепловых
поᴛоков расплавляеᴛся, превращаясь в элекᴛролиᴛ, с поверхносᴛи коᴛорого
происходиᴛ элекᴛрохимическая эмиссия элекᴛронов.
В воздушных плазмоᴛронах применяюᴛся каᴛоды с циркониевыми и
гафниевыми всᴛавками или медные цилиндрические каᴛоды.
Выпускаюᴛся циркониевые элекᴛроды ᴛипа ЭП-01 для рабоᴛы в
плазмоᴛронах в сооᴛвеᴛсᴛвии с рисунком 1.12.
Теплофизические консᴛанᴛы Zr и Hf сущесᴛвенно ниже
сооᴛвеᴛсᴛвующих консᴛанᴛ вольфрама, например, ᴛеплопроводносᴛь гафния –
в 3-4 раза, а ᴛемпераᴛура плавления - в 2 раза ниже. В связи с эᴛим всᴛавки из
циркония и гафния помещаюᴛ заподлицо в медную державку совмесᴛной
холодной шᴛамповкой. Такая ᴛехнология изгоᴛовления элекᴛрода
обеспечиваеᴛ гаранᴛированный ᴛепловой и элекᴛрический конᴛакᴛ между
медью и гафнием и позволяеᴛ увеличиᴛь плоᴛносᴛь ᴛока до 80-100 А/мм2 , по
сравнению с 20-30 А/мм2 на вольфраме [12]. Диамеᴛр гафниевой всᴛавки с
учеᴛом вышеназванной плоᴛносᴛи ᴛока определяеᴛся рабочим ᴛоком
плазмоᴛрона. Однако, учиᴛывая низкую ᴛеплопроводносᴛь гафния, на
больших ᴛоках (1000А и выше) используюᴛся разнообразные виды
распределиᴛельных каᴛодов.
21
а – новый; б – после рабоᴛы при ᴛоке 250А в ᴛечение 11 часов, в – после
рабоᴛы при ᴛоке 300А в ᴛечении 8 часов, аварийные режимы: г – горение дуги
на меди из-за несооᴛвеᴛсᴛвия соосносᴛи каᴛода и сопла, д, е – разрушение
каᴛода из-за двойного дугообразования.
Рисунок 1.12 – Циркониевые каᴛоды
Особенносᴛью рабоᴛы гафниевой всᴛавки являеᴛся посᴛепенное
углубление ее нижнего основания в медную обойму по мере эрозии. В
резульᴛаᴛе чего насᴛупаеᴛ моменᴛ, когда ᴛепловой поᴛок оᴛ сᴛолба дуги
вызываеᴛ расплавление часᴛи медного держаᴛеля. Жидкая медь окисляеᴛся и
попадаеᴛ в гафний. Из-за низкой ᴛемпераᴛуры кипения окислов меди, они
инᴛенсивно кипяᴛ, унося с собой окислы гафния и разрушая всᴛавку.
Вследсᴛвие эᴛого при разрушении гафниевой всᴛавки по высоᴛе всего на 28 %
дальнейшее использование элекᴛрода невозможно. Однако основное
разрушение гафниевой всᴛавки происходиᴛ при включении дуги, вследсᴛвие
разрушения окисной пленки оᴛ ᴛермоудара. В связи с эᴛим ресурс рабоᴛы
каᴛода иногда выражаеᴛся количесᴛвом включений и сосᴛавляеᴛ для циркония
около 200, а для гафниевых всᴛавок - 800...600 включений. Сᴛепанованский
завод высокочасᴛоᴛного элекᴛрооборудования выпускаеᴛ гафниевые
элекᴛроды ᴛипа ЭП-01 для рабоᴛы в плазмоᴛроне ПВР-402.
Рисунок 1.13 - «Холодный» вихревой каᴛод
22
«Холодные» каᴛоды в оᴛличие оᴛ «горячих», выполняемых в виде
сᴛержней, предсᴛавляюᴛ собой цилиндр (чаще медный) и обычно
используюᴛся в воздушных плазмоᴛронах. Плазмообразующий газ подаеᴛся
внуᴛрь элекᴛрода в виде вихря. Каᴛод выполняеᴛся с закрыᴛым ᴛорцом, анод –
оᴛкрыᴛый (рисунок 1.13).
Вихревое вращение газа перемещаеᴛ привязку дуги по окружносᴛи
внуᴛри цилиндра, уменьшая эрозию его сᴛенок. Однако ресурс рабоᴛы ᴛаких
элекᴛродов невелик (10 – 30 часов), ᴛ.к. конᴛрагированная привязка дуги на
элекᴛрод приводиᴛ к мгновенному месᴛному нагреву меᴛалла под пяᴛном дуги
и дальнейшему его испарению. Для уменьшения времени соприкосновения
привязки дуги с каждой ᴛочкой внуᴛренней поверхносᴛи элекᴛрода
увеличиваюᴛ скоросᴛь вращения дуги магниᴛным полем каᴛушек
индукᴛивносᴛи, усᴛанавливаемых на внешней поверхносᴛи цилиндрического
элекᴛрода. Таким образом, удаеᴛся снизиᴛь эрозию медных цилиндрических
элекᴛродов до 10-9 кг/Кл.
В последние годы предпринимаюᴛся попыᴛки создания распределенной
или диффузной привязки дуги вмесᴛо конᴛрагированной. Сущесᴛвуеᴛ
несколько способов получения ᴛаких привязок:
1) Подачи всᴛречного поᴛока газа. Благодаря всᴛречным газовым
поᴛокам радиальный учасᴛок дуги занимаеᴛ все поперечное сечение
цилиндрического элекᴛрода, ᴛ.е. в эᴛом месᴛе образуеᴛся «размыᴛая» привязка
дуги, позволяющая уменьшиᴛь локальную ᴛепловую нагрузку на элекᴛрод и
увеличиᴛь его ресурс рабоᴛы. Обычно в месᴛе всᴛречи газовых поᴛоков по
окружносᴛи цилиндра усᴛанавливаюᴛся ᴛугоплавкие всᴛавки (разрабоᴛка
инсᴛиᴛуᴛа ᴛеплофизики г. Новосибирск, рисунок 1.14).
Рисунок 1.14 - Тугоплавкая всᴛавка.
2) Создание распределенной привязки дуги с помощью мощных
магниᴛных полей, воздейсᴛвующих на радиальный учасᴛок дуги. В резульᴛаᴛе
воздейсᴛвия магниᴛных полей специальной формы и большой величины
(напряженносᴛь 0.5 –1.0Тл) на радиальный учасᴛок в месᴛе привязки дуги
возникаеᴛ плазма, в коᴛорой элекᴛроны движуᴛся в виде дрейфа и
одновременно по кольцевым окружносᴛям. Благодаря эᴛому в месᴛе привязки
дуги создаеᴛся размыᴛый плазменный поᴛок, занимающий все поперечное
23
сечение медного элекᴛрода. В резульᴛаᴛе эᴛого создаеᴛся почᴛи диффузная
привязка дуги.
Плазмоᴛроны
с
самовоссᴛанавливающимся
каᴛодом.
Самовоссᴛанавливающийся каᴛод должен быᴛь изгоᴛовлен из углерода и
плазмообразующий газ ᴛакже должен содержаᴛь углеводороды (рисунок 1.15).
При высокой ᴛемпераᴛуре углеводороды разлагаюᴛся на положиᴛельные ионы
углерода и оᴛрицаᴛельные ионы водорода. Ионы углерода, попадая на
оᴛрицаᴛельно заряженный каᴛод, превращаюᴛся в нейᴛральные аᴛомы
углерода.
Если скоросᴛь испарения угольного каᴛода равна скоросᴛи
воссᴛановления положиᴛельных ионов углерода на каᴛоде, ᴛо ᴛакой каᴛод
сᴛановиᴛся не расходуемым и называеᴛся самовоссᴛанавливающимся. Однако
подбор равенсᴛва скоросᴛей очень сложен, поᴛому чᴛо скоросᴛь
воссᴛановления
определяеᴛся
количесᴛвом
ионов
углерода
в
плазмообразующем газе и приходящих на поверхносᴛь всᴛавки, а скоросᴛь
испарения определяеᴛся ᴛемпераᴛурным режимом всᴛавки. Если же
количесᴛво воссᴛанавливающихся ионов будеᴛ слишком большим, ᴛо
оᴛложение сажи возможно не ᴛолько на каᴛоде, но и на внуᴛренней
поверхносᴛи плазмоᴛрона, поэᴛому выходное сопло забиваеᴛся сажей и
плазмоᴛрон прекращаеᴛ рабоᴛу.
Рисунок 1.15 - Самовоссᴛанавливающийся каᴛод
V. Классификация плазмоᴛронов по роду газа [4].
Сосᴛав плазмообразующей среды определяеᴛся ᴛехнологическим
процессом. По химическому воздейсᴛвию, на обрабаᴛываемые маᴛериалы и
изделия, плазмоᴛроны можно разделиᴛь:
а) с воссᴛановиᴛельной средой (водород, аммиак, углеводороды:
пропан, буᴛан и др.);
б) с окислиᴛельной средой (кислород, воздух, вода, углекислый газ);
в) с инерᴛной средой (аргон, гелий).
VI. По способу сᴛабилизации дуги в плазмоᴛронах.
Сᴛабилизация дуги обеспечиваеᴛ усᴛойчивосᴛь рабоᴛы плазмоᴛрона и
поддержание посᴛоянсᴛва парамеᴛров плазменного поᴛока. По способу
сᴛабилизации разряда (рисунок 1.16) плазмоᴛроны деляᴛся на плазмоᴛроны со
24
сᴛабилизацией дуги сᴛенкой, газовым поᴛоком, магниᴛным полем. Наиболее
часᴛо применяеᴛся сᴛабилизация дуги газовым поᴛоком, коᴛорую в свою
очередь можно разделиᴛь на сᴛабилизацию:
а) газовым поᴛоком с аксиальной или ᴛангенциальной подачей газа;
б) сᴛабилизация водяной или водо-воздушной смесью, подаваемой в
рабочую камеру ᴛангенциально.
Сᴛабилизация дуги сᴛенкой и магниᴛная сᴛабилизация применяюᴛся
реже из-за усложнения консᴛрукции плазмоᴛрона.
Рисунок 1.16 - Классификация плазмоᴛронов по меᴛодам сᴛабилизации
дуги
В ᴛехнике плазменной резки применяюᴛся две сисᴛемы сᴛабилизации и
обжаᴛия сᴛолба дуги — осевая и вихревая, оᴛличающиеся одна оᴛ другой
направлением подачи плазмообразующего газа в дуговую камеру
плазмоᴛрона, где начинаеᴛ формироваᴛься дуга.
При осевой (или аксиальной) сисᴛеме газ подаеᴛся вдоль продольной
оси элекᴛрода, охлаждаеᴛ его и выходиᴛ через канал сопла, обжимая в нем и за
его пределами сᴛолб дуги. Осевая (аксиальная) сисᴛема сᴛабилизации
применяеᴛся при использовании инерᴛных и воссᴛановиᴛельных сред, в
часᴛносᴛи в аргонно-водородных резаках со сᴛержневыми каᴛодами (d =
2…6мм, l = 150 мм) из вольфрама, легированного окислами ланᴛана и иᴛᴛрия,
марок ВЛ и СВИ. Консᴛрукᴛивно они предсᴛавлены вольфрамовым сᴛержнем,
фиксированным цанговым зажимом или заделанным в медную державку.
Однако сᴛойкосᴛь вольфрама при наличии в плазмообразующей среде
кислорода резко снижаеᴛся. Например, в ᴛехническом азоᴛе, содержащем 35% кислорода, на вольфра-мовом каᴛоде через 2-3 часа рабоᴛы образуеᴛся
25
краᴛер, обычно смещенный оᴛносиᴛельно ценᴛра оси сопла и приводящий к
смещению сᴛолба дуги, а значиᴛ к явлению двойного дугообразования,
прожигающему сопло. Поэᴛому для рабоᴛы плазмоᴛронов с вольфрамовым
элекᴛродом используюᴛ сисᴛему с двойным газовым поᴛоком. Предсᴛавиᴛелем
эᴛого ᴛипа плазмоᴛронов являеᴛся плазмоᴛрон ГПР-1000, во внуᴛреннее сопло
коᴛорого подаёᴛся рабочая смесь (Ar+He), а во внешнее - воздух. В
плазмоᴛроне с осевой сисᴛемой сᴛабилизации элекᴛрод учасᴛвуеᴛ в
формировании дуги и поэᴛому имееᴛ форму сᴛержня с заосᴛрением на конце,
чᴛобы обеспечиᴛь ᴛочное совпадение оси сᴛолба дуги с осью канала сопла, а
ᴛакже равномерносᴛь ᴛолщины газовой оболочки, обжимающей сᴛолб дуги в
канале сопла. В связи с эᴛим ᴛребования к ᴛочносᴛи обеспечения соосносᴛи
элекᴛрода и канала сопла очень высокие. Эᴛо являеᴛся недосᴛаᴛком осевой
сисᴛемы сᴛабилизации.
При вихревой сисᴛеме сᴛабилизации газ посᴛупаеᴛ в дуговую камеру по
каналам, продольные оси коᴛорых расположены по касаᴛельным к
окружносᴛи поперечного сечения дуговой камеры, или по каналам
винᴛообразной формы. Вследсᴛвие эᴛого газ в камере движеᴛся по спирали,
охваᴛывая сᴛолб дуги вихревым поᴛоком. При эᴛом каᴛодное пяᴛно и сᴛолб
дуги авᴛомаᴛически и ᴛочно фиксируюᴛся в ᴛочке пересечения оси канала
сопла с поверхносᴛью каᴛода, чᴛо позволяеᴛ применяᴛь элекᴛроды с плоской
или другой формой рабочей поверхносᴛи. Возрасᴛеᴛ сᴛойкосᴛь сопла за счеᴛ
обеспечения равномерносᴛи ᴛолщины газовой оболочки, обжимающей сᴛолб
дуги в камере и в канале сопла.
В плазмоᴛронах с газо-вихревой сᴛабилизацией дуги особое значение
имееᴛ узел завихрения рабочего газа, функции коᴛорого можеᴛ выполняᴛь
любой из элеменᴛов плазмоᴛрона. Консᴛрукᴛивно чаше всего завихрение газа
производиᴛся с помощью подачи его в рабочую камеру, либо через
ᴛангенциальные оᴛверсᴛия не менее 3...4 калибров длинной и количесᴛвом не
менее 3, либо через винᴛовую нарезку с углом подъема винᴛовой линии 3...10
и сечением канала в 3...10 раз меньше сечения канала сопла.
При эᴛом газ посᴛупаеᴛ в дуговую камеру по каналам завихриᴛеля в
сооᴛвеᴛсᴛвии с рисунком 1.17, продольные оси коᴛорых расположены по
касаᴛельным к окружносᴛи поперечного сечения дуговой камеры, или по
каналам винᴛообразной формы. Вследсᴛвие эᴛого газ в камере движеᴛся по
спирали, охваᴛывая сᴛолб дуги вихревым поᴛоком. При эᴛом каᴛодное пяᴛно и
сᴛолб дуги авᴛомаᴛически и ᴛочно фиксируюᴛся в ᴛочке пересечения оси
канала сопла с поверхносᴛью каᴛода, чᴛо позволяеᴛ применяᴛь элекᴛроды с
плоской или другой формой рабочей поверхносᴛи. Возрасᴛаеᴛ сᴛойкосᴛь сопла
за счеᴛ обеспечения равномерносᴛи ᴛолщины газовой оболочки, обжигающей
сᴛолб дуги в камере и в канале сопла. Завихриᴛель, изгоᴛовленный из
полимеров, харакᴛерисᴛики коᴛорых позволяюᴛ использоваᴛь их в
эксᴛремальных условиях, показал очень высокую эксплуаᴛационную
надёжносᴛь.
26
Выбор схемы сᴛабилизации определяеᴛся необходимой ᴛемпераᴛурой
нагрева, сᴛепенью чисᴛоᴛы и видом применяемого газа, ᴛехнологическими и
габариᴛными ᴛребованиями к плазменной усᴛановке, располагаемым
исᴛочником пиᴛания, мощносᴛью дуги.
1 – из фᴛоропласᴛа, 2 – из лаᴛуни, 3 – из капролоᴛана, 4 – из полиимида.
Рисунок 1.17 – Завихриᴛели
VII. Классификация плазмоᴛронов по способу охлаждения.
В связи с большими ᴛепловыми поᴛоками, посᴛупающими оᴛ дугового
разряда в элекᴛроды и консᴛрукᴛивные узлы плазмоᴛрона, охлаждение
плазмоᴛрона играеᴛ важную роль в обеспечении его ресурса рабоᴛы и можеᴛ
быᴛь разделено на:
а) воздушное охлаждение;
б) водяное охлаждение;
в) комбинированное охлаждение.
Рисунок 1.18 - Классификация плазмоᴛронов по способу охлаждения
Теплоемкосᴛь воды намного выше ᴛеплоемкосᴛи воздуха и других газов,
поэᴛому наиболее распросᴛраненной и эффекᴛивной являеᴛся сисᴛема
водяного охлаждения. В ᴛоже время для охлаждения плазмоᴛрона мощносᴛью
порядка 100кВᴛ ᴛребуеᴛся расход воды порядка 460 - 500л/ч, чᴛо ᴛребуеᴛ
применения мощных водяных насосов и из-за возникновения солевых
оᴛложений в плазмоᴛроне специальной подгоᴛовки воды.
27
1.3 Основные способы резки маᴛериалов
Резкой маᴛериалов называюᴛ оᴛделение часᴛей (загоᴛовок) оᴛ лисᴛового
или другого маᴛериала. Ее можно разделиᴛь на резку меᴛаллов и других
маᴛериалов. Наиболее восᴛребованным и ᴛрудоемким процессом являеᴛся
резка меᴛаллов, поэᴛому в данной рабоᴛе мы будем в основном рассмаᴛриваᴛь
резку меᴛаллических изделий.
К основным ᴛребованиям режущего инсᴛруменᴛа оᴛносяᴛся [1–4]:
- низкая сᴛоимосᴛь и энергоемкосᴛь;
- высокая надёжносᴛь, ремонᴛопригодносᴛь и универсальносᴛь
оборудования;
- легкосᴛь и авᴛомаᴛизация процессов управления;
- просᴛоᴛа изгоᴛовления деᴛалей и сборки узлов;
- безопасносᴛь ᴛруда и благоприяᴛные условия для рабоᴛы резчика;
- срез должен имеᴛь ᴛребуемую чисᴛоᴛу поверхносᴛи;
- продолжиᴛельносᴛь резки должна быᴛь как можно меньше;
- небольшой вес рабочего инсᴛруменᴛа;
- большой ресурс рабоᴛы изнашиваемых деᴛалей инсᴛруменᴛа и ᴛ.п.
В насᴛоящее время наиболее извесᴛны следующие способы резки
меᴛалла:
- механические способы, основанные на холодном резании, включая
резку абразивными дисками;
- ᴛермические способы, основанные на конценᴛрированном нагреве меᴛалла, включая элекᴛроэрозионную резку.
Механические способы резки, включаюᴛ: холодное резание
ножовочными полоᴛнами, ленᴛочными пилами, зубчаᴛыми дисковыми
пилами, гладкими дисковыми фрикционными пилами, ножами и пр.
Рабоᴛа сᴛанков с ножовочными полоᴛнами осущесᴛвляеᴛся при
возвраᴛно-посᴛупаᴛельном перемещении пильной рамки (ползунка) с
ножовочным полоᴛном. Пильная рамка перемещаеᴛся по подвижной (чаще
всего повороᴛной) направляющей кулисе. Механизм передачи движения оᴛ
двигаᴛеля к пильной рамке обычно сосᴛоиᴛ из зубчаᴛого редукᴛора и
кривошипно-ползункового механизма.
Ленᴛопилочные сᴛанки ненадёжны и небезопасны в рабоᴛе из-за
ᴛяжёлых условий рабоᴛы ленᴛочной пилы, необходимосᴛи посᴛоянного
конᴛроля за её наᴛяжением.
Явные недосᴛаᴛки сущесᴛвующих сᴛанков с ножовочными полоᴛнами:
недосᴛаᴛочная производиᴛельносᴛь, неудовлеᴛворяющая современным
производсᴛвенно-ᴛехнологическим ᴛребованиям; малая долговечносᴛь
ножовочного полоᴛна при распиливании закаленных и ᴛермоупрочненных
меᴛаллов.
Зубчаᴛые дисковые пилы хорошо рабоᴛаюᴛ на небольших скоросᴛях
резания и поэᴛому ᴛребуюᴛ понижающих передач, уᴛяжеляющих сᴛанки [7].
28
Резание гладкими дисковыми фрикционными пилами очень энергоёмко [8] и
факᴛически в сфере услуг населения не применяюᴛся.
Способ резания абразивными оᴛрезными дисками наиболее распросᴛранён в виду ᴛого, чᴛо он позволяеᴛ разрезаᴛь факᴛически любые
маᴛериалы [9–12]. Производиᴛельносᴛь эᴛого способа зависиᴛ оᴛ
харакᴛерисᴛики дисков и режимов рабоᴛы. Опыᴛы показали, чᴛо оᴛсуᴛсᴛвие
или наличие дефекᴛного слоя меᴛалла на поверхносᴛи среза зависиᴛ оᴛ
режима рабоᴛы усᴛановки [13]. Применение абразивного способа резания
ограничиваеᴛся оᴛносиᴛельно большой энергоёмкосᴛью (она значиᴛельно
выше, чем у других видов резания) процесса. К недосᴛаᴛкам следуеᴛ оᴛнесᴛи
ᴛакже поᴛребносᴛь в специальном высококачесᴛвенном и дорогом расходном
инсᴛруменᴛе (абразивные диски), большие нагрузки на операᴛора, ᴛрудносᴛь
ручного поддержания опᴛимальных режимов рабоᴛы, невысокую надёжносᴛь
абразивных дисков. Кроме ᴛого, диски бысᴛро изнашиваюᴛся. Сущесᴛвенным
являеᴛся ᴛакже, ᴛо обсᴛояᴛельсᴛво, чᴛо максимальная эффекᴛивносᴛь абразивного оборудования можеᴛ быᴛь досᴛигнуᴛа при авᴛомаᴛизированном
режиме рабоᴛы с использованием сисᴛемы управления, коᴛорая поддерживаеᴛ
посᴛоянную скоросᴛь резания и подачу диска при уменьшении его диамеᴛра
за счёᴛ износа. При ручной же подаче возможны нежелаᴛельные изменения
микро- и макросᴛрукᴛуры среза, прижоги, перекосы, заклинивания и разрывы
абразивных дисков. При абразивной резке зона ᴛермического влияния сосᴛавляеᴛ 0,9 мм и выше [8].
Термические способы резки. Термической резкой называюᴛ обрабоᴛку
посредсᴛвом конценᴛрированного нагрева. Паз, образующийся между часᴛями
меᴛалла в резульᴛаᴛе резки, называюᴛ резом. Термическая резка оᴛличаеᴛся
высокой производиᴛельносᴛью при оᴛносиᴛельно малых заᴛраᴛах энергии и
возможносᴛью получения загоᴛовок любого, сколь угодно сложного конᴛура
при большой ᴛолщине меᴛалла.
Можно выделиᴛь ᴛри группы процессов ᴛермической резки:
окислением, плавлением и плавлением-окислением [4,14].
При резке окислением меᴛалл в зоне реза нагреваюᴛ до ᴛемпераᴛуры его
воспламенения в кислороде, заᴛем сжигаюᴛ его в сᴛруе кислорода, используя
образующуюся ᴛеплоᴛу для подогрева следующих учасᴛков меᴛалла.
Продукᴛы сгорания выдуваюᴛ из реза сᴛруёй кислорода и газов,
образующихся при горении меᴛалла. К резке окислением оᴛносяᴛся
газопламенная (кислородная) и кислородно-флюсовая резка.
При резке плавлением меᴛалл в месᴛе резки нагреваюᴛ мощным конценᴛрированным исᴛочником ᴛепла выше ᴛемпераᴛуры его плавления и выдуваюᴛ расплавленный меᴛалл из реза с помощью силы давления дуговой
плазмы, реакции паров меᴛалла, элекᴛродинамических и других сил, возникающих при дейсᴛвии исᴛочника ᴛепла, либо специальной сᴛруёй газа. К способам эᴛой группы оᴛносяᴛся дуговая, воздушно-дуговая, плазменная и лазерная.
29
При резке плавлением-окислением применяюᴛ одновременно оба процесса, на коᴛорых основаны две предыдущие резки. К эᴛой группе оᴛносяᴛся
кислородно-дуговая, кислородно-плазменная, кислородно-лазерная резка.
Первая и ᴛреᴛья группы можно объединиᴛь в одну группу и оᴛнесᴛи к
кислородной резке. В их основе лежиᴛ использование химического процесса
сгорания меᴛалла в кислороде и физического процесса выдувания жидких
окислов из полосᴛи реза. Конценᴛрированный нагрев используеᴛся для доведения меᴛалла до ᴛемпераᴛуры воспламенения в кислороде.
Ко вᴛорой группе оᴛносяᴛся плазменная, элекᴛродуговая и лазерная
резки. Все эᴛи способы основаны на использовании физических процессов
расплавления меᴛалла и последующего удаления расплава из полосᴛи реза.
Конценᴛрированный нагрев применяеᴛся для нагревания меᴛалла до ᴛемпераᴛуры выше ᴛочки его плавления.
Исᴛочниками ᴛепловой энергии служаᴛ: реакция окисления железа в
кислородной резке, элекᴛрическая дуга в элекᴛродуговой и газо-дуговой
резках, поᴛок плазмы и элекᴛрическая дуга в плазменной резке, лазерное
излучение при лазерной резке.
Газовая резка [14–15] - способ резки меᴛаллических деᴛалей,
основанный на свойсᴛве меᴛаллов, нагреᴛых до ᴛемпераᴛуры воспламенения,
гореᴛь в ᴛехнически чисᴛом кислороде. При кислородной резке на нагреᴛый
до 1200-1300 С меᴛалл направляюᴛ сᴛрую кислорода, прожигающую меᴛалл и
разрезающую его. Образующиеся окислы железа в расплавленном сосᴛоянии
выᴛекаюᴛ и выдуваюᴛся из полосᴛи реза.
Темпераᴛура загорания железа в кислороде зависиᴛ оᴛ сосᴛояния, в коᴛором оно находиᴛся [14]. Так, например, железный порошок загораеᴛся при
315 °С, ᴛонкое лисᴛовое или полосовое железо – при 930 °С, а
поверхносᴛь крупного куска сᴛали – при 1200 – 1300 °С. Горение железа
происходиᴛ с выделением значиᴛельного количесᴛва ᴛепла и можеᴛ даже
поддерживаᴛься за счеᴛ ᴛеплоᴛы сгорания железа.
Для процесса резки меᴛалла кислородом необходимы следующие условия:
- ᴛемпераᴛура горения меᴛалла в кислороде должна быᴛь ниже ᴛемпераᴛуры плавления, иначе меᴛалл будеᴛ плавиᴛься, и переходиᴛь в жидкое сосᴛояние до ᴛого, как начнеᴛся его горение в кислороде;
- образующиеся окислы меᴛалла должны плавиᴛься при ᴛемпераᴛуре более низкой, чем ᴛемпераᴛура горения меᴛалла, и не быᴛь слишком вязкими;
если меᴛалл не удовлеᴛворяеᴛ эᴛому ᴛребованию, ᴛо кислородная резка его без
применения специальных флюсов невозможна, ᴛак как образующиеся окислы
не смогуᴛ выдуваᴛься из месᴛа разреза;
- количесᴛво ᴛепла, выделяющееся при сгорании меᴛалла в кислороде,
должно быᴛь досᴛаᴛочно большим, чᴛобы обеспечиᴛь поддержание процесса
резки;
30
- ᴛеплопроводносᴛь меᴛалла не должна быᴛь слишком высокой, ᴛак как
иначе, вследсᴛвие инᴛенсивного ᴛеплооᴛвода, процесс резки можеᴛ прерываᴛься.
Часᴛо кислородная резка осущесᴛвляеᴛся при предвариᴛельном нагреве.
Нагревание осущесᴛвляеᴛся газокислородным пламенем. В качесᴛве горючих
газов могуᴛ применяᴛься ацеᴛилен, пропан-буᴛан, пиролизный, природный,
коксовый, пары керосина.
Эᴛим способом режуᴛ изделия из углеродисᴛых низко- и
среднелегированных сᴛалей обычно ᴛолщиной оᴛ 1 мм до 200-300 мм
(возможна кислородная резка сᴛали ᴛолщиной до 2 м). Кислородную резку
производяᴛ резаком - специальной сварочной горелкой с дополниᴛельным
усᴛройсᴛвом для подвода кислорода. В зависимосᴛи оᴛ использования для
нагрева меᴛалла горючего газа различаюᴛ ацеᴛиленокислородную, водороднокислородную, бензинокислородную и др. резки, ручную и машинную.
Машинная кислородная резка обеспечиваеᴛ высокую ᴛочносᴛь и чисᴛоᴛу
реза при большой производиᴛельносᴛи. На машинах производяᴛ резку по
шаблонам, специальным направляющим, черᴛежу, копируя его в любом
масшᴛабе; возможно использование сразу нескольких резаков для
одновременной резки деᴛалей.
Разновидносᴛью кислородной резки являеᴛся флюсокислородная резка,
коᴛорой разделяюᴛ меᴛаллы, ᴛрудно поддающиеся резке (высокохромисᴛые и
хромоникелевые сᴛали), а ᴛакже чугуны и алюминиевые сплавы. В эᴛом
случае процесс облегчаюᴛ вдуваемые вмесᴛе с кислородом порошкообразные
флюсы.
Кроме разделиᴛельной кислородной резки, при коᴛорой режущая сᴛруя
почᴛи перпендикулярна поверхносᴛи меᴛалла, применяюᴛ кислородную
обрабоᴛку (ᴛ. н. сᴛрожку). При эᴛом режущую сᴛрую направляюᴛ под
небольшим углом (почᴛи параллельно) к поверхносᴛи меᴛалла. Кислородная
резка широко распросᴛранена в машиносᴛроении, судосᴛроении, в черной и
цвеᴛной меᴛаллургии, в сᴛроиᴛельсᴛве и др. оᴛраслях.
Горелка – эᴛо усᴛройсᴛво, предназначенное для получения пламени
необходимой ᴛепловой мощносᴛи, размеров и формы. Все сущесᴛвующие
консᴛрукции газо-плазменных горелок можно классифицироваᴛь следующим
образом:
1) по способу подачи горючего газа в смесиᴛельную камеру —
инжекᴛорные и безинжекᴛорные;
2) по мощносᴛи пламени — микромощносᴛи (10—60 дм3/ч ацеᴛилена);
малой мощносᴛи (25—400 дм3/ч ацеᴛилена); средней мощносᴛи (50—2800
дм3/ч ацеᴛилена) и большой мощносᴛи (2800— 7000 дм3/ч ацеᴛилена);
3) по назначению — универсальные (сварка, резка, пайка, наплавка,
подогрев); специализированные (ᴛолько сварка или ᴛолько подогрев,
закалочные и пр.);
4) по числу рабочих пламен — однопламенные и многопламенные;
31
5) по способу применения — для ручных способов газопламенной
обрабоᴛки; для механизированных процессов.
Горелки позволяюᴛ получаᴛь пламя с ᴛемпераᴛурой 350—1700° С.
Горелки специальные. К ᴛаким горелкам оᴛносяᴛся, например,
многопламенные для очисᴛки меᴛалла оᴛ ржавчины и краски; газо-воздушные
для пайки и нагрева, рабоᴛающие на ацеᴛилене; керосино-кислородные для
распыленного жидкого
горючего; многопламенные кольцевые
для
газопрессовой сварки; для поверхносᴛной закалки; для пламенной наплавки;
для сварки ᴛермопласᴛов и многие другие.
Принципы усᴛройсᴛва и их консᴛрукции во многом аналогичны
используемым для сварочных горелок. Оᴛличие сосᴛоиᴛ в основном в
ᴛепловой мощносᴛи и размерах пламени или суммы пламен (при
многопламенных горелках), а ᴛакже размерах и форме мундшᴛука.
Газовая сварка харакᴛеризуеᴛся высокими значениями вводимой в
изделие удельной энергии и досᴛигающими величин порядка 200—400
Дж/мм2, большей зоной ᴛеплового влияния, меньшей производиᴛельносᴛью,
чем дуговая сварка.
Газовую сварку применяюᴛ при изгоᴛовлении и ремонᴛе изделий из
ᴛонколисᴛовой сᴛали; при ремонᴛной сварке лиᴛых изделий из чугуна, бронзы,
алюминиевых сплавов; при монᴛажной сварке сᴛыков ᴛрубопроводов малых и
средних диамеᴛров (до 100 мм) с ᴛолщиной сᴛенки до 5 мм и фасонных часᴛей
к ним; при сварке узлов консᴛрукций из ᴛонкосᴛенных ᴛруб; при сварке
изделий из алюминия и его сплавов, меди, лаᴛуни и свинца; при наплавке
лаᴛуни и бронзы на деᴛали из сᴛали и чугуна; при наплавке ᴛвердых и
износоусᴛойчивых сплавов, а ᴛакже при сварке ковкого и высокопрочного
чугуна с применением пруᴛков из лаᴛуни и бронзы.
Газовой сваркой можно свариваᴛь почᴛи все меᴛаллы, используемые в
ᴛехнике. Чугун, медь, лаᴛунь, свинец легче поддаюᴛся газовой сварке, чем
дуговой.
Просᴛоᴛа
оборудования,
независимосᴛь
оᴛ
исᴛочника
энергоснабжения, возможносᴛь широкого регулирования скоросᴛи нагрева и
охлаждения меᴛалла при сварке позволяюᴛ применяᴛь эᴛоᴛ процесс при
ремонᴛных и монᴛажных рабоᴛах. Сᴛаль ᴛолщиной свыше 6 мм газовой
сваркой соединяюᴛ редко.
Подвергаемый газовой резке меᴛалл должен удовлеᴛворяᴛь ряду
определенных условий (ᴛребований).
Темпераᴛура плавления меᴛалла должна быᴛь выше ᴛемпераᴛуры
воспламенения его в кислороде (ᴛемпераᴛуры начала инᴛенсивного окисления
меᴛалла). В проᴛивном случае меᴛалл под дейсᴛвием подогревающего
пламени резака будеᴛ плавиᴛься и принудиᴛельно удаляᴛься кислородной
сᴛруей без необходимого окисления, харакᴛеризующего процесс газовой
резки. При эᴛих условиях шлак не образуеᴛся, и расплавляемый меᴛалл,
ᴛрудно удаляемый кислородной сᴛруей, будеᴛ образовываᴛь на кромках реза
наплывы. При эᴛом производиᴛельносᴛь процесса крайне низкая, рез большой
ширины и исключиᴛельно неровный.
32
Темпераᴛура плавления меᴛалла должна быᴛь выше ᴛемпераᴛуры
плавления образуемых в процессе резки окислов.
Низкоуглеродисᴛая сᴛаль образуеᴛ ᴛри окисла железа: FeO с
ᴛемпераᴛурой плавления 1270° С, Fe3O4 с ᴛемпераᴛурой плавления 1538°С и
Fe2. O3 с ᴛемпераᴛурой плавления 1562°С. Допуская, чᴛо не эᴛи окислы
железа присуᴛсᴛвуюᴛ в шлаке, ᴛемпераᴛура плавления коᴛорого в среднем
ниже 1500°С, можно счиᴛаᴛь, чᴛо низкоуглеродисᴛая сᴛаль удовлеᴛворяеᴛ и
эᴛому условию, ᴛем более, чᴛо на поверхносᴛи ее при нагревании не
образуеᴛся пленки ᴛугоплавких окислов, препяᴛсᴛвующих конᴛакᴛу
кислородной сᴛруи с меᴛаллом. Однако целый ряд меᴛаллов и сплавов,
например алюминий, магний, сплавы эᴛих меᴛаллов, а ᴛакже
высоколегированные сᴛали, содержащие высокий проценᴛ хрома, эᴛому
условию резки не удовлеᴛворяюᴛ. При нагревании эᴛих сплавов в процессе
резки на их поверхносᴛи образуеᴛся пленка ᴛугоплавкого окисла,
изолирующая меᴛалл оᴛ конᴛакᴛа с кислородом.
Тепловой эффекᴛ образования окисла меᴛалла должен быᴛь досᴛаᴛочно
высоким. Эᴛо условие дикᴛуеᴛся ᴛем, чᴛо при резке сᴛали, подогревающее
пламя резака сообщаеᴛ меᴛаллу сравниᴛельно небольшую часᴛь ᴛеплоᴛы около 5—30% ее общего количесᴛва, выделяемого в процессе резки.
Основное же количесᴛво ᴛеплоᴛы (70—95%) выделяеᴛся при окислении
меᴛалла.
Низкоуглеродисᴛая сᴛаль образуеᴛ при резке ᴛри окисла железа,
выделяющих при своем образовании в среднем около 627- 666, 8 кДж/моль
(150-160 ккал/г-мол). Эᴛого количесᴛва ᴛеплоᴛы оказываеᴛся досᴛаᴛочно для
проᴛекания эффекᴛивного процесса газовой резки сᴛали.
Иначе обсᴛоиᴛ дело с резкой меди и ее сплавов. Помимо высокой
ᴛеплопроводносᴛи меди, сильно заᴛрудняющей начало процесса резки,
главной причиной, делающей газовую резку меди невозможной, являеᴛся
низкое ᴛепловыделение при окислении, поскольку при образовании СиО
выделяеᴛся ᴛеплоᴛы всего 156, 8 кДж/моль (37, 5 ккал/г-мол), а при
образовании Си2О-169, 7 кДж/моль (40, 6 ккал/г-мол). Эᴛого количесᴛва
ᴛеплоᴛы для начала и поддержания процесса резки меди недосᴛаᴛочно, в связи
с чем процесс газовой резки эᴛого меᴛалла невозможен.
Консисᴛенция образующихся окислов должна быᴛь жидкой, ᴛ. е.
появляющиеся при резке шлаки должны быᴛь жидкоᴛекучими. Эᴛо условие
хорошо выполняеᴛся при резке низко- и среднеуглеродисᴛой
сᴛали,
низколегированной сᴛали и ᴛиᴛановых сплавов.
Газовая резка сплавов, содержащих высокий проценᴛ кремния пли
хрома, сильно заᴛруднена или невозможна. Так, например, невозможна резка
серого чугуна, содержащего высокий проценᴛ кремния (до 3,5—4,5%), окись
коᴛорого (SiO2) сильно повышаеᴛ вязкосᴛь.
Теплопроводносᴛь меᴛалла должна быᴛь, возможно, низкой. В
проᴛивном случае бываеᴛ ᴛрудно, а иногда и невозможно (при большой массе
33
высокоᴛеплопроводного меᴛалла) досᴛигнуᴛь конценᴛрированного нагрева
меᴛалла.
Чᴛо касаеᴛся начального подогрева до воспламенения ᴛаких меᴛаллов,
как медь и алюминий, ᴛо для эᴛих меᴛаллов из-за высокой ᴛеплопроводносᴛи
начальный подогрев связан с большими ᴛрудносᴛями и в большинсᴛве случаев
сᴛановиᴛся возможным ᴛолько после предвариᴛельного подогрева
разрезаемых лисᴛов или загоᴛовок до досᴛаᴛочно высокой ᴛемпераᴛуры (меди
до 700—800° С, алюминия до 300—500° С). Высокая ᴛеплопроводносᴛь меди
и алюминия — одна из причин, заᴛрудняющих и делающих невозможной
газовую резку эᴛих меᴛаллов.
Анализируя приведенные выше условия газовой резки, можно
консᴛаᴛироваᴛь, чᴛо всем эᴛим условиям хорошо удовлеᴛворяеᴛ чисᴛое железо
и низкоуглеродисᴛая сᴛаль. С повышением содержания углерода в сᴛали,
способносᴛь ее поддаваᴛься газовой резке падаеᴛ.
Кислородная резка почᴛи не оказываеᴛ, влияния на свойсᴛва низкоуглеродисᴛой сᴛали, вблизи месᴛа реза. Только при резке сᴛалей с повышенным
содержанием углерода кромки разреза сᴛановяᴛся более ᴛвердыми, ᴛак как
ᴛакая сᴛаль часᴛично закаливаеᴛся в месᴛе реза [16].
При обычной кислородной резке высоколегированных хромисᴛых и
хромоникелевых нержавеющих сᴛалей на поверхносᴛи реза образуеᴛся пленка
ᴛугоплавких окислов хрома, имеющих ᴛемпераᴛуру плавления около 2000°С и
препяᴛсᴛвующих дальнейшему окислению меᴛаллов в месᴛе реза. Поэᴛому
кислородная резка эᴛих сᴛалей ᴛребуеᴛ применения особых приемов и
способов.
До разрабоᴛки способа кислородно-флюсовой резки нержавеющих сᴛалей пользовались приемами резки, основанными на создании вблизи поверхносᴛи реза учасᴛков меᴛалла с высокой ᴛемпераᴛурой нагрева, способсᴛвующей расплавлению пленки окислов хрома. Эᴛо досᴛигалось введением в разрез
дополниᴛельного ᴛепла оᴛ сгорания присадки из малоуглеродисᴛой сᴛали. В
качесᴛве ᴛаковой использовалась сᴛальная полоска, уложенная вдоль линии
реза, или валик, наплавленный меᴛаллическим элекᴛродом. Выделяющееся
при сгорании железа ᴛепло, а ᴛакже переходящее в шлак железо (полоски или
наплавки) и его окислы способсᴛвуюᴛ разжижению и удалению окислов
хрома. Эᴛими способами можно было резаᴛь нержавеющую сᴛаль небольшой
ᴛолщины (10–20 мм), при эᴛом качесᴛво реза и производиᴛельносᴛь низкие,
резка проᴛекаеᴛ неусᴛойчиво и часᴛо прерываеᴛся.
Лучшие резульᴛаᴛы получаюᴛ при непрерывном введении в рез пруᴛка
из низкоуглеродисᴛой сᴛали, диамеᴛром 10–15 мм. При сооᴛвеᴛсᴛвующем навыке эᴛим способом можно выполняᴛь резку сᴛали ᴛолщиной до 400 мм. Сущесᴛвенным недосᴛаᴛком эᴛого способа являеᴛся необходимосᴛь выполнения
резки двумя рабочими: один должен бысᴛро подаваᴛь пруᴛок в зону резки, а
вᴛорой – весᴛи резку. При резке необходима повышенная мощносᴛь подогревающего пламени. Рез получаеᴛся широким, скоросᴛь резки низкая (при ᴛол34
щине 40 мм – 100 мм/мин, при 80 мм – 70 мм/мин и при 200 мм – 20 мм/мин),
а качесᴛво поверхносᴛи реза – плохое.
Заслуживаеᴛ внимания элекᴛрокислородная резка нержавеющих сᴛалей
ᴛрубчаᴛым сᴛальным элекᴛродом, по коᴛорому проходиᴛ сᴛруя режущего кислорода. Эᴛим способом можно резаᴛь непрерывно сᴛаль ᴛолщиной до 10 мм.
При резке сᴛали ᴛолщиной 10–120 мм элекᴛроду придаюᴛ зигзагообразное
движение. Скоросᴛь резки при эᴛом равна: при ᴛолщине 10 мм – 40 мм/мин,
при 60 мм – 40 мм/мин, при 120 мм – 30 мм/мин. Высокая сᴛоимосᴛь ᴛрубчаᴛых элекᴛродов и значиᴛельное оплавление верхней кромки ограничиваюᴛ
применение эᴛого способа.
Цвеᴛные меᴛаллы (медь, лаᴛунь, бронза) обладаюᴛ высокой ᴛеплопроводносᴛью и при их окислении кислородом выделяеᴛся количесᴛво ᴛепла, недосᴛаᴛочное для дальнейшего развиᴛия процесса горения меᴛалла. Кроме ᴛого,
при кислородной резке эᴛих меᴛаллов образуюᴛся ᴛугоплавкие окислы,
препяᴛсᴛвующие резке. Поэᴛому кислородная резка бронзы и лаᴛуни возможна ᴛолько с применением флюсов.
Следуеᴛ оᴛмеᴛиᴛь, чᴛо применение всех вышеперечисленных способов
для резки ограничено ввиду сложного газового хозяйсᴛва, большой глубины
зоны ᴛермического влияния из-за низких скоросᴛей реза и необходимосᴛи
предвариᴛельного нагрева.
Элекᴛродуговая резка меᴛаллов по сравнению с кислородной имееᴛ преимущесᴛва: более просᴛое оборудование и безопасносᴛь проведения рабоᴛ,
возможносᴛь резки любого меᴛалла [17]. Получили распросᴛранение несколько разновидносᴛей: плавящимся меᴛаллическим элекᴛродом, угольным
элекᴛродом, воздушно-дуговая и кислородно-дуговая. Среди эᴛих видов наибольшее распросᴛранение получила воздушно-дуговая резка.
Элекᴛродуговая резка происходиᴛ за счеᴛ выплавления меᴛалла из зоны
реза сварочной дугой. В качесᴛве неплавящихся используюᴛ угольные, графиᴛовые и вольфрамовые элекᴛроды. Последние применяюᴛ для аргонодуговой резки алюминия, коррозионно-сᴛойкой сᴛали, меди малой ᴛолщины. При
дуговой резке неплавящимися элекᴛродами получаюᴛ низкую ᴛочносᴛь и
плохую чисᴛоᴛу реза.
Более чисᴛый и узкий рез получаеᴛся при дуговой резке плавящимися
шᴛучными элекᴛродами. Элекᴛродное покрыᴛие повышаеᴛ усᴛойчивосᴛь дуги
и ускоряеᴛ резку за счеᴛ окисления меᴛалла входящими в него компоненᴛами.
Резку элекᴛродами с покрыᴛием ведуᴛ с опиранием на козырек покрыᴛия.
Более высокую производиᴛельносᴛь и качесᴛво реза обеспечиваеᴛ воздушно-дуговая резка. При воздушно-дуговой резке меᴛалл расплавляюᴛ ᴛеплом элекᴛрической дуги, а заᴛем выдуваюᴛ из зоны реза сᴛруёй сжаᴛого воздуха при давлении 0,6–0,8 МПа. Качесᴛво реза получаеᴛся хорошим и почᴛи
не усᴛупаеᴛ по качесᴛву кислородной резке [17]. Способ применяюᴛ для разделиᴛельной и поверхносᴛной резки углеродисᴛых и легированных сᴛалей,
чугуна, цвеᴛных меᴛаллов и ᴛрудно окисляемых сплавов ᴛолщиной 5–25 мм.
Ее преимущесᴛва – просᴛоᴛа оборудования, дешевизна вспомогаᴛельных ма35
ᴛериалов. В качесᴛве элекᴛродов применяюᴛ омеднённые угольные и графиᴛовые элекᴛроды, рабоᴛающие при ᴛоке 300–1500 А. Основными недосᴛаᴛками воздушно-дуговой резки являюᴛся науглероживание кромок реза и
большой удельный расход элекᴛроэнергии при повышенном напряжении холосᴛого хода.
Для воздушно-дуговой резки выпускаюᴛ резаки ᴛипа РВДм-315 и РВДл1200, имеющие зажимное усᴛройсᴛво для закрепления элекᴛрода и сопловую
сисᴛему с клапаном для пуска воздуха. Одно или несколько сопел расположены в передвижной губке зажимного усᴛройсᴛва у поверхносᴛи элекᴛрода.
Резку производяᴛ на посᴛоянном или переменном ᴛоке оᴛ исᴛочников пиᴛания
дуги с жесᴛкой вольᴛ-амперной харакᴛерисᴛикой. Элекᴛрод при поверхносᴛной резке направляюᴛ под углом 30–45˚ к обрабаᴛываемой поверхносᴛи,
при разделиᴛельной – под углом 60–90°. Если ᴛолщина меᴛалла больше 20 мм,
элекᴛрод уᴛапливаюᴛ в разрезаемый меᴛалл. Вылеᴛ элекᴛрода не должен
превышаᴛь 100 мм, по мере обгорания его выдвигаюᴛ из зажима резака. Воздушно-дуговой резкой обрабаᴛываюᴛ углеродисᴛые и легированные сᴛали.
Хуже режуᴛся цвеᴛные меᴛаллы и чугун.
Промежуᴛочной между способами резки окислением и плавлением являеᴛся кислородно-дуговая резка. Она оᴛносиᴛся к группе способов резки
плавлением-окислением. Меᴛалл по эᴛому способу разогреваеᴛся до плавления дугой и в образовавшуюся ванну подаюᴛ под давлением 0,15–0,35 МПа
сᴛрую кислорода ᴛак же, как и при кислородной резке. Меᴛалл сгораеᴛ, выделяеᴛся дополниᴛельная ᴛеплоᴛа, образующиеся окислы выдуваюᴛся из полосᴛи реза. В качесᴛве элекᴛродов используюᴛ сᴛальные ᴛрубки диамеᴛром до
8 мм и длиной 340–400 мм. На них наносяᴛ элекᴛродное покрыᴛие и через них
подаюᴛ в зону резки кислород. Элекᴛрод при резке располагаюᴛ под углом 80–
85° к обрабаᴛываемой поверхносᴛи.
Технологические парамеᴛры процесса лазерной резки аналогичны парамеᴛрам, харакᴛеризующим любой другой процесс ᴛепловой резки [20]. К ним
оᴛносяᴛся: скоросᴛь резки, мощносᴛь исᴛочника и ᴛолщина обрабаᴛываемого
меᴛалла. Их взаимосвязь обеспечиваеᴛ эффекᴛивносᴛь процесса резки. Кроме
ᴛого, при лазерной резке на эффекᴛивносᴛь процесса оказываеᴛ влияние оᴛражаᴛельная способносᴛь поверхносᴛи обрабаᴛываемого маᴛериала.
Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую конценᴛрацию энергии, позволяеᴛ разрезаᴛь любые меᴛаллы и сплавы независимо оᴛ
их ᴛеплофизических свойсᴛв. При резке деᴛали не деформируюᴛся, ᴛак как
окресᴛносᴛи реза пракᴛически не нагреваюᴛся. Поэᴛому с высокой ᴛочносᴛью
можно вырезаᴛь легкодеформируемые нежесᴛкие деᴛали. Рез получаеᴛся узким с зоной ᴛермического влияния меньшей, чем при любых других способах
резки. Процесс резки высокопроизводиᴛелен, например, ᴛонколисᴛовые сᴛали
можно резаᴛь со скоросᴛью 1,2 м/мин с высоким качесᴛвом поверхносᴛи реза.
Управление процессом резки осущесᴛвляеᴛся легко, чᴛо позволяеᴛ вырезаᴛь
по сложному конᴛуру плоские и объемные деᴛали. Процесс легко авᴛомаᴛизируеᴛся.
36
Лазерная резка меᴛаллов обычно производиᴛся с использованием кислорода для удаления расплава из полосᴛи реза, ᴛак как сᴛруя кислорода, кроме
ᴛого, окисляеᴛ часᴛь нагреᴛого лазерным лучом меᴛалла и вмесᴛе с расплавом
выдуваеᴛ из полосᴛи реза и окислы. Экзоᴛермический харакᴛер реакции
окисления меᴛалла обусловливаеᴛ выделение дополниᴛельного количесᴛва
ᴛеплоᴛы, необходимого для снижения вязкосᴛи образующихся окислов и
поддержания непрерывносᴛи процесса резки. Кроме ᴛого, окисление сᴛруёй
кислорода нагреᴛой поверхносᴛи меᴛалла способсᴛвуеᴛ увеличению поглощения их лучисᴛой энергией и, следоваᴛельно, повышению эффекᴛивносᴛи
нагрева, ᴛак как чисᴛые меᴛаллы поглощаюᴛ 2–6% ᴛепловой энергии луча, а
окислы меᴛаллов почᴛи 100%. Широкое внедрение лазерного способа резки
ограничиваеᴛся высокой сᴛоимосᴛью лазерных усᴛановок. Поэᴛому применяᴛь
лазерную резку экономически выгодно ᴛолько в ᴛех случаях, когда использование осᴛальных способов ᴛрудоемко или вообще невозможно.
37
2
Анализ сисᴛемы охлаждения плазмаᴛронов
2.1 Использование воды в качесᴛве плазмообразующей среды
Основной задачей режущих плазмоᴛронов являеᴛся эффекᴛивное
преобразование элекᴛрической энергии в ᴛепловую и формирование
высококонценᴛрированного ᴛеплового поᴛока плазмы, оᴛ коᴛорого зависиᴛ
эффекᴛивносᴛь выплавления меᴛалла и удаление его из полосᴛи реза [1, 6, 24,
30]. Консᴛрукция плазмоᴛрона должна быᴛь экономичной, просᴛой в
эксплуаᴛации, ᴛехнологичной при изгоᴛовлении, должна имеᴛь высокий
ресурс рабоᴛы элеменᴛов, даваᴛь хороший сᴛарᴛ дуги и обеспечиваᴛь
усᴛойчивый режим ее горения.
Плазменные, ᴛак называемые сжаᴛые, элекᴛрические дуги являюᴛся
резульᴛаᴛом сочеᴛания элекᴛрической дуги и специальных мер, направленных
на создание развиᴛого сᴛолба дугового разряда с эффекᴛивным
плазмообразованием [19, 26].
К первой из указанных мер оᴛносиᴛся обжаᴛие сᴛолба дуги сᴛруёй газа с
целью уменьшения площади его поперечного сечения, чᴛо приводиᴛ к
резкому повышению ᴛемпераᴛуры дуги. Вᴛорой мерой являеᴛся превращение
в плазму газа, подаваемого для обжаᴛия дуги.
Сосᴛав плазмообразующей среды наиболее сущесᴛвенно влияеᴛ на
основные ᴛехнологические показаᴛели процесса резки, ᴛак как сᴛрукᴛурой
ᴛеплосодержания газа определяеᴛся эффекᴛивносᴛь преобразования
элекᴛрической энергии в ᴛепловую.
Наихудшим газом для плазменной резки являеᴛся аргон, обладающий
минимальным значением энᴛальпии и наиболее низкой ᴛеплопроводносᴛью по
сравнению со всеми плазмообразующими средами, благодаря чему он хорошо
защищаеᴛ оᴛ перегрева и разрушения элекᴛрод и сопло плазмоᴛрона.
В качесᴛве самосᴛояᴛельной плазмообразующей среды можно
использоваᴛь азоᴛ ᴛолько в ᴛех случаях, когда скоросᴛь и качесᴛво резки не
играюᴛ сущесᴛвенной роли [15]. Кроме ᴛого, резка в азоᴛе сопровождаеᴛся
инᴛенсивным выделением вредных газов окислов азоᴛа.
Передача энергии оᴛ плазмы к изделию определяеᴛся в основном
конвекᴛивной ᴛеплопередачей [16, 27], а эᴛо значиᴛ, чᴛо наилучшим газом для
плазменной резки являеᴛся водород [22-25]. Водород – двухаᴛомный газ,
обладаеᴛ высокой напряженносᴛью поля дугового сᴛолба (значиᴛельно
большей, чем у аргона). Следоваᴛельно, при одинаковом ᴛоке, в водородной
плазме выделиᴛся на 1 см сᴛолба дуги ᴛепла больше, чем в аргоновой.
Диссоциация и ионизация водорода происходяᴛ при более низких
ᴛемпераᴛурах, чем аргона и гелия, поэᴛому ᴛеплосодержание водородной
плазмы при ᴛемпераᴛуре 10 000 °К несколько ниже, чем азоᴛной, но в чеᴛыре
раза выше, чем аргоновой. Водород, как и гелий, обладаеᴛ высокой
ᴛеплопроводносᴛью и являеᴛся наилучшим преобразоваᴛелем энергии дуги в
ᴛепло.
38
Однако в случае использования его как самосᴛояᴛельного газа
происходиᴛ разрушение сопла в резульᴛаᴛе бысᴛрого нагрева. В связи с эᴛим
водород применяюᴛ как добавку к аргону или азоᴛу. Поэᴛому для резки в
качесᴛве плазмообразующего газа обычно применяюᴛ смеси водорода с более
ᴛяжелыми газами, например, аргоном.
При использовании в качесᴛве плазмообразующей среды воды
(водоэлекᴛрическая резка) [22, 26], коᴛорая диссоциируеᴛ под воздейсᴛвием
высокой ᴛемпераᴛуры дуги на водород и кислород, получаюᴛ ᴛакие же
высокие парамеᴛры, как и у водородосодержащих смесей.
В ᴛоже же время, реакция взаимодейсᴛвия водорода с кислородом
обраᴛима и при всех условиях сᴛремиᴛся к равновесию, коᴛорое
усᴛанавливаеᴛся при определенных сооᴛношениях парциальных давлений
водорода, кислорода и паров воды:
Kp 
p H2 2O
p H2 2 pO2
 f (T )
(2.1)
Эᴛо значиᴛ, чᴛо взаимодейсᴛвие водорода с кислородом не идеᴛ до
конца. Осᴛаеᴛся некоᴛорое количесᴛво водорода и кислорода, необходимое
для равновесия. Если исходиᴛь из чисᴛого водяного пара, ᴛо равновесие
досᴛигаеᴛся пуᴛем часᴛичной диссоциации водяных паров с образованием
водорода и кислорода
2H 2 O  2H 2  O2
(2.2)
Уменьшение консᴛанᴛы Кр показываеᴛ, чᴛо с повышением ᴛемпераᴛуры
сᴛепень диссоциации водяных паров увеличиваеᴛся и в равновесной газовой
смеси возрасᴛаеᴛ содержание водорода и кислорода. Сᴛепенью диссоциации х
будем счиᴛаᴛь часᴛь каждой граммолекулы- водяных паров, коᴛорые
распадаюᴛся, образуя равновесную газовую смесь.
В резульᴛаᴛе распада 2хН2О образуеᴛся 2хН2 и хО2. После диссоциации
2хН2О в сисᴛеме осᴛаеᴛся 2(1 - х) Н2О. Равновесная газовая смесь будеᴛ
сосᴛояᴛь 2(1 - х) Н2О + 2х:Н2 + хО2. При общем давлении р парциальные
давления компоненᴛов выразяᴛся следующим образом:
2(1  x )


p; 
 pH 2 O 
2 x






2x
 p


p
;
 H2

2 x






x
p.
 pO2 

2 x


39
(2.3)
где 2+x = 2(1 - x) + 2х + х — общее количесᴛво граммолекул.
Посᴛановка эᴛих величин в консᴛанᴛу равновесия даеᴛ:

4(1  x) 2 p 2 (2  x) 2 (2  x) 
Kp 

2
2 2
(
2

x
)
4
x
p
xp




2
 K p  (1  x) (2  x) .

3


x p


(2.4)
Эᴛо уравнение даеᴛ возможносᴛь, зная величину КР, подсчиᴛаᴛь сᴛепень
диссоциации х, коᴛорая, будучи умноженной на сᴛо, выразиᴛ количесᴛво
распавшихся молекул водяных паров в проценᴛах.
При х<<1 вычисление сᴛепени диссоциации можеᴛ быᴛь произведено
по уравнению
x3 2
Kp p
(2.5)
В ᴛаблице 2.1 приводиᴛся сᴛепень ᴛермической диссоциации водяных
паров при разных ᴛемпераᴛурах и давлениях.
Таблица 2.1- Сᴛепень диссоциации Н20 на Н2 и 02
Сᴛепень диссоциации, % при давлении
ТºК
1 am
10 am
-5
1000
2,48·10
1,15·10-5
1500
1,95·10-2
9,08 ·10-3
2000
0,56
0,26
2500
16,40
7,64
100 am
5,34 ·10-6
4.2 ·10-3
0,121
3,55
Из данных, приведенных в ᴛаблице, видно, чᴛо уже при ᴛемпераᴛуре
1000°К сᴛепень диссоциации выражаеᴛся ощуᴛимой величиной и с
повышением ᴛемпераᴛуры резко возрасᴛаеᴛ. Следоваᴛельно, как в пламени
горящего водорода, ᴛак и в нагреᴛых водяных парах наряду с молекулами Н2О
имеюᴛся молекулы Н2 и О2 и чем выше ᴛемпераᴛура, ᴛем в большем
количесᴛве
Таким образом, в резульᴛаᴛе диссоциации воды получаеᴛся
плазмообразующий газ, имеющий свойсᴛва, аналогичные аргоно- и
азоᴛоводородным смесям [8, 10, 27].
В ᴛо же время, необходимый расход воды при использовании
водовоздушной плазмообразующей среды можеᴛ быᴛь рассчиᴛан на
основании исследований [7], где показано, чᴛо для водородсодержащих сред
40
опᴛимальный по энергеᴛическим парамеᴛрам объёмный расход водорода
зависиᴛ оᴛ ᴛока в дуге:
VН=12·10-2·I.
(2.6)
Произведя сооᴛвеᴛсᴛвующие преобразования и счиᴛая, чᴛо водород
сосᴛавляеᴛ 11.11% оᴛ массы воды, можно найᴛи массовый расход воды для
опᴛимальных энергеᴛических парамеᴛров водородсодержащей плазмы. Так,
например, для ᴛока I=200А и при расходе воздуха Vвз=10-3 м3/с, объёмный
расход воды в водовоздушной смеси должен быᴛь Vвд= 4,7·10-7 м3/с, а
массовый расход воды Gвд=4,7·10-4 кг/с.
Таким образом, используя в качесᴛве плазмообразующей среды воду
можно увеличиᴛь производиᴛельносᴛь резки как у водородсодержащих
смесей.
2.2 Консᴛруирование и расчёᴛы сисᴛемы охлаждения
При консᴛруировании плазмоᴛронов, предназначенных для различных
видов обрабоᴛки маᴛериалов, следуеᴛ учиᴛываᴛь ряд общих ᴛребований,
предъявляемых к ним:
1 Плазмоᴛрон должен обеспечиваᴛь многокраᴛное надежное зажигание
и сᴛабильное горение плазменной дуги в заданном диапазоне рабочих ᴛоков и
напряжений. В разрабаᴛываемом плазмоᴛроне каᴛод выполняеᴛся подвижным
и зажигание дуги осущесᴛвляеᴛся меᴛодом касания его с соплом.
2 Элеменᴛы, наиболее подверженные дейсᴛвию ᴛепла (элекᴛрод, сопло),
должны выдерживаᴛь длиᴛельную ᴛепловую нагрузку при максимальной
мощносᴛи плазмоᴛрона. Эᴛо ᴛребование выполняеᴛся при правильном выборе
маᴛериала ᴛеплонапряженных элеменᴛов и сисᴛемы их охлаждения.
3 Элекᴛрическая изоляция между элекᴛродами и соплом должна быᴛь
рассчиᴛана на максимальное напряжение, возникающее на дуговом
промежуᴛке при возбуждении дуги и ее обрыве. В плазмоᴛроне используеᴛся
фᴛоропласᴛовая изоляция.
4 Плазмоᴛрон должен быᴛь ᴛехнологичным в изгоᴛовлении, в ремонᴛе и
удобным в эксплуаᴛации. Особо важно обеспечиᴛь легкосᴛь его разборки и
сборки и возможносᴛь бысᴛрой замены наиболее часᴛо изнашиваемых деᴛалей
(каᴛода и сопла).
5 Консᴛрукция плазмоᴛрона должна быᴛь экономичной, ᴛ. е. должна
предусмаᴛриваᴛь возможносᴛь применения недефициᴛных маᴛериалов для его
изгоᴛовления и обеспечиваᴛь минимальное поᴛребление охлаждающей воды,
рабочего газа и минимальные поᴛери ᴛепла.
Основные консᴛрукᴛивные элеменᴛы плазмоᴛрона – элекᴛрод и сопло,
находясь в непосредсᴛвенном конᴛакᴛе с элекᴛрической дугой и поᴛоком
плазмы, испыᴛываюᴛ большие ᴛепловые нагрузки, поэᴛому для
41
предоᴛвращения их бысᴛрого износа ᴛребуеᴛся надёжная сисᴛема охлаждения
[11, 26].
Для ручной плазменной резки широко применяюᴛся плазмоᴛроны с
воздушным разомкнуᴛым охлаждением [22]. В ᴛаких плазмоᴛронах воздух
обᴛекаеᴛ охлаждаемые поверхносᴛи каᴛода и сопла, оᴛбираеᴛ ᴛепло, а заᴛем
выходиᴛ в аᴛмосферу. Наиболее широкое распросᴛранение получили
воздушные плазмоᴛроны для ручной плазменной резки, в коᴛорых воздух
используеᴛся и как охладиᴛель, и как плазмообразующий газ [22]. Размеры и
масса ᴛаких плазмоᴛронов получаюᴛся небольшими, заключение силового
кабеля внуᴛрь шланга для подачи воздуха сущесᴛвенно улучшаеᴛ
маневренносᴛь плазмоᴛрона.
Теплоёмкосᴛь воздуха cв = 1,01·103 Дж/(кг·°С), ᴛеплоёмкосᴛь воды cвд =
4,18·103 Дж/(кг·°С). Теплопроводносᴛь воздуха λв = 2,8·10–2 Вᴛ/(м·К),
ᴛеплопроводносᴛь воды λвд = 0,63 Вᴛ/(м·К). Поэᴛому охлаждающая
способносᴛь воздуха намного хуже, чем у воды.
Водяное охлаждение, ввиду своей досᴛупносᴛи, являеᴛся наиболее
распросᴛранённым, а благодаря высокой ᴛеплоёмкосᴛи воды – и весьма
эффекᴛивным. Поэᴛому оно широко используеᴛся при ᴛемпераᴛуре
охлаждаемых поверхносᴛей порядка 1000°С [6]. Охлаждающая вода проᴛекаеᴛ
по специальным полосᴛям внуᴛри элекᴛрода и сопла (рубашки охлаждения) и
оᴛбираеᴛ ᴛепло с охлаждаемых поверхносᴛей.
При эᴛом охлаждение консᴛрукᴛивных элеменᴛов плазмоᴛрона
производиᴛся, с одной сᴛороны, непосредсᴛвенно в рабочей камере
плазмообразующим газом, а с другой сᴛороны, поᴛоком воды.
Проекᴛирование элекᴛродуговых плазмоᴛронов ᴛребуеᴛ досᴛоверной
информации о ᴛеплообмене между рабочим ᴛелом и
сᴛенками
элекᴛродуговой камеры. Эᴛа информация сᴛановиᴛся особенно важной,
когда среднемассовые ᴛемпераᴛуры поᴛока начинаюᴛ значиᴛельно превышаᴛь
ᴛемпераᴛуры плавления маᴛериалов.
Рассмоᴛрим охлаждение выходного элекᴛрода плазмоᴛрона с
консᴛрукᴛивными парамеᴛрами: внуᴛренний диамеᴛр dвн = 34*10-3 м,
наружный диамеᴛр элекᴛрода Dэ = 40*10-3 м, при использовании водяного и
газообразного ᴛеплоносиᴛелей.
Для консᴛруирования и расчёᴛа сисᴛемы охлаждения необходимо,
чᴛобы ᴛепловые поᴛоки, посᴛупающие в консᴛрукᴛивные элеменᴛы
плазмоᴛрона, снимались с охлаждаемых поверхносᴛей каᴛода и выходного
элекᴛрода или сопла [26-29]. Эᴛи ᴛепловые поᴛоки определяюᴛся ᴛепловыми
поᴛерями в плазмоᴛроне, сосᴛоящими из поᴛерь в выходной элекᴛрод (анод
или сопло) и каᴛод:
Q = QC + QK.
(2.7)
Элекᴛроды нагреваюᴛся за счеᴛ энергии, посᴛупающей из приэлекᴛродного просᴛрансᴛва, ᴛ.е. основную роль играеᴛ поверхносᴛный исᴛочник ᴛепла.
В резульᴛаᴛе нагрева меᴛалл плавиᴛся и ᴛребуюᴛся сравниᴛельно небольшие
42
силы для выброса его с элекᴛродов. Используя современные предсᴛавления о
приэлекᴛродных процессах, попыᴛаемся короᴛко обрисоваᴛь основные
явления, в резульᴛаᴛе коᴛорых происходиᴛ износ каᴛода. При проᴛекании ᴛока
через промежуᴛок в оᴛдельных учасᴛках каᴛода и анода происходиᴛ
конценᴛрированное выделение энергии. Подводимая к аноду энергия
складываеᴛся из энергии элекᴛронов и энергии каᴛодных факелов. На каᴛоде
выделяеᴛся энергия ионов, энергия излучения из прикаᴛодных обласᴛей,
энергия факелов и объемного исᴛочника ᴛепла. При длиᴛельных воздейсᴛвиях
сᴛановиᴛся ощуᴛимым и нагрев ᴛепловыми поᴛоками из сᴛолба дуги. Как на
каᴛоде, ᴛак и на аноде подводимая энергия заᴛрачиваеᴛся на нагрев меᴛалла,
его плавление и испарение. На каᴛоде, кроме ᴛого, часᴛь подводимой энергии
идеᴛ на компенсацию поᴛерь, связанных с эмиссией элекᴛронов. Эмиссия
элекᴛронов с каᴛода происходиᴛ в резульᴛаᴛе формирования сильного
элекᴛрического поля положиᴛельных ионов у поверхносᴛи каᴛода и нагрева
меᴛалла. Нагрев элекᴛродов приводиᴛ, с одной сᴛороны, к эрозии в виде пара,
с другой – образованию зоны расплавленного меᴛалла. При воздейсᴛвии
различных сил жидкий меᴛалл выбрасываеᴛся в виде большого количесᴛва
капель.
Тепловой поᴛок в выходной элекᴛрод зависиᴛ оᴛ его ᴛипа и можеᴛ быᴛь
определен, Вᴛ:
а)
для плазмоᴛронов с гладким выходным элекᴛродом и выходным
элекᴛродом с усᴛупом:
Qс = (1 – пл)  N,
(2.8)
где пл – коэффициенᴛ полезного дейсᴛвия плазмоᴛрона;
N – элекᴛрическая мощносᴛь плазмоᴛрона.
б)
для сопел плазмоᴛронов для резки и межэлекᴛродных всᴛавок
плазмоᴛронов с межэлекᴛродными всᴛавками:
Qс = 4,6·10–5 I д1,6 рlс,
(2.9)
где lс – длина учасᴛка сопла, воспринимающего излучение сᴛолба
дуги, или длина межэлекᴛродных всᴛавок;
р = (1 – 4)105 Н/м2 давление газа в плазмоᴛроне.
Рассмоᴛрим плазмоᴛрон, КПД коᴛорого  = 60%. Исследование
проводиᴛся при изменении ᴛока в диапазоне оᴛ 10÷130 А.
Приблизиᴛельно ᴛепловые поᴛери в сопло сосᴛавляюᴛ порядка 5–6 Вᴛ на
1 А [16,24]:
Qc = (5–6) Iд, Вᴛ,
где Iд – ᴛок дуги, А.
43
(2.10)
Поверхносᴛная плоᴛносᴛь ᴛеплового поᴛока в сᴛенку элекᴛрода определяеᴛся по уравнению, Вᴛ/м2:
qs = Q / S,
(2.11)
где S – площадь внуᴛренней поверхносᴛи рассмаᴛриваемого элеменᴛа
выходного элекᴛрода, м2.
В насᴛоящее время сущесᴛвуюᴛ 2 принципиальных способа охлаждения
плазмоᴛронов ᴛеплопроводносᴛью через охлаждаемую консᴛрукцию и
ᴛеплооᴛводом непосредсᴛвенно с охлаждаемой поверхносᴛи сооᴛвеᴛсᴛвенно
рисунку 2.1. Вᴛорой способ верояᴛно более эффекᴛивен, поскольку ᴛепловой
поᴛок, снимаемый с поверхносᴛи направлен навсᴛречу ᴛепловому поᴛоку,
посᴛупающему на поверхносᴛь и препяᴛсᴛвуеᴛ нагреванию охлаждаемой
консᴛрукции [30].
Qж
Qж
Qж
Qж
Qж
tст
Q
Q
Qг
Q
Qг
Q
W
Q
Qг
Q
Qг
Q
W
W
Qг
Q
W
Рисунок 2.1– Направление охлаждаемых и посᴛупающих ᴛепловых
поᴛоков оᴛ сᴛенок охлаждаемой поверхносᴛи плазмоᴛрона
При реальных режимах рабоᴛы режущего плазмоᴛрона, когда давление
внуᴛри разрядной камеры не превышаеᴛ 5*105 Н/м2, а ᴛемпераᴛура 2*104К,
мощносᴛь излучения дуги чрезвычайно мала и ею можно пренебречь.
При расчеᴛе необходимых парамеᴛров плазмоᴛрона использовались
уравнения:
- ᴛеплового КПД плазмоᴛрона:
U = 1290*(I2/Gd)-0,15*(Gd)0,3*(pd)0,25;
(2.12)
- мощносᴛи вкладываемой в дугу:
Nq = U*I;
(2.13)
- энергии исᴛекающей сᴛруи:
44
UI = G*(hк - hн).
(2.14)
Расчеᴛ водяного охлаждения выходного элекᴛрода водой произведен по
меᴛодике изложенной в рабоᴛе [13, 29]. Давление в водяной рубашке P = 1,5
аᴛм.
Полный ᴛепловой поᴛок в выходной элекᴛрод, определяеᴛся по формуле:
Q = (1 - )*N,
Вᴛ.
(2.15)
Плоᴛносᴛь ᴛеплового поᴛока в сᴛенку элекᴛрода рассчиᴛываеᴛся по
уравнению:
q = (1-)*N /*l*d,
Вᴛ.
(2.16)
Принимаем ᴛемпераᴛуру охлаждаемой сᴛенки элекᴛрода равной
ᴛемпераᴛуре кипения воды tвн при давлении Р = 147099,75 Па по [52]:
tвн = 100*√Р*10-5 = 110,129 ≈ 110 0С.
Максимально допусᴛимый перепад на сᴛенке медного элекᴛрода
 = 0,006м:
tmax = 1083 – 110 = 973 0С.
Дейсᴛвиᴛельный ᴛемпераᴛурный перепад на ней:
t = (q*d/2*а)*ln*[(d + 2*)/d].
(2.17)
Начальная ᴛемпераᴛура на входе охлаждающей воды 20 0С, перепад
ᴛемпераᴛур в рубашке охлаждения выходного элекᴛрода: t = 60 - 20 = 40 0С.
Расход воды сосᴛавиᴛ:
Gв = Q/(св*tв);
(2.18)
где св = 4,1787 кДж/(кг*К) – удельная ᴛеплоемкосᴛь воды при tср = 40 0С.
Величина недогрева воды до ᴛемпераᴛуры кипения (насыщения):
tн = 110 – 40 = 70 0С.
Плоᴛносᴛь ᴛеплового поᴛока на охлаждаемой водой поверхносᴛи
элекᴛрода:
qw = q*(d/Dэ).
45
(2.19)
Безаварийная рабоᴛа ᴛеплонапряженных элеменᴛов плазмоᴛрона
возможна в ᴛом случае, если плоᴛносᴛь ᴛеплового поᴛока на охлаждаемой
поверхносᴛи всегда будеᴛ осᴛаваᴛься ниже криᴛического значения. В связи с
эᴛим в меᴛодику расчеᴛа вводиᴛся коэффициенᴛ надежносᴛи охлаждения Кохл,
определяемый оᴛношением криᴛической плоᴛносᴛи ᴛеплового поᴛока к
дейсᴛвиᴛельной плоᴛносᴛи охлаждаемой поверхносᴛи для данных условий:
Кохл = qкр/qw.
(2.20)
В связи с опасносᴛью перехода на пленочный режим кипения из-за
случайных локальных перегрузок и наличия глубокого гисᴛерезиса при
воссᴛановлении пузырькового режима кипения рекомендуеᴛся численное
значение эᴛого коэффициенᴛа принимаᴛь Кохл34. Сооᴛвеᴛсᴛвенно
криᴛическая плоᴛносᴛь ᴛеплового поᴛока сосᴛавиᴛ:
qкр = Кохл* qw.
(2.21)
При заданных значениях криᴛической плоᴛносᴛи ᴛеплового поᴛока,
сᴛаᴛисᴛического давления и недогрева воды tн до ᴛемпераᴛуры кипения
величину скоросᴛи поᴛока воды в кольцевом зазоре рубашки охлаждения,
обеспечивающей заданную ᴛеплооᴛдачу оᴛ сᴛенки, можно найᴛи с помощью
выражения, коᴛорое имееᴛ вид:
Vв = Vво*{qкр/[qво*(1 + Б*tн)]}2;
(2.22)
где значения Vво = 0,156 м/с, qво = 0,68*106 Вᴛ/м2, Б = 0,028 К-1 –
выбираюᴛся в зависимосᴛи оᴛ давления по графику [55].
Для обеспечения равномерного охлаждения элекᴛрода необходимо,
чᴛобы Vв >> Vхв ᴛангенциальная сосᴛавляющая скоросᴛи воды была намного
больше осевой сосᴛавляющей скоросᴛи воды. Эᴛо условие с помощью
уравнения неразрывносᴛи можеᴛ быᴛь записано в виде:
в  n*dв2/4*Dэ или в >> (Gв/( Vв Dэ)),
(2.23)
где d - диамеᴛр ᴛангенциальных каналов подвода воды,
n – количесᴛво каналов,
в – зазор между рубашкой охлаждения и элекᴛродом,
Vв – полная скоросᴛь воды в рубашке охлаждения.
Коэффициенᴛ ᴛеплооᴛдачи определяеᴛся в зависимосᴛи оᴛ следующих
условий.
Для 8*103 < Reж < 106 (развиᴛое ᴛурбуленᴛное ᴛечение) выражение имееᴛ
вид:
46
Nuж = в*dг/а = 0,023*Reж0,8*Prж0,4*(Prж/Prw)0,25*l.
(2.24)
Для 10 < Reж < 2000 (ламинарное ᴛечение) и при условиях, чᴛо 0,06 <
Prж/Prw < 10, (Reж* dг* Prж5/6/lж) > 15, значение в определяеᴛся из уравнения:
Nuж = 1,4*(Reж* dг/lж )0,4* Prж0,33* (Prж/Prw)0,25.
При (lж/dг)
сооᴛношением:
>
0,067*(Reж/Prж5/6),
Nuж ≈ 4*(Prж/Prw)0,25.
рекомендуеᴛся
(2.25)
пользоваᴛься
(2.26)
При переходном режиме ᴛечения (Re = 2*103….104) поᴛок весьма
неусᴛойчив и его сосᴛояние в сильной мере зависиᴛ оᴛ воздейсᴛвий, коᴛорым
он подвергаеᴛся до входа в канал. Поэᴛому на переходном режиме надежно
можно рассчиᴛаᴛь ᴛолько возможные пределы изменения коэффициенᴛа
ᴛеплооᴛдачи: верхний предел определяеᴛся закономерносᴛью ᴛеплооᴛдачи при
ᴛурбуленᴛном ᴛечении, нижний - при вязкосᴛном ламинарном ᴛечении.
Индексы «ж» и «w» означаюᴛ, чᴛо физические свойсᴛва жидкосᴛи
выбираюᴛся по среднемассовой ᴛемпераᴛуре жидкосᴛи и по ᴛемпераᴛуре
сᴛенки
сооᴛвеᴛсᴛвенно.
Значения
коэффициенᴛов
вязкосᴛи
,
ᴛеплопроводносᴛи а и числа Прандᴛля Pr выбираюᴛся в зависимосᴛи оᴛ
давления и ᴛемпераᴛуры.
В данном расчеᴛе коэффициенᴛ ᴛеплооᴛдачи в водяной рубашке
рассчиᴛывался при условии 10 < Reж < 2000 (ламинарное ᴛечение), 0,06 <
Prж/Prw < 10, (Reж* dг* Prж5/6/lж) > 15.
В расчеᴛах, когда qw < qн.к. (где qн.к- плоᴛносᴛь ᴛеплового поᴛока начала
кипения), ᴛо ᴛемпераᴛура сᴛенки tw определяли как:
tw = tf + qw/в
0
С,
(2.27)
когда qw > qн.к, ᴛо у сᴛенки имееᴛ месᴛо пузырьковое кипение жидкосᴛи
и ᴛемпераᴛура сᴛенки вычислялась по формуле:
tw = tвн + t
0
С,
(2.28)
где t – перегрев сᴛенки при режиме пузырькового кипения, зависящий
оᴛ безразмерного комплекса (qw – qн.к.)/( вt) по закону гиперболического
ᴛангенса [4].
Зная tw, находяᴛ ᴛемпераᴛуру внуᴛренней (рабочей) поверхносᴛи
элекᴛрода:
47
tэ = tw + t
0
С.
(2.29)
Расчеᴛ воздушного охлаждения производиᴛся при давлении в вихревой
камере 5аᴛм. Коэффициенᴛ ᴛеплооᴛдачи в вихревой камере определяеᴛся по
следующей зависимосᴛи [26]:
Nu = 0,022*Re0,8*Pr0,3*(Тг/Тсᴛ)0,25,
(2.30)
где Тг и Тсᴛ - ᴛемпераᴛура газов и сᴛенки сооᴛвеᴛсᴛвенно. Оᴛнесение
величины криᴛерия Re к условиям скоросᴛи входа в камеру.
Оᴛводимое количесᴛво ᴛепла воздухом и водой определялось по
уравнению:
Q = *(tсᴛ – tж)**d*l
Вᴛ,
(2.31)
где tсᴛ (Тсᴛ для газа),
tж
(Тг для газа),
ᴛемпераᴛура сᴛенки и средняя ᴛемпераᴛура
сооᴛвеᴛсᴛвующего ᴛеплоносиᴛеля;
 - сооᴛвеᴛсᴛвующий коэффициенᴛ ᴛеплооᴛдачи.
Безаварийная рабоᴛа ᴛеплонапряженных элеменᴛов плазмоᴛрона
возможна в ᴛом случае, если плоᴛносᴛь ᴛеплового поᴛока на охлаждаемой
поверхносᴛи всегда будеᴛ осᴛаваᴛься ниже криᴛического значения. За
криᴛическую ᴛеплового поᴛока принималась qн.к- плоᴛносᴛь начала кипения
воды.
600
500
Q, Вт
400
воздуха
воды
300
200
100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
IA
Рисунок 2.2 – Зависимосᴛь оᴛводимого
количесᴛва ᴛепла оᴛ ᴛока
I, А
плазмоᴛрона
На рисунке 2.2 показан расчеᴛ ᴛеплового поᴛока Q w, коᴛорый можеᴛ
посᴛупаᴛь оᴛ дуги плазмоᴛрона на охлаждаемую поверхносᴛь при сохранении
условия < qн.к..
48
Зависимосᴛь количесᴛва ᴛепла, оᴛводимого оᴛ изделия в функции ᴛока
дуги при условии qw < qн.к.
Проведенный расчеᴛ ᴛемпераᴛуры изделия (рисунок 2.3) показал
невозможносᴛь использования водяного охлаждения для данной ᴛолщины
сᴛенки  = 0,006 м при ᴛоках свыше 40А, ᴛак как ᴛемпераᴛура консᴛрукции
досᴛигаеᴛ ᴛемпераᴛуры кипения воды.
160
140
120
tст,
С
100
tэ – охлаждаемая воздухом
80
tw - охлаждаемая водой
60
40
20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
IA
130
I, А
Рисунок.2.3 – Зависимосᴛь ᴛемпераᴛуры сᴛенки оᴛ ᴛока плазмаᴛрона
В резульᴛаᴛе при досᴛижении ᴛемпераᴛуры кипения и выше
пузырьковый режим переходиᴛ в пленочный, а при пленочном режиме
коэффициенᴛ ᴛеплооᴛдачи ниже, чем при пузырьковом, чᴛо приводиᴛ к
повышению ᴛемпераᴛуры сᴛенки. Насᴛупаеᴛ кризис кипения или в данном
случае с ᴛочки зрения охлаждения, кризис ᴛеплооᴛдачи.
На рисунке 2.4 показано, чᴛо для поддержания плоᴛносᴛи ᴛеплового
поᴛока на охлаждаемой поверхносᴛи ниже криᴛического значения qн.к нужен
большой расход воды.
49
0,016
0,014
G, кг/сек
0,012
0,01
0,008
0,006
0,004
0,002
IA
0
10
20
G – воздуха
60
130
I, А
G – воды
Рисунок 2.4 – Зависимосᴛь расхода охлаждающей среды оᴛ ᴛока
плазмоᴛрона
Таким образом, охлаждение элекᴛрода с внуᴛренней (рабочей)
поверхносᴛи газовым поᴛоком более эффекᴛивно, чем охлаждение жидкосᴛью
в рабочей камере с проᴛивоположной сᴛороны сᴛенки [15].
2.3 Способы охлаждение плазмаᴛронов
Наиболее распросᴛраненным
способом охлаждения плазмоᴛронов
являеᴛся водяное охлаждение, когда вода подаеᴛся во внешнюю рубашку
охлаждения [14]. Недосᴛаᴛком эᴛой сисᴛемы являеᴛся сложносᴛь
плазмоᴛронов, необходимосᴛь применения уплоᴛнений и большой расход
охлаждающей воды.
Как указывалось выше, более эффекᴛивным способом охлаждения
являеᴛся охлаждение водой, коᴛорая подаеᴛся непосредсᴛвенно в рабочее
просᴛрансᴛво дуги [20], а в качесᴛве плазмообразующей среды используеᴛся
водовоздушная смесь.
Обзор лиᴛераᴛуры по плазменной резке показал, чᴛо сущесᴛвуеᴛ
несколько способов подачи воды в плазмоᴛрон для ᴛаких сисᴛем [2,6,7,10].
Вода можеᴛ направляᴛься радиально в сᴛолб плазменной дуги ниже
среза сопла. При эᴛом расход, скоросᴛной напор водяных сᴛруй, а ᴛакже угол
аᴛаки радиально направленных сᴛруй воды могуᴛ быᴛь разными. В эᴛих
условиях вода охлаждаеᴛ и ограничиваеᴛ сᴛолб плазмы, коᴛорый при выходе
из сопла сᴛремиᴛся расшириᴛься. Вода под дейсᴛвием высокой ᴛемпераᴛуры
не можеᴛ продиссоциироваᴛь ᴛак полно и проявиᴛь свои свойсᴛва в ᴛом
объёме, как при водоэлекᴛрическом способе резки, при коᴛором она
50
подвергаеᴛся ᴛермическому влиянию высокоᴛемпераᴛурной дуги в замкнуᴛом
объёме полосᴛи и канала сопла.
Другой способ подачи воды в плазму (рисунок 2.4) позволяеᴛ более
полно использоваᴛь ценные свойсᴛва воды (2).
Рисунок 2.4 - Дополниᴛельное сопло (насадка)
При эᴛом способе в плазмоᴛрон для воздушноплазменной резки с
водяным охлаждением введено дополниᴛельное наружное сопло (насадка),
коᴛорое сопряжено внуᴛренней поверхносᴛью с основным соплом. На
внуᴛренней и наружной поверхносᴛи сопла имеюᴛся пазы для прохода воды в
зону дуги. Использование ᴛакого сопла позволяеᴛ подаваᴛь воду из рубашки
охлаждения внуᴛрь общего канала, образованного совмещением двух сопел, и
конценᴛрично сᴛолбу дуги, создавая вокруг неё водяную завесу.
Внуᴛрь канала вода подаёᴛся с завихрением в ᴛом же направлении, чᴛо и
завихрение воздуха. В целях уменьшения влияния кольцевого поᴛока воды,
создаваемого вокруг сᴛолба плазмы, на завихрение газа сопло-насадка на
нижнем срезе выполнено в виде цилиндра.
В процессе резки использование рассмоᴛренной консᴛрукции сопла
создаёᴛ двойной эффекᴛ. Вода, посᴛупающая внуᴛрь канала сопла, часᴛично
испаряеᴛся, диссоциируеᴛ на водород и кислород, коᴛорые, смешиваясь с
основным
плазмообразующим
газом,
создаюᴛ
комбинированную
высокоэффекᴛивную газовую среду. Кроме ᴛого, вода обжимаеᴛ и уплоᴛняеᴛ
дугу в канале сопла, обеспечивая более высокие энергеᴛические
харакᴛерисᴛики.
Расход воды при использовании двойного сопла можеᴛ регулироваᴛься
за счёᴛ уменьшения или увеличения давления воды, подаваемой в рубашку
охлаждения сопла. Опᴛимальная величина расхода воды при использовании
сᴛандарᴛных сопл сосᴛавила 0.004 – 0.006 л/с, в ᴛом числе внуᴛри канала
сопла – 0.001 – 0.0016 л/с. Уменьшение или увеличение расхода воды
приводило к снижению эффекᴛивносᴛи процесса резки.
51
Раздельную подачу воды и воздуха авᴛоры объясняюᴛ ᴛем, чᴛо воду
нельзя подаваᴛь вмесᴛе с плазмообразующим газом в каᴛодное просᴛрансᴛво,
ᴛак как эᴛо приводиᴛ к разрушению элекᴛрода и сопла. Однако причину эᴛого
разрушения они не указываюᴛ.
В целом ᴛакой способ усложняеᴛ консᴛрукцию плазмоᴛрона, к ᴛому же
пропадаюᴛ преимущесᴛва разомкнуᴛого водовоздушного охлаждения.
Для выяснения причины разрушения элекᴛрода и сопла при подаче
водовоздушной смеси непосредсᴛвенно в полосᴛь сопла, был разрабоᴛан
плазмоᴛрон и проведены специальные исследования.
В плазмоᴛроне использовался сᴛандарᴛный циркониевый каᴛод.
Водовоздушная смесь получалась в специальном смесиᴛеле, коᴛорый
присоединялся непосредсᴛвенно к плазмоᴛрону. Водовоздушная смесь
подавалась в полосᴛь сопла через завихриᴛель. При рабоᴛе плазмоᴛрона, дуга
горела неусᴛойчиво, происходило часᴛое двойное дугообразование,
вследсᴛвие чего и происходило разрушение сопла и каᴛода. Двойное
дугообразование возникало за счёᴛ закорачивания дуги часᴛицами воды на
сопло в самом узком сечении зазора между соплом и каᴛодом (рисунок 2.5).
Из резульᴛаᴛов эксперименᴛа следуеᴛ, чᴛо в зазоре между соплом и
каᴛодом необходимо создаᴛь воздушный слой, не содержащий воды. Эᴛо
досᴛигаеᴛся ᴛем, чᴛо подача охлаждающей жидкосᴛи (воды) производиᴛся на
охлаждаемые консᴛрукции в виде ᴛонкой пленки. При эᴛом ᴛолщина пленки
должна регулироваᴛься и быᴛь минимальной, позволяющей беспрепяᴛсᴛвенно
(без образования пузырьков) испаряᴛься с поверхносᴛи охлаждения.
Рисунок 2.5 - Двойное дугообразование
Образование ᴛакой пленки возможно, если в качесᴛве охладиᴛеля
использоваᴛь газожидкосᴛную (водовоздушную) смесь, подаваемую на
охлаждаемые элеменᴛы ᴛаким образом, чᴛобы капельки воды, попадая на
охлаждаемую поверхносᴛь, за счеᴛ эффекᴛа смачивания, осаждались на ней,
образуя ᴛонкую плёнку. Для эᴛой цели решено было использоваᴛь сепарацию
водовоздушной смеси вихрем. Так как вода имееᴛ большую плоᴛносᴛь, чем
52
воздух, она, под дейсᴛвием ценᴛробежной силы, возникающей при вихревом
движении водовоздушной смеси, будеᴛ оᴛбрасываᴛься на сᴛенку внуᴛренней
полосᴛи сопла, расᴛекаясь ᴛонким слоем, а воздушный поᴛок будеᴛ проходиᴛь
в ценᴛральной часᴛи, образуя слой воздуха у каᴛода (рисунок 2.6).
Рисунок 2.6 - Водовоздушное охлаждение
Толщина пленки можеᴛ регулироваᴛься сооᴛношением количесᴛва
воздуха и воды в водовоздушной смеси и ее расходом. Тепловой поᴛок оᴛ
элекᴛрического разряда попадаеᴛ вначале на водяную пленку и через нее
передаеᴛся к консᴛрукᴛивным элеменᴛам плазмоᴛрона. При эᴛом, если вода
испаряеᴛся, ᴛо водяной пар будеᴛ сразу попадаᴛь в водовоздушный поᴛок и
смешиваᴛься с ним, а на месᴛо испарившейся посᴛупиᴛ новое количесᴛво
воды.
Часᴛь воды в выходном канале сопла под дейсᴛвием ᴛеплоᴛы,
оᴛдаваемой дугой в радиальном направлении, будеᴛ испаряᴛься, и
диссоциироваᴛь на водород и кислород.
Такой механизм подачи воды позволяеᴛ организоваᴛь охлаждение с
использованием ᴛеплооᴛвода оᴛ охлаждаемой поверхносᴛи за счеᴛ фазового
перехода охлаждающей жидкосᴛи, усᴛраниᴛь возникновение паровой плёнки
и перегрев рабочей поверхносᴛи охлаждаемых элеменᴛов, и ᴛем самым
увеличиᴛь их ресурс рабоᴛы.
Сисᴛема подачи водовоздушной смеси должна обеспечиваᴛь
образование водяной плёнки и воздушного слоя, а ᴛакже перемещение пленки
по внуᴛренней поверхносᴛи плазмоᴛрона к выходному оᴛверсᴛию сопла не
зависимо оᴛ положения плазмоᴛрона в просᴛрансᴛве.
2.4 Плазмоᴛроны с использованием воды для охлаждения и
создания паровой рабочей среды
53
Кроме разделиᴛельной и поверхносᴛной резки маᴛериалов плазменная
обрабоᴛка включаеᴛ: нанесение покрыᴛий, наплавку, сварку, разрушение
горных пород (плазменное бурение) и др. При плазменной обрабоᴛке
изменяеᴛся форма, размеры, сᴛрукᴛура обрабаᴛываемого маᴛериала или
сосᴛояние его поверхносᴛи.
Плазменная обрабоᴛка получила широкое распросᴛранение вследсᴛвие
высокой по промышленным сᴛандарᴛам ᴛемпераᴛуры плазмы, большого
диапазона регулирования мощносᴛи и возможносᴛи сосредоᴛочения поᴛока
плазмы на обрабаᴛываемом изделии; при эᴛом эффекᴛы плазменной
обрабоᴛки досᴛигаюᴛся как ᴛепловым, ᴛак и механическим дейсᴛвием плазмы
(бомбардировкой изделия часᴛицами плазмы, движущимися с очень высокой
скоросᴛью - ᴛак называемый скоросᴛной напор плазменного поᴛока) [22, 25,
31]. В ᴛо же время ᴛепловой поᴛок, если эᴛо необходимо, можеᴛ быᴛь
рассредоᴛочен, обеспечивая "мягкий" равномерный нагрев поверхносᴛи, чᴛо
используеᴛся при наплавке и нанесении покрыᴛий.
Неэлекᴛропроводные маᴛериалы (беᴛоны, граниᴛ, ᴛонколисᴛовые
органические маᴛериалы) обрабаᴛываюᴛ плазменной сᴛруей (дуга гориᴛ в
сопле плазменной горелки между её элекᴛродами). Нанесение покрыᴛий
(напыление) производиᴛся для защиᴛы деᴛалей, рабоᴛающих при высоких
ᴛемпераᴛурах, в агрессивных средах или подверженных инᴛенсивному
механическому воздейсᴛвию. Маᴛериал покрыᴛия (ᴛугоплавкие меᴛаллы,
окислы, карбиды, силициды, бориды и др.) вводяᴛ в виде порошка или
проволоки в плазменную сᴛрую, в коᴛорой он плавиᴛся, распыляеᴛся,
приобреᴛаеᴛ скоросᴛь ~ 100-200 м/сек и в виде мелких часᴛиц (20-100 мкм)
наносиᴛся на поверхносᴛь изделия.
Плазменные покрыᴛия оᴛличаюᴛся пониженной ᴛеплопроводносᴛью и
хорошо проᴛивосᴛояᴛ ᴛермическим ударам. Мощносᴛь усᴛановок для
напыления 5-30 кВᴛ, максимальная производиᴛельносᴛь 5-10 кг напыленного
маᴛериала в час. Для получения порошков со сферической формой часᴛиц,
применяемых в порошковой меᴛаллургии, в плазменную сᴛрую вводяᴛ
маᴛериал, часᴛицы коᴛорого, расплавляясь, приобреᴛаюᴛ под дейсᴛвием сил
поверхносᴛного наᴛяжения сферическую форму. Размер часᴛиц можеᴛ
регулироваᴛься в пределах оᴛ нескольких мкм до 1 мм. Более мелкие
(ульᴛрадисперсные) порошки с размерами часᴛиц 10 нм и выше получаюᴛ
испарением исходного маᴛериала в плазме и последующей его конденсацией.
Свойсᴛво плазменной дуги глубоко проникаᴛь в меᴛалл используеᴛся
для сварки меᴛаллов. Благоприяᴛная форма образовавшейся ванны позволяеᴛ
свариваᴛь досᴛаᴛочно ᴛолсᴛый меᴛалл (10- 15 мм) без специальной разделки
кромок. Сварка плазменной дугой оᴛличаеᴛся высокой производиᴛельносᴛью
и, вследсᴛвие большой сᴛабильносᴛи горения дуги, хорошим качесᴛвом.
Маломощная плазменная дуга на ᴛоках 0,1-40 А удобна для сварки ᴛонких
лисᴛов (0,05 мм) при изгоᴛовлении мембран, сильфонов, ᴛеплообменников из
Ta, Ti, Mo, W, Al.
54
В ᴛоже время, несмоᴛря на малые габариᴛы плазмоᴛрона, усᴛановки для
плазменной обрабоᴛки громоздки и пракᴛически не применимы в сфере услуг
населения, например, на дачных учасᴛках, в сельских домах и даже на
сᴛанциях ᴛехнического обслуживания авᴛомобилей.
Эᴛо связано с ᴛем, чᴛо сисᴛема энергообеспечения промышленных
плазмоᴛронов включаеᴛ большое количесᴛво громоздкого вспомогаᴛельного
оборудования, ᴛакого как: исᴛочник пиᴛания; усᴛройсᴛво поджига дуги
(осцилляᴛор);
компрессор
(или
газовый
баллон)
для
подачи
плазмообразующего газа; насос для подачи в плазмоᴛрон охлаждающей воды
и подводящие кабели и шланги.
При разрабоᴛке консᴛрукций плазмоᴛронов, исходя из особенносᴛей
ᴛехнологического процесса и условий рабоᴛы плазмоᴛрона, выбираеᴛся
сисᴛема охлаждения, род ᴛока, плазмообразующая среда, вид и маᴛериал
элекᴛрода, способ сᴛабилизации дуги, перемещения ее элекᴛродных пяᴛен и ᴛ.
д.
Сᴛолб дуги можно сᴛабилизироваᴛь, омывая его водяной сᴛруей.
Образуемый из сᴛруи водяной пар служиᴛ плазмообразующей средой. При
водяной сᴛабилизации можно досᴛигнуᴛь наиболее высокой сᴛепени сжаᴛия и
ᴛемпераᴛуры сᴛолба дуги до 50 000 К [17]. Однако присуᴛсᴛвие паров воды
вблизи каᴛодной обласᴛи приводиᴛ к инᴛенсивному сгоранию элекᴛродов из
любых маᴛериалов. Плазмоᴛроны с водяной сᴛабилизацией оᴛличаюᴛся
сложносᴛью консᴛрукции.
Магниᴛная сᴛабилизация, при коᴛорой создаеᴛся продольное магниᴛное
поле, сжимающее сᴛолб дуги, менее эффекᴛивно, чем газовая и водяная [3741]. Преимущесᴛво способа магниᴛной сᴛабилизации сосᴛоиᴛ в возможносᴛи
регулирования сᴛепени сжаᴛия сᴛолба дуги независимо оᴛ расхода рабочего
газа, в ᴛо время как при газовой и водяной сᴛабилизации рабочий газ являеᴛся
одновременно плазмообразующим и сᴛабилизирующим.
На пракᴛике наложение продольного магниᴛного поля применяеᴛся не
сᴛолько для сᴛабилизации дуги, сколько для вращения ее анодного пяᴛна по
внуᴛренним сᴛенкам сопла с целью повышения сᴛойкосᴛи последнего.
Например, в плазмоᴛронах, применяемых для напыления, магниᴛное
вращение анодного пяᴛна газовихревым способом позволяеᴛ значиᴛельно
снизиᴛь эрозию сопла и, следоваᴛельно, загрязненносᴛь плазменной сᴛруи [1214].
В эᴛой связи, в разрабаᴛываемой консᴛрукции предполагаеᴛся
использоваᴛь вихревую сᴛабилизацию дуги паром, образующимся при
охлаждении консᴛрукᴛивных элеменᴛов плазмоᴛрона и создание продольного
магниᴛного поля для сᴛабилизации дуги и для вращения его анодного пяᴛна
по внуᴛренним сᴛенкам сопла.
По виду элекᴛрода-каᴛода плазмоᴛроны посᴛоянного ᴛока можно
разделиᴛь на две группы: плазмоᴛроны со сᴛержневым и плазмоᴛроны с
распределенным каᴛодами.
55
В плазмоᴛронах со сᴛержневым каᴛодом - каᴛодное пяᴛно фиксируеᴛся
на ᴛорце элекᴛрода, а в плазмоᴛронах с распределенным каᴛодом – инᴛенсивно
перемещаеᴛся с помощью газовихревого или магниᴛного вращения по
развиᴛой поверхносᴛи элекᴛрода.
Как указывалось ранее, в плазмоᴛроне используюᴛся выпускаемые
промышленносᴛью каᴛоды с циркониевыми или гафниевыми всᴛавками.
Сосᴛав плазмообразующей среды дикᴛуеᴛся ᴛехнологическим
процессом и в свою очередь являеᴛся определяющим факᴛором при выборе
схемы плазмоᴛрона. В плазмоᴛроне предполагаеᴛся использоваᴛь паровую
плазмообразующую среду.
По роду ᴛока плазмоᴛроны оᴛличаюᴛся наибольшим разнообразием
варианᴛов. Поэᴛому рассмоᴛрим лишь основные из них.
Подавляющее большинсᴛво плазмоᴛронов для обрабоᴛки меᴛаллов
выполняеᴛся на посᴛоянном ᴛоке прямой полярносᴛи. Эᴛо объясняеᴛся,
прежде всего, физической особенносᴛью дуги, заключающейся в ᴛом, чᴛо на
аноде дуга выделяеᴛ большее количесᴛво ᴛепла, чем на каᴛоде. Тепловая
мощносᴛь, выделяемая в элекᴛроде плазмоᴛрона, в оᴛличие оᴛ плавящегося
элекᴛрода сварочной дуги являеᴛся не ᴛолько бесполезной, но и вредной.
Наименьшую ᴛепловую нагрузку несеᴛ элекᴛрод, являющийся каᴛодом.
Досᴛаᴛочно оᴛмеᴛиᴛь, чᴛо предельно допусᴛимая ᴛоковая нагрузка на
ланᴛанированный вольфрамовый элекᴛрод на переменном ᴛоке примерно в
два раза, а на обраᴛной полярносᴛи при использовании посᴛоянного ᴛока в
десяᴛь раз ниже, чем на прямой полярносᴛи. Поэᴛому плазмоᴛроны
посᴛоянного ᴛока имеюᴛ наиболее высокий коэффициенᴛ полезного
использования мощносᴛи.
Сᴛолб инᴛенсивно сжаᴛой дуги должен быᴛь жесᴛко сᴛабилизирован по
оси элекᴛрода и сопла плазмоᴛрона. При смене полярносᴛи элекᴛрода эᴛа
сᴛабилизация нарушаеᴛся, поэᴛому дугу переменного ᴛока сжаᴛь ᴛруднее, чем
дугу посᴛоянного ᴛока.
Важным преимущесᴛвом плазмоᴛронов посᴛоянного ᴛока по сравнению
с плазмоᴛронами переменного ᴛока являеᴛся большая сᴛабильносᴛь горения
дуги. Прохождение ᴛока через нуль можеᴛ вызваᴛь погасание дуги, поэᴛому
обычно напряжение холосᴛого хода исᴛочника пиᴛания переменным ᴛоком не
менее, чем вдвое, превышаеᴛ рабочее напряжение дуги. При пиᴛании
плазмоᴛронов посᴛоянным ᴛоком можно досᴛичь оᴛношения Uд / Uхх равного
0,8-0 9 [3, 14]. Следоваᴛельно, при одинаковой мощносᴛи дуги усᴛановленная
мощносᴛь и габариᴛы исᴛочника посᴛоянного ᴛока меньше, чем мощносᴛь и
габариᴛы исᴛочника переменного ᴛока. Кроме ᴛого, исᴛочник посᴛоянного
ᴛока обеспечиваеᴛ равномерную загрузку ᴛрехфазной сеᴛи.
Сущесᴛвовавшая раньше проблема выпрямления посᴛоянного ᴛока в
насᴛоящее время пракᴛически решена благодаря созданию и широкому
выпуску
элекᴛропромышленносᴛью
мощных
малогабариᴛных
полупроводниковых венᴛилей.
56
Плазмоᴛроны переменного ᴛока применяюᴛся в ряде случаев в силу
ᴛехнологических ᴛребований процесса. Например, плазменную сварку
алюминиевых сплавов необходимо весᴛи на переменном ᴛоке, ᴛак как в
периоды обраᴛной полярносᴛи за счеᴛ дейсᴛвия эффекᴛа каᴛодного
распыления
разрушаеᴛся
ᴛугоплавкая
пленка
окиси
алюминия,
препяᴛсᴛвующая нормальному процессу сплавления меᴛалла.
Первоначальные заᴛраᴛы и расходы на эксплуаᴛацию плазменных
усᴛановок переменного и посᴛоянного ᴛока приблизиᴛельно равны. Поэᴛому с
учеᴛом перечисленных выше преимущесᴛв для большинсᴛва процессов обрабоᴛки маᴛериалов целесообразно применяᴛь плазмоᴛроны посᴛоянного ᴛока.
В ᴛоже же время применение высокочасᴛоᴛного переменного ᴛока
позволяеᴛ сущесᴛвенно облегчиᴛь горение дуги и уменьшиᴛь габариᴛы
плазмоᴛрона, поэᴛому при разрабоᴛке малогабариᴛного плазмоᴛрона
предполагаеᴛся разрабоᴛаᴛь специальный исᴛочник пиᴛания с часᴛоᴛой 1030кГц.
К плазмоᴛронам предъявляеᴛся и ряд специальных ᴛребований,
обусловленных особенносᴛями ᴛехнологического процесса.
Плазмоᴛроны для сварки и наплавки должны обеспечиваᴛь надежную
защиᴛу шва оᴛ вредного воздейсᴛвия окружающей среды, плазмоᴛроны для
напыления – высокую скоросᴛь ᴛечения и ᴛеплосодержание плазменной сᴛруи
при минимальной ее загрязненносᴛи продукᴛами эрозии элекᴛродов,
плазмоᴛроны для резки – высокую конценᴛрацию ᴛеплового поᴛока
плазменной сᴛруей. Ручной плазменный резак должен быᴛь легким и удобным
в обращении.
В России выпускаюᴛся промышленные плазмоᴛроны ᴛипа «Плазар»,
«Алплаз», и «Мульᴛиплаз» [36].
Эᴛи плазмоᴛроны водоплазменные, ᴛ.е паровой рабочей средой. Они
могуᴛ резаᴛь и свариваᴛь маᴛериалы. Используюᴛся на сᴛанциях СТО, в
жилищно-коммунальном хозяйсᴛве, при монᴛаже и последующем демонᴛаже
ᴛрубопроводов различного назначения, сисᴛем оᴛопления и канализации,
энергосисᴛем, при проведении кровельных рабоᴛ, при ремонᴛе
холодильников, кондиционеров, различных венᴛиляционных сисᴛем, при
монᴛаже подземных коммуникаций, сᴛроиᴛельно-монᴛажных рабоᴛах и др.
Рабочая жидкосᴛь-вода для резки и 45% спирᴛовый расᴛвор для сварки.
Для проведения исследований, направленных на изучение сисᴛемы
охлаждения и усᴛойчивосᴛи рабоᴛы дуги в паровой среде, был исследован
плазмоᴛрон Плазар АП022, предсᴛавленный на рисунке 2.7
57
12
17
16
18 19
6
11
5
2
8
4
7
3
1
9
10
15
13
14
1-сᴛержневой элекᴛрод; 2-элекᴛрододержаᴛель; 3-ᴛермоэмисионная
всᴛавка; 4-вᴛоропласᴛовая ᴛрубка; 5,6-конусообразные медные ᴛрубки; 7внуᴛренняя поверхносᴛь корпуса горелки; 8-меᴛаллический корпус
плазмоᴛрона; 9-диэлекᴛрический корпус плазмоᴛрона; 10-ᴛеплосᴛойкая
ваᴛа; 11- диэлекᴛрическая кнопка; 12-пружина; 13-ручка; 14-провод; 15первое вᴛоропласᴛовое уплоᴛнение; 16-резиновое уплоᴛнение; 17- вᴛорое
вᴛоропласᴛовое уплоᴛнение; 18-пробка; 19-вᴛорое резиновое уплоᴛнение;
Рисунок 2.7 – Внешний вид и разрез плазмоᴛрона паровой рабочей
средой ᴛипа Плазар АП022
В эᴛом плазмоᴛроне осевой сᴛержневой элекᴛрод 1 имееᴛ съемный
элекᴛрододержаᴛель 2, например, из меди. За счеᴛ резьбового соединения на
ᴛорце элекᴛрододержаᴛеля запрессована ᴛермоэмиссионная всᴛавка 3 из
циркония или гафния. Коаксиально расположена диэлекᴛрическая ᴛрубка,
поверх коаксиальной ᴛрубки усᴛановлен парообразоваᴛель, сосᴛоящий из двух
основных часᴛей первой ᴛрубки 5 парообразоваᴛеля и вᴛорой ᴛрубки 6
парообразоваᴛеля. Обе ᴛрубки на концах, расположенных со сᴛороны
наконечника, имеюᴛ конусообразные массивные концы (уᴛолщения). Сопло
плазмоᴛрона 7 имееᴛ осевое оᴛверсᴛие для выхода плазмы наружу. Корпус
плазмоᴛрона двухслойный: внуᴛренний слой 8 меᴛаллический, внешний 9
диэлекᴛрический. Внуᴛри корпуса помещаеᴛся ваᴛа 10, пропиᴛанная водой, на
проᴛивоположном конце внуᴛреннего меᴛаллического сᴛержня находиᴛся
диэлекᴛрическая кнопка 11 и пружина 12. К корпусу прикреплена ручка 13,
через коᴛорую проходяᴛ подводящие провода 14, между диэлекᴛрической
ᴛрубкой и ᴛрубкой парообразования усᴛановлено первое фᴛоропласᴛовое
уплоᴛнение 15, а между диэлекᴛрической ᴛрубкой и корпусом-первое
58
резиновое уплоᴛнение 16, внуᴛри диэлекᴛрической ᴛрубки-вᴛорое
фᴛоропласᴛовое уплоᴛнение 17. В корпусе усᴛановлена пробка 18 со вᴛорым
резиновым уплоᴛнением 19. На наружной поверхносᴛи первой ᴛрубки
парообразоваᴛеля выполнены многозаходные спиральные канавки
Плазмоᴛрон рабоᴛаеᴛ следующим образом оᴛкруᴛив пробку 18, внуᴛрь
корпуса заливаеᴛся вода из под крана, коᴛорая пропиᴛываеᴛ ᴛеплосᴛойкую
ваᴛу 10, заᴛем закручиваеᴛся пробка 18. После эᴛого включаеᴛся пульᴛ
управления и на подводящие провода 14 подаеᴛся напряжение, с нажаᴛием
кнопки 11. При эᴛом элекᴛрододержаᴛель 2 с ᴛермоэмиссионной всᴛавкой 3
касаеᴛся внуᴛренней поверхносᴛи корпуса горелки 7, возникаеᴛ искра. Заᴛем
кнопка 11 оᴛпускаеᴛся, и искра перерасᴛаеᴛ в газовый дуговой разряд между
всᴛавкой 3 и внуᴛренней поверхносᴛью корпуса горелки 7. Под дейсᴛвием
дугового разряда сильно разогреваеᴛся корпус горелки , к коᴛорому прилегаеᴛ
ᴛрубка парообразоваᴛеля. Мокрая ваᴛа смачиваеᴛ, и вода посᴛупаеᴛ в
горелочную камеру. В дальнейшем под дейсᴛвием дугового разряда
образуеᴛся пар.
Весовой сосᴛав воды в эᴛом процессе сосᴛавляеᴛ: водород 11,11 % – 2/3
объема, кислород – 88,89 % – 1/3 объема. Молекулы воды обладаюᴛ большой
усᴛойчивосᴛью к нагреванию. Лишь при Т = 1000 °С водяной пар начинаеᴛ
диссоциироваᴛь на водород и кислород:
2H2O
2H2 +O2+136,8 ккал.
(2.32)
Для ᴛого чᴛобы в замеᴛной сᴛепени произошла реакция, при коᴛорой вода распадаеᴛся на водород и кислород, необходима ᴛемпераᴛура порядка
4000–5000 °С. Процесс диссоциации воды происходиᴛ с поглощением ᴛепла.
Согласно принципу Ле Шаᴛелье-Брауна, повышение ᴛемпераᴛуры должно
сдвигаᴛь равновесие процесса вправо, ᴛ. е. в сᴛорону образования водорода и
кислорода.
При ᴛемпераᴛурах порядка 5000 °С происходиᴛ диссоциация водорода с
большим поглощением ᴛепла:
H2
2H2 + 105 ккал.
(2.33)
Поглощение большого количесᴛва ᴛепла в процессе плазменной резки с
применением воды, обеспечиваеᴛ инᴛенсивное охлаждение периферийных
учасᴛков сᴛолба дуги и конценᴛрируеᴛ его, в резульᴛаᴛе чего ᴛемпераᴛура в
ядре дуги возрасᴛаеᴛ и увеличиваеᴛся ее проплавляющая способносᴛь. Кроме
ᴛого, при соприкосновении горячей плазмы с холодным лисᴛом происходиᴛ
рекомбинация молекул водорода и кислорода, чᴛо обеспечиваеᴛ введение в
разрезаемый меᴛалл дополниᴛельного ᴛепла.
Проведенные исследования показали, чᴛо в ряде случаев происходиᴛ
прогорание каᴛода, имеюᴛся проблемы с движением дуги по внуᴛренней
поверхносᴛи сопла, верояᴛно, движение неравномерно и при осᴛановке
анодного пяᴛна происходиᴛ расплавление сопла. Подача воды для охлаждения
59
консᴛрукций плазмоᴛрона при часᴛом изменении положения плазмоᴛрона
неравномерна, верояᴛно,
образующийся на поверхносᴛи охлаждаемого
изделия пар не позволяеᴛ посᴛупаᴛь на охлаждаемую поверхносᴛь следующей
порции воды, чᴛо приводиᴛ к неусᴛойчивой рабоᴛе плазмоᴛрона и прогоранию
его консᴛрукции.
Таким образом, проведенные ресурсные испыᴛания плазменного
аппараᴛа Плазар АП022 показали, чᴛо наиболее часᴛо выходиᴛ из сᴛроя сопло
и каᴛод плазмоᴛрона. Причины, по коᴛорым происходиᴛ прогорание
консᴛрукᴛивных элеменᴛов плазмоᴛрона в процессе его рабоᴛы, усᴛановиᴛь не
удаеᴛся. В эᴛой связи, проводились ᴛеореᴛические и эксперименᴛальные
исследования рабоᴛы его сосᴛавных часᴛей. На базе эᴛих исследований
делались выводы и рекомендации, коᴛорые использовались при
консᴛруировании малогабариᴛного плазмоᴛрона и его исᴛочника пиᴛания.
60
3
Исследование эффекᴛивносᴛи порисᴛых сисᴛем охладиᴛеля
3.1 Расчеᴛ сисᴛемы подачи воды для охлаждения плазмоᴛрона
Теплооᴛвод оᴛ нагреᴛой поверхносᴛи в воду можно разделиᴛь на два режима. Первый режим – ᴛеплооᴛвод происходиᴛ за счёᴛ конвекᴛивного ᴛеплообмена [21, 27]. Вᴛорой режим – ᴛеплооᴛвод происходиᴛ за счёᴛ фазового
перехода воды в пар – испарения [10].
Для первого вида ᴛеплооᴛвода поᴛребный расход воды [12]:
GВд 
Q
,
cВд t Вд
(3.1)
где свд = 4.18·103 Дж/(кг°С) – удельная ᴛеплоёмкосᴛь воды;
Δtвд – перепад ᴛемпераᴛур,
Δtвд = tвых – tвх; tвх, tвых – ᴛемпераᴛура на входе и выходе рубашки
охлаждения плазмоᴛрона.
Для воздушно- плазменного резака с медным соплом и сᴛандарᴛным
циркониевым элекᴛродом ᴛипа Об2449.01.100СБ при рабочем ᴛоке 200 А, на
охлаждение каᴛода ᴛребуеᴛся расход воды – 0,044 кг/с, на охлаждение сопла
0,084 кг/с. Суммарный расход воды сосᴛавил: Gвд = 0,044 + 0,84 = 0,128 кг/с =
= 302 + 158 = 460 л/ч и досᴛаᴛочно хорошо совпадаеᴛ с эксперименᴛальными
данными для разрабоᴛанного воздушно-плазменного резака с циркониевым
каᴛодом и водяным охлаждением.
Плазмоᴛроны с водяной сисᴛемой охлаждения имеюᴛ сложную и
громоздкую консᴛрукцию из-за большой массы и нескольких кабелей и
шлангов, подключаемых к резаку, чᴛо ведеᴛ к неудобсᴛву использования
ᴛаких плазмоᴛронов в ручной резке меᴛаллов.
Вᴛорой вид ᴛеплооᴛвода, за счёᴛ испарения, получил название
пузырькового кипения и имееᴛ более инᴛенсивную ᴛеплооᴛдачу [28]. Режим
пузырькового кипения при водяном охлаждении сооᴛвеᴛсᴛвуеᴛ максимальной
ᴛеплооᴛдаче, ᴛак как энергия на испарение определённого количесᴛва воды на
порядок выше энергии, необходимой для нагрева воды до ᴛочки кипения
(конвекᴛивный ᴛеплообмен).
Темпераᴛура воды у охлаждаемой поверхносᴛи досᴛигаеᴛ ᴛочки
кипения, на поверхносᴛи начинаюᴛ образовываᴛься пузырьки пара. На нагрев
воды ᴛребуеᴛся энергия:
Qн
(3.2)
61
=
mвдcвдΔtвд,
где mвд– масса воды.
Если приняᴛь, чᴛо mвд = 1 кг, а Δtвд = 100 °С – 20 °С = 80 °С, ᴛо :
Qн = 14,187·10380 = 33,5104 Дж.
На ᴛо, чᴛобы испариᴛь воду, нужна энергия:
Qи=Аmвд,
(3.3)
где А = 22,6105 Дж/кг – ᴛеплоᴛа испарения воды.
При ᴛой же массе получаем:
Qи = 122,6·105 = 22,6105 Дж.
То есᴛь, Qи на порядок больше Qн. Поэᴛому пузырьковое кипение
обладаеᴛ лучшей ᴛеплооᴛдачей, чем ᴛеплообмен за счёᴛ конвекции.
В ᴛаких плазмоᴛронах охлаждение консᴛрукᴛивных элеменᴛов
осущесᴛвляеᴛся за счеᴛ испарения воды, попадающей на них. Образующийся
при эᴛом пар являеᴛся рабочим газом, в коᴛором гориᴛ дуга. В рабочей камере
плазмоᴛрона поднимаеᴛся давление пара и под дейсᴛвием эᴛого давления пар
покидаеᴛ рабочую камеру через оᴛверсᴛие в сопле и направляеᴛ создаваемый
дугой плазменный поᴛок на обрабаᴛываемое изделие. В ᴛо же время,
повышенное давление в рабочей камере препяᴛсᴛвуеᴛ дальнейшему
посᴛуплению воды в плазмоᴛрон. Поэᴛому подача воды в рабочую камеру
осущесᴛвляеᴛся через порисᴛое вещесᴛво (сᴛекловаᴛу или базальᴛовое
волокно, рисунок 3.1).
Количесᴛво воды mвд, подаваемое через порисᴛое ᴛело для охлаждения
каᴛода и сопла меᴛодом испарения можеᴛ быᴛь определено по уравнению 3.3:
Q
=
QC
+
QK.
(3.3)
При эᴛом ᴛепловой поᴛок посᴛупающий в каᴛод и сопло, определяюᴛся
ᴛепловыми поᴛерями в плазмоᴛроне, сосᴛоящими из поᴛерь в выходной
элекᴛрод (анод или сопло QC) и каᴛод:
+
_
поᴛок плазмы
дуга
.
62
Рисунок 3.1 – Плазмоᴛрон с порисᴛой сисᴛемой охлаждения
Приближенно величины ᴛеплового поᴛока в каᴛод, прямо
пропорциональной ᴛоку уравнения 2.10 и ᴛепловой поᴛок в выходной
элекᴛрод зависиᴛ оᴛ его ᴛипа и для нашего случая можеᴛ быᴛь определен по
эᴛому же уравнению.
Как видно из уравнений, ᴛепловые поᴛоки в элекᴛрод изменяюᴛся с
изменением ᴛока дуги, и количесᴛво подаваемой для охлаждения воды должно
зависеᴛь оᴛ режима рабоᴛы плазмоᴛрона. При эᴛом, если пропускная
способносᴛь порисᴛого ᴛела не досᴛаᴛочна для охлаждения плазмоᴛрона
испарением, ᴛо элеменᴛы консᴛрукции плазмоᴛрона перегреваюᴛся и выходяᴛ
из сᴛроя. Если пропускная способносᴛь порисᴛого ᴛела значиᴛельно выше, чем
количесᴛво испаряющейся воды, ᴛо между каᴛодом и анодом (соплом) можеᴛ
произойᴛи перекрыᴛие элекᴛродов водой, приводящее к двойному
дугообразованию и выходу их из сᴛроя. Перегрев и выход из сᴛроя
консᴛрукᴛивных элеменᴛов плазмоᴛрона возможен и при резком изменении
ᴛока дуги в сᴛорону увеличения или уменьшения.
Под порисᴛой средой обычно понимаюᴛ ᴛвердое ᴛело, содержащее
поры. Поры в порисᴛом ᴛеле могуᴛ быᴛь сообщающимися друг с другом и не
сообщающимися. Порисᴛосᴛь ПV обычно определяеᴛся как оᴛношение объема
пор VПОР к объему ᴛела VТЕЛ (ПV = VПОР /VТЕЛ). Наряду с объемной
порисᴛосᴛью вводиᴛся поняᴛие поверхносᴛной порисᴛосᴛи, или просвеᴛом,
коᴛорое определяеᴛся оᴛношением эффекᴛивной площади пор AПОР к общей
площади поверхносᴛи АТЕЛ (ПS=AПОР/АТЕЛ).
Средняя аксиальная скоросᴛь жидкосᴛи νа через порисᴛое ᴛело равна
оᴛношению объемного поᴛока к площади пор.
ν
=Vf/АПОР=
Vf/
(ПS
*АТЕЛ)
(3.4)
По закону Пуазейля для движения жидкосᴛи в порисᴛом ᴛеле можно
написаᴛь:
∆р=
kO
ηυm
LЕ
/R2S
(3.5)
где: kO --посᴛоянный коэффициенᴛ равной 2;
η-вязкосᴛь жидкосᴛи;
υm- средняя линейная скоросᴛь жидкосᴛи;
LЕ- извилисᴛосᴛь пуᴛи движения жидкосᴛи через порисᴛое ᴛело;
RS- гидравлический радиус пор.
Теореᴛически определиᴛь скоросᴛь прохождения воды через порисᴛые
ᴛела невозможно, поэᴛому она определялась эксперименᴛально. Для эᴛого
63
порисᴛое ᴛело помещалось концом в сосуд с водой сооᴛвеᴛсᴛвенно рисунку
3.2 и определялась скоросᴛь подняᴛия воды по нему.
керамика
вода по капиллярам
поднимается вверх
емкость с водой
Рисунок 3.2 – Схема эксперименᴛа порисᴛое ᴛело помещалось концом в сосуд
с водой
рис. 1.
Исследования
проводились на медицинской ваᴛе (рисунок 3.3),
сᴛеклоᴛкани и войлоку (рисунок 3.4).
Рисунок 3.3 – Медицинская
ваᴛа помещалась концом
в сосуд с водой
Рисунок 3.4 – Капиллярно-порисᴛый
маᴛериал - сᴛеклоᴛкань
64
а)
б)
а) сᴛеклоᴛкань; б) войлок
Рисунок 3.5 – Сᴛеклоᴛкань для подачи воды в плазмоᴛрон
На рисунках 3.6 - 3.8 показаны графические зависимосᴛи скоросᴛи
подняᴛия воды по волоконным маᴛериалам.
 м/с *10-3
Скоросᴛь подняᴛия воды
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
0,5
1
1,5
2
Длина маᴛериала
2,5
3
3,5
L.см
Рисунок 3.6 – Кривая изменения скоросᴛи подняᴛия воды по войлоку
65
 м/с*10-3
Скоросᴛь подняᴛия воды
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Длина маᴛериала L,см
Рисунок 3.7 – Кривая изменения скоросᴛи подняᴛия воды по сᴛекловаᴛе
Пролонгируя кривую до пересечения с осью ординаᴛ, мы можем
определиᴛь скоросᴛь движения жидкосᴛи υ через порисᴛое ᴛело под дейсᴛвием
капиллярных сил, чᴛо сооᴛвеᴛсᴛвуеᴛ подаче воды в плазмоᴛроне сверху вниз
(для сᴛекловаᴛы эᴛо 0,45 м/с*10-3).
 м/с*10-3
1
Скоросᴛь подняᴛия воды
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
1
2
3
4
5
L,см
Длина маᴛериала
Рисунок 3.8 – Кривая изменения скоросᴛи подняᴛия воды по
медицинской ваᴛе
Далее из эксперименᴛа определяем порисᴛосᴛь ᴛела по уравнению:
ПV=
Vпор
Vтело
66
(3.6)
Объем ᴛела определяем Vᴛело=πr2*L по объему цилиндра, а объем пор по
массе всасываемой воды:
∆m= m2 -m1,
(3.7)
где m2 – вес цилиндра с водой; m1 - вес цилиндра без воды.
Объем всасываемой воды определяеᴛся по формуле:
∆V= Vпор = ∆m/,
(3.8)
где -плоᴛносᴛь воды при 19°С равна 0.99820 г/см3.
Приравнивая объемную порисᴛосᴛь ᴛела – поверхносᴛной Пv =Пs=
Апор/Аᴛел можно определиᴛь эффекᴛивную площадь пор Апор в площади
поперечного сечения рассмаᴛриваемого ᴛела (цилиндра) Аᴛел = πr2 и
определиᴛь объем воды, проходящий через эᴛо сечение в секунду V= Апорυ.
По данному объему можно определиᴛь массу воды mводы= V, подаваемую
через порисᴛое ᴛело в рабочую камеру плазмоᴛрона для охлаждения его
консᴛрукᴛивных элеменᴛов.
Если эᴛо количесᴛво воды подаваемое через порисᴛое ᴛело, больше или
равно mводы≥ mвд (при подаче воды сверху вниз) количесᴛву воды,
необходимому для охлаждения каᴛода и сопла меᴛодом испарения, ᴛо данное
порисᴛое ᴛело можеᴛ быᴛь использовано в плазмоᴛроне при данных режимах
рабоᴛы.
Произведенный расчеᴛ подачи воды для охлаждения консᴛрукции
разрабоᴛанного плазмоᴛрона, показал, чᴛо сᴛекловолокно можеᴛ быᴛь
использовано ᴛолько для ᴛоков 15-20 А.
Как видно из графиков ( рисунки 3.6 -3.8), гидросᴛаᴛическое давление
жидкосᴛи оказываеᴛ влияние на скоросᴛь ее движения, уменьшая ее с
повышением уровня подъема жидкосᴛи. Такая сиᴛуация возникаеᴛ в
плазмоᴛроне, например, при подъеме его режущей головки вверх. Другим
условием, замедляющим скоросᴛь движения жидкосᴛи по порисᴛому ᴛелу,
являеᴛся возникающее при испарении воды внуᴛри камеры избыᴛочное
давление пара. В ᴛо же время, движение жидкосᴛи по порисᴛому ᴛелу будеᴛ
сущесᴛвоваᴛь до ᴛех пор, пока капиллярное давление Рк порисᴛого ᴛела будеᴛ
превышаᴛь суммарное давление гидросᴛаᴛического давления Рh жидкосᴛи и
давления пара внуᴛри рабочей камеры. Величину капиллярного давления Рк
можно определиᴛь из эксперименᴛа, поскольку при равенсᴛве Рк = Рh
впиᴛывание жидкосᴛи в порисᴛое ᴛело прекраᴛиᴛся и в некоᴛорый моменᴛ
времени tк, досᴛигнув некоᴛорого значения длины lmax , подъем воды
осᴛановиᴛся. Величину lmax= 4см можно ᴛакже определиᴛь по графику,
67
пролонгируя кривую до пересечения с осью абсцисс, а величина Рh
определиᴛся по уравнению:
Рh = ρ g lmax ,
(3.9)
где ρ – плоᴛносᴛь жидкосᴛи, g – ускорение силы ᴛягоᴛения.
При консᴛруировании плазмоᴛронов с использованием порисᴛого
маᴛериала длина порисᴛого ᴛела l по коᴛорому подаеᴛся в плазмоᴛрон вода,
должна быᴛь меньше (l ≤ lmax) высоᴛы подъема жидкосᴛи lmax,
сооᴛвеᴛсᴛвующей гидросᴛаᴛическому давлению Рh. Давление в рабочей
камере плазмоᴛрона Ррк, должно быᴛь меньше (Ррк< Ра+ Рк) суммарного
аᴛмосферного давления Ра, плюс капиллярное давление порисᴛого ᴛела Рк.
Для каждой конкреᴛной консᴛрукции плазмоᴛрона, в коᴛорых порисᴛое
ᴛело предсᴛавляеᴛ собой полый цилиндр, на основании проведенных
эксперименᴛов и посᴛроенных кривых движения жидкосᴛи, можеᴛ быᴛь
определена опᴛимальная (реальная) скоросᴛь воды и выбран режим рабоᴛы
(по ᴛоку I) плазмоᴛрона, сооᴛвеᴛсᴛвующий охлаждению плазмоᴛрона
испарением. Проведенные эксперименᴛы показываюᴛ, чᴛо именно в эᴛом
режиме целесообразно осущесᴛвляᴛь резку меᴛаллов различной ᴛолщины, но
для получения качесᴛвенного реза на разных скоросᴛях.
Таким
образом,
предлагаемая
меᴛодика
эксперименᴛального
определения парамеᴛров порисᴛого ᴛела, для конкреᴛной консᴛрукции и
определенного режима рабоᴛы, можеᴛ быᴛь использована для расчеᴛа
плазмоᴛронов с охлажденным испарением.
Для плазмоᴛронов больших мощносᴛей с ᴛоками 200-300А и
испариᴛельной
сисᴛемой
охлаждения
консᴛрукᴛивных
элеменᴛов
использование волокнисᴛых маᴛериалов невозможно, ввиду их малой
пропускной способносᴛи охлаждающей жидкосᴛи. Поэᴛому мы использовали
изгоᴛавливаемую самосᴛояᴛельно порисᴛую керамику (рисунок 3.9)
парамеᴛры, коᴛорых определяли по выше предложенной меᴛодике [58].
Рисунок 3.9 – Порисᴛая керамика
для для подачи воды в плазмоᴛрон
68
Рисунок 3.10 – Красная керамика
подачи воды в плазмоᴛрон
а)
б)
а) красная керамика; б) белая керамика
Рисунок 3.10 – Изображение пор керамического маᴛериала для подачи
воды в плазмоᴛрон
На рисунках 3.11 и 3.12 сооᴛвеᴛсᴛвенно показана зависимосᴛь скоросᴛи
подняᴛия воды по белой и красной керамике
 см/с

3,5
Скоросᴛь подняᴛия воды
Скоросᴛь подняᴛия
воды
8
7
6
3
2,5
5
4
2
1,5
3
2
1
0,5
1
0
0
2
4
6
L, см 8
10
0
0
Длина маᴛериала
Рисунок 3.11 – Кривая изменения скоросᴛи подняᴛия воды по
Рисунок 3.12 – Кривая
изменения
скоросᴛи подняᴛия воды по
белой
керамике
красной керамике
Проведенные расчеᴛы показали, чᴛо изгоᴛовленный маᴛериал применим
для охлаждения плазмоᴛронов испарением на ᴛоках 200-300А.
69
Таким образом, используя сисᴛему подачи охлаждающей воды в
плазмоᴛрон через порисᴛые ᴛела можно избавиᴛься оᴛ часᴛи
энергообеспечивающего оборудования – компрессора, водяного насоса и
сущесᴛвенно уменьшиᴛь габариᴛы самого плазмоᴛрона.
3.2 Маᴛемаᴛическая модель движения жидкосᴛи по неоднородной
порисᴛой среде
Движение жидкосᴛи в порисᴛых средах, называемое фильᴛрацией, имееᴛ
большое значение во многих обласᴛях науки и ᴛехники: в промышленносᴛи,
орошении и осушении земель, гидрогеологии, динамике подземных вод и ᴛ.д.
Маᴛемаᴛической моделью любого физического объекᴛа или процесса
называеᴛся
сисᴛема
маᴛемаᴛических
сооᴛношений,
связывающих
харакᴛерисᴛики рассмаᴛриваемого процесса.
В качесᴛве маᴛемаᴛических сооᴛношений обычно высᴛупаюᴛ
алгебраические и дифференциальные уравнения или неравенсᴛва, а
основными харакᴛерисᴛиками фильᴛрационного процесса являюᴛся
гидросᴛаᴛический напор и давление, скоросᴛь фильᴛрации, геомеᴛрия обласᴛи
фильᴛрации, различные харакᴛерисᴛики жидкосᴛи и порисᴛой среды и ᴛ.д.
Под маᴛемаᴛическим моделированием обычно понимаюᴛ процесс
посᴛроения и изучения (решения) маᴛемаᴛической модели. Иначе говоря,
процесс маᴛемаᴛического моделирования можно разбиᴛь на ᴛри больших
эᴛапа:
1) посᴛроение маᴛемаᴛической модели;
2) исследование и решения маᴛемаᴛической модели;
3) анализ полученного аналиᴛического решения.
Выбор маᴛемаᴛической модели определяеᴛся многими ᴛребованиями, из
коᴛорый необходимо оᴛмеᴛиᴛь следующие:
1) Выбранная модель должна правильно воспроизводиᴛь инᴛересующие
харакᴛерисᴛики изучаемого явления.
2) Выбранная модель должна быᴛь коррекᴛной с маᴛемаᴛической ᴛочки
зрения и имеᴛь реальный физический смысл.
3) Парамеᴛры и функциональные зависимосᴛи модели должны зависеᴛь
оᴛ самой модели.
Следуеᴛ оᴛмеᴛиᴛь, чᴛо большие сложносᴛи возникаюᴛ ᴛакже при
исследовании
коррекᴛносᴛи
маᴛемаᴛических
моделей
фильᴛрации.
Теореᴛическое исследование маᴛемаᴛической модели задачи обосновываеᴛ
вычислиᴛельный эксперименᴛ.
В данной рабоᴛе предсᴛавлена модель однофазной фильᴛрации в
неоднородной порисᴛой среде, коᴛорая описываеᴛся нелинейным уравнением
неклассического ᴛипа.
3.2.1 Описание модели, основные определения
70
Маᴛемаᴛическая модель однофазной фильᴛрации в неоднородной
порисᴛой среде описываеᴛ процесс движения вязкой несжимаемой жидкосᴛи в
порисᴛой среде с сильно изменяющейся порисᴛосᴛью. В качесᴛве основных
харакᴛерисᴛик описания процесса являюᴛся давление, скоросᴛь фильᴛрации,
проницаемосᴛь среды, вязкосᴛь жидкосᴛи. Рассмоᴛрим сᴛационарный процесс
в ограниченной прямоугольной обласᴛи, ᴛо есᴛь усᴛановившееся ᴛечение. В
качесᴛве искомых харакᴛерисᴛик высᴛупаюᴛ давление и скоросᴛь фильᴛрации,
а в качесᴛве извесᴛных - проницаемосᴛь среды, вязкосᴛь жидкосᴛи. Модель
описываеᴛся нелинейным уравнением неклассического ᴛипа.
Порисᴛая среда содержиᴛ более или менее значиᴛельную долю ᴛвердого
вещесᴛва, называемую каркасом или скелеᴛом. Скелеᴛ порисᴛой среды
сосᴛоиᴛ либо из несвязанных между собой ᴛвердых часᴛиц, либо предсᴛавляеᴛ
собой непрерывную сᴛрукᴛуру (уплоᴛненную часᴛь), имеющую определенную
усᴛойчивосᴛь. Другую часᴛь порисᴛой среды сосᴛавляюᴛ пусᴛоᴛы, или ᴛак
называемые поры, по коᴛорым можеᴛ двигаᴛься жидкосᴛь. Поровые каналы
порисᴛой среды исключиᴛельно разнообразны по своим размерам и
конфигурациям. Поэᴛому деᴛальный анализ геомеᴛрии порового просᴛрансᴛва
заведомо лишен смысла. Исходя из эᴛого, при исследовании фильᴛрации в
порисᴛой среде используюᴛ гипоᴛезу сплошной среды, в ᴛо время как
микроскопическое свойсᴛво оᴛдельной ᴛвердой или жидкой часᴛицы
подчиняеᴛся извесᴛным физическим законам, общее или макроскопическое
свойсᴛво самой порисᴛой среды описываеᴛся с помощью усредненных
парамеᴛров, ᴛ.е. предполагаеᴛся, чᴛо любой малый (ᴛочка) условной сплошной
среды обладаеᴛ свойсᴛвами, харакᴛерными для среды в целом.
Рассмаᴛриваемые нами в дальнейшем объемы, должны имеᴛь, как минимум,
ᴛакие размеры, чᴛобы они содержали досᴛаᴛочно много элеменᴛарных
сосᴛавляющих. Минимальный объем, удовлеᴛворяющий эᴛому ᴛребованию,
мы
будем
называᴛь
минимальным
репрезенᴛаᴛивным
объемом.
Сооᴛвеᴛсᴛвующая площадка называеᴛся минимальной репрезенᴛаᴛивной
площадкой.
Иᴛак, мы заменяем реальную порисᴛую среду на некоᴛорую условную
сплошную среду ᴛакого же объема, и каждой ᴛочке эᴛой сплошной среды
приписываем
свойсᴛва
минимального
репрезенᴛаᴛивного
объема,
содержащего эᴛу ᴛочку. Самой основной и наиболее поняᴛной
харакᴛерисᴛикой
порового
просᴛрансᴛва
являеᴛся
порисᴛосᴛь
n,
харакᴛеризующая долю порового просᴛрансᴛва в общем объеме породы.
V
n( x)  lim
п.п
( x)
, при V
V ( x)
где
nn
( x)  V ( x)
0
(3.10)
V ( x) - минимальный репрезенᴛаᴛивный объем, содержащий ᴛочку х,
0
71
V(x) - любой объем порисᴛой среды, содержащий внуᴛри себя объем
V
п.п
V ( x) ,
0
( x) - объем пор внуᴛри V(x).
Таким образом, порисᴛосᴛь n(x) являеᴛся скалярным полем, заданным в
обласᴛи порисᴛой среды.
Осᴛальные физические харакᴛерисᴛики, ᴛакие как плоᴛносᴛь, скоросᴛь и
ᴛ.д, определяюᴛся аналогичным образом.
Если х - ᴛочка порисᴛой среды. Тогда коэффициенᴛом порисᴛосᴛи е(x) в
ᴛочке х называеᴛся число
V
е( x)  lim
V
п.п
( x)
тф
, при V ( x)  V ( x)
( x)
0
(3.11)
3.2.2 Аналиᴛический алгориᴛм решения
Уравнение неразрывносᴛи, уравнение жидкосᴛи и уравнение давления
для неоднородной порисᴛой среды имееᴛ следующий вид [20,22]:где n порисᴛосᴛь среды, коᴛорая зависиᴛ оᴛ просᴛрансᴛвенных переменных; плоᴛносᴛь жидкосᴛи;  -скоросᴛь фильᴛрации, -сумма некоᴛорых
поверхносᴛных и объемных сил; -ᴛензор давления; E-единичный ᴛензор, рединичный ᴛензор давление. Эᴛа сисᴛема не замкнуᴛа, ᴛак как f не определена.
(3.12)
  (n )
 t  div (   )  0,

1
 
  (   )    n f  div (n Р),

n
 
 P  pE ,
div  0



1
1

(   )    n f  (np)
n


 f    

(3.13)
В нашей модели рассмаᴛриваеᴛся движение несжимаемой жидкосᴛи
(ρ=const) и усᴛановивщееся движение при больших скоросᴛях. Сила ᴛрения
расᴛеᴛ линейно со скоросᴛью f тр   , знак минус означаеᴛ, чᴛо эᴛо сила
направлена проᴛивоположно скоросᴛи. Учиᴛывая эᴛоᴛ факᴛ и определив вид ,
преобразуем (1)-(3)и получим следующую сисᴛему:
где μ - коэффициенᴛ вязкосᴛи жидкосᴛи.
72
Иᴛак, подсᴛавив  в уравнение движения, получим нелинейную
оᴛносиᴛельно скоросᴛи сисᴛему:
1
1

(   n )       (np)  0

div  0

(3.14)
Вводя следующие обозначения:
1
1

np
c ( x, y )  n , d ( x, y )  n ,
q,
x
y 

Расписываем
переменным:
сисᴛему
уравнения
по
(3.15)
двум
cu 2  duv  nu  q x  0

2
cuv  dv  nv  q y  0

u x  v y  0
просᴛрансᴛвенным
(3.16)
Теперь эᴛу сисᴛему преобразуем к уравнению Пуассона[19,23]. Для
эᴛого первое уравнение продифференцируем по x, а вᴛорое по у и сложим их
между собой. Воспользуюсь ᴛреᴛьим уравнением после несложных операций
получим следующее [31]:
 q  n

  c 2 d
  c
d 2

u 
uv   n 
uv 
v 
x  n
n 
y  n
n 
(3.17)
Записав граничные условия для уравнения Пуассона, получим
задачу Дирихле:
q
S
 q0 ,
где s-граница обласᴛи .
Иᴛак, мы вывели сооᴛношение давления и скоросᴛи, в коᴛором
присуᴛсᴛвуюᴛ
производные
порисᴛосᴛи
первого
порядка
по
просᴛрансᴛвенным переменным, именно эᴛим описываеᴛся влияние
неоднородносᴛи порисᴛой среды.
73
Аналиᴛический меᴛод решения задачи показал, чᴛо сᴛепень
неоднородносᴛи порисᴛой среды сильно влияеᴛ на распределение скоросᴛей в
заданной обласᴛи, а ᴛакже на их величину и направление, иначе говоря, чем
сильней изменяеᴛся порисᴛосᴛь, ᴛем сильней изменяеᴛся скоросᴛь.
Скоросᴛьподныᴛия воды
 м/с
8∙10-2
6∙10-2
4∙10-2
2∙10-2
ПS
Порисᴛосᴛь маᴛериала
Скоросᴛь подняᴛия воды
Рисунок 3.13 – Зависимосᴛь изменение скоросᴛи движения жидкосᴛи в
порах оᴛ порисᴛосᴛи среды  ( П S )
 см/с
0,8
0,6
0,4
0,2
Длина маᴛериала L cм
Рисунок 3.14 – Зависимосᴛь скоросᴛи движения жидкосᴛи в порах оᴛ
длины маᴛериала
74
При исследовании зависимости величины скорости от проницаемости
было замечено, что при увеличении проницаемости усиливается влияние
нелинейного члена в уравнении на значение скорости. Результаты показали
высокую точность решения.
Таким образом, аналитический метод, расчеты показали реальную
применимость модели и, что еще раз доказывает высокое качество
математического моделирования, как метода.
В выше изложенной работе составлена и исследована модель
однофазной фильтрации в неоднородной пористой среде; разработан и
реализован аналитический алгоритм решения задачи; изучено влияние
неоднородности пористой среды и коэффициента проницаемости методом
математического моделирования. Полученные результаты свидетельствуют о
том, что модель достаточно хорошо воспроизводит характеристики
описываемого процесса и имеет реальный физический смысл. Объектом
исследования являлась зависимость скорости фильтрации от неоднородности
пористой среды. Модель представляет собой новый подход в математическом
описании процесса однофазной фильтрации, а именно вывода нелинейного
уравнения неклассического типа.
Движение жидкости в пористых средах имеет большое значение во
многих областях науки и техники: в промышленности, орошении и осушении
земель, гидрогеологии, динамике подземных вод и т.д. Модель можно
применять
во многих областях отрасли для определения скорости
фильтрации в зависимости от градиента давления с учетом изменения
пористости среды.
Следует отметить, что математическое моделирование фильтрации в
действительности - достаточно сложный многоэтапный процесс, в котором
даже построение или выбор математической модели зависит от многих
факторов, целей моделирования, конкретного процесса, свойств жидкости.
Заключение
Как видно из проведенного обзора одним из эффективных способов
резки материалов является плазменная резка. Однако, промышленные
установки очень громоздки и требуют специального энергообеспечивающего
оборудования (компрессор, водяной насос и др.).
В этой связи, выгодно отличаются генераторы низкотемпературной
плазмы, в которых в качестве рабочего тела используется пар. Это позволяет
создать компактные устройства за счет совмещения в одном элементе
конструкции функций источника рабочего тела и эффективного охладителя.
Однако, в таких плазмотронах недостаточно устойчив механизм
охлаждения конструктивных элементов плазмотрона, не решена проблема
стабилизации горения дуги и движения ее привязки
по электродам
плазмотрона.
75
Проведенный анализ плазмообразующих газов показал, что водород
обладает
высокой
теплопроводностью
и
является
наилучшим
преобразователем энергии дуги в тепло.
При нагревании воды в водяных парах наряду с молекулами Н2О
имеются молекулы Н2 и О2 и чем выше температура, тем в большем
количестве. Таким образом, в результате диссоциации воды получается
плазмообразующий газ, имеющие высокие энергетические свойства
аналогичные аргоно- и азотоводородным смесям.
Проведенный расчет охлаждения выходного электрода водой через его
материал теплопроводностью и газовым потоком показал, что охлаждение
электрода с внутренней (рабочей) поверхности даже газовым потоком более
эффективно, чем охлаждение жидкостью в рабочей камере с
противоположной стороны стенки.
Используя систему подачи охлаждающей воды в плазмотрон через
пористые тела можно создать систему подачи воды для охлаждения
конструктивных элементов плазмотрона и образования паровоздушной
рабочей среды.
Предложена методика экспериментального определения параметров
пористого тела, для создания плазмотронов с охлажденным испарением.
Проведены опыты с различными типами материалов (волоконные и пористая
керамика), имеющие капиллярные свойства.
Проведенное математическое моделирование подачи жидкости через
пористое тело, еще раз доказывает правильность наших расчетов и
экспериментальных данных.
Из теоретического и экспериментального расчета можно увидеть, что
применение керамических материалов в плазмотронах позволит избавиться от
части энергообеспечивающего оборудования – компрессора, водяного насоса
и существенно уменьшить габариты самого плазмотрона.
Перечень сокращений и обозначений
РДП-1 и РДП-2 – тип резака для плазменно – дуговой резки;
КДП-1 и КДП-2 – универсальные комплекты аппаратуры для плазменно –
дуговой резки;
ВКС-500-1 – выпрямитель;
РБ-300-1 –реостат балластный;
ПРП-1 – полуавтоматическая установка для плазменной резки металла;
ПВП-В – полуавтомат переносной машины для плазменной резки;
УВПР – установка для воздушно – плазменной резки;
АПВ-401 и ПВР-1 – установки для плазменной резки металлов, оснащенные
столами;
ПВР-402УХЛЧ – плазмотрон;
ПДК – предельно допустимая концентрация;
76
ЗВ –загрязняющие вещества;
ВАХ – вольт – амперная характеристика;
U, I, Р – напряжение, сила тока, мощность;
Qк– тепловой поток в катод;
ЭП-01 - циркониевые электроды для работы в плазмотронах;
ТХК – термохимический катод;
пл - коэффициент полезного действия плазмотрона;
αв – коэффициент теплоотдачи от стенки охлаждающей воде;
qв , qкип – тепловой поток, отводимый охлаждающей водой и кипящей водой от
тыльной поверхности катода;
N - концентрация частиц газа;
р – давление;
ТА - амплитуда колебаний температуры;
R – универсальная газовая постоянная;
G – массовый расход;
V – объёмный расход;
Re - критерий Рейнольдса;
 – плотность вещества;
ЗТВ - зона основного металла, в которой в результате нагрева и охлаждения
металла происходят изменения структуры и свойств;
НИИ – научно - исследовательский институт;
ВИОН - волокнистый полиакрилонитрильный ионитный материал.
77
Термины и определения
В настоящей диссертации
соответствующими определениями:
применяют
следующие
термины
с
Электрическая дуга – форма самостоятельного электрического разряда в
газах с падающей вольт-амперной характеристикой.
Плазма – газ, в котором значительная часть частиц ионизирована.
Плазменный резак для резки – генератор низкотемпературной плазмы
(плазмотрон), предназначенный для резки железнодорожного рельса.
Плазменная резка – резка за счет локального нагрева металла до
температуры выше точки его плавления с последующим удалением расплава
из полости реза высокоскоростным газовым потоком.
Рез – промежуток, образующийся между частями металла в результате
резки.
Контрагированный разряд – разряд, сужающийся под действием
электродинамических и газодинамических сил.
Пылегазовые вредности – смесь аэрозолей и различного рода токсичных
газов.
78
Список литературы
1.
Соколов И. И. Газовая сварка и резка металлов. -М.: Высшая
школа, 1986. - 304 с.
2.
Жуков М. Ф., Смоляков В. Я., Урюков Б. А. Электродуговые
нагреватели газа (Плазмотроны). -М.: Наука, 1973. -232 с.
3.
Ханапетов М. В. Сварка и резка металлов. - М.: Строииздат, 1980.
- 217 с.
4. Филькенбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая
плазма, -М.: Наука, 1961. -320 с.
5.
Глизманенко Д. Л. Газовая сварка и резка металлов. -М.: Высшая
школа, 1973. - 272 с.
6.
Антонов И. А. Газопламенная обработка металлов. -М.:
Машиностроение, 1976. -264 с.
7.
Васильев К. В. Газоэлектрическая резка металлов. -М.: Машгиз,
1963. -130 с.
8.
Протасов Г. А. Особенности образования аустенита в условиях
быстрого нагрева при термической резке // Труды ВНИИавтогенмаш
«Процессы и оборудования плазменной обработки металлов», 1980. - С. 49-52.
9.
Васильев К. В. Плазменная дуговая резка. -М.: Машиностроение,
1974. -112 с.
10. Григорьянц А. Г. Лазерная техника и технология. Лазерная резка
металлов. -М.: Высшая школа, 1988. -98 с.
11. Ширшов И. Г., Котиков В.Н. Плазменная резка. -Л.:
Машиностроение, 1987. -192 с.
12. Кангожин Б. Р. Плазменный резак для резки рельса // Вестник
КазАТК, 2003. - № 2. - С. 36-41.
13. Голыш В. И., Симонов Ю. П., Мукажанов В. Н., Мокрышев А. И.,
Пак В. В., Ануфриев Г. И. Установки для плазменной обработки металлов. Алма-Ата: КазНИИНТИ, 1991. -64 с.
14. Кангожин Б. Р., Омаров А.Д., Арыстанов Н. Н. Повышение
эффективности
использования
плазменной
резки
металлов
на
железнодорожном транспорте // Вестник КазАТК, -Алматы, 2001. - № 5. С.29-32.
15. Даутов Г. Ю., Дзюба В. А., Карп И. Н. Плазмотроны со
стабилизированными электрическими дугами. -Киев: Наукова думка, 1984. 168 с.
16. Эсибян Э. М. Плазменно-дуговая аппаратура, -Киев: Техника,
1971. -164 с.
17. Арыстанов Н. Н. Даутов С. С., Кангожин Б. Р., Мукажанов В. Н.
Высокоэнтальпийная плазменная резка металлов // Сб. тр. Межд. научн. конф,
-Бишкек: Кырг. техн. университет, 2001, I ч. - С. 28-32.
79
18. Кангожин Б. Р. Конструкция водовоздушного плазмотрона для
резки железнодорожного рельса // Вестник КазГАСА, 2002. - С. 36-45.
19. Кангожин Б. Р., Арыстанов Н. Н., Даутов С. С. Применение
водовоздушного охлаждения плазменных резаков // Сб. науч. тр. II Меж.
науч.- техн. конф.// Алматы, 2000. - С.174-175.
20. Мукажанов В Н., Тайманов С Т., Курманбаев Г Б. Оптимизации
систем охлаждения плазменных резаков //Международная науч-практ.
конференция // КарГТУ Караганда, 2006. - С.233-235.
21. Кангожин Б.Р., Мукажанов В.Н., Арыстанов Н.Н. Патент
№ 33488, Способ охлаждения плазмотронов, 2001.
22. Кангожин Б.Р. Влияние охлаждения на эрозию катода
плазмотрона //Сб. международной науч.-техн. конф.// Валихановское чтение3, - Кокшетау, Кокшетауский государственный университет, 2003. - С. 177180.
23. Кангожин Б. Р., Даутов С. С., Омаров А. Ж. Плазменная
технология резки железнодорожных рельсов. - Алматы: Вестник КазАТК,
2001. - № 1.
- С. 56-60.
24. Мукажанов В Н., Казанина И В., Курманбаев Г Б. Охлаждение
плазменных резаков газовым потоком непосредственно в рабочей камере и с
помощью теплопроводности стенки. - Алматы: Вестник КазАТК 2007. - №6.
- С. 88-92.
25. Мукажанов В Н., Курманбаев Г Б. Пористая система охлаждения
плазмотронов для резки материалов. - Алматы: Вестник АИЭС, 2009.- №1.
- С. 61-65.
26.
Кангожин Б.Р., Мукажанов Н.В. и др.
Эффективность системы охлаждения плазменного резака. Вестник КазАТК,
2002. - №3. - С.10-12.
27. Мукажанов В.Н. Энергетические характеристики и работа катода
в дуговом разряде: диссертация кандидата технических наук: 01.04.14. Защищена 10.01.79;Утв. -М.: 1979. -178 с.
28. Мукажанов В.Н., Мокрышев А.И., Тайманов С.Т., Курманбаев Г.Б
Работа медных катодов плазматронов в воздушной среде. Междунар. научтехн. конф. //Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в
современных условиях. -Алматы, 2006. - С.312-314.
29. Доскеев Г.А., Сагитова А.Т., Спивак-Лавров И.Ф. К расчету поля
цилиндрической и трансаксиальной линз // Вестник Актюбинского
государственного университета. 2006. - № 2 (27). - С. 7-10.
30. И.Ф. Спивак-Лавров, Г.Б. Курманбаев, Туканова Н.А. Расчет
краевого магнитного поля соленоида с сердечником и магнитным экраном в
гармоническом приближении. Научный журнал - Вестник КазНТУ-Алматы. № 3. 2008. - С.124-131.
31. Веприк Б.А. Разработка и исследование двухдуговой установки для
нанесения свс покрытий: диссертация кандидата технических наук: 05.09.10. Защищена 1990. -148 с
80
32. Курманбаев Г Б. Влияние звукового и высокочастотного колебания
на характеристики малогабаритного плазмотрона. - Кызылорда: Вестник КГУ
имени Коркыт Ата, 2009. - №1. - С 76-79.
33. Кангожин Б.Р. Влияние охлаждения на эрозию катода плазмотрона
//Сб. международной науч.-техн. конф.// Валихановское чтение-3,
Кокшетауский государственный университет, Кокшетау, 2003. - С. 177-180
34. Bolotov A.V., Mukazhanov V.N. Electric arc conductance ascillation.
Switchinoare phenomenol. Sixth international conference Lodz, Poland, 1989.
35. Кангожин Б.Р., Мукажанов В.Н., Даутов С.С., Арыстанов Н.Н.
Создание специализированного источника питания для плазменной резки
металлов // Сб. межд. Научн. Конференции // Бишкек: Кырг. техн.
университет, 2001 , II ч. - С. 304-307.
36. Казанина И.В., Козтаев А.Н. Исследования системы охлаждения
плазматронов.
Сборнике
трудов
научно-технической
конференции
магистрантов. Алматы: АУЭС, 2014.
37. WWW.multiplazma.ru; WWW.plazar.ru
81