Расчет плазмотрона и определение его характеристик (стр. 4 из 5)

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМОТРОНА

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) плазменной дуги отражают зависимость напряжения от силы тока при постоянстве геометрических размеров электродуговой камеры, расхода газа, его давлении в характерном сечении и других определяющих параметров [1]. Для плазмотронов с длиной дуги меньше длины самоустанавливающейся ВАХ имеет только участок падающей зависимости напряжения от силы тока (при низких токах, когда длина дуги дуга становится равной длине самоустанавливающейся). При этом рабочим участком ВАХ является именно падающая ветвь. Вид функции, описывающей падающий участок ВАХ, представлен формулой (2.3).С увеличением расхода газа (кривая 2), при прочих равных условиях, ВАХ располагается выше из-за удлинения дуги и роста напряжения на ней.

Кривые, показывающие зависимость теплового КПД от силы тока при различных расходах газа и неизменных остальных параметрах описывается выражением (2.4).

Построим графики ВАХ (падающий участок) и зависимости теплового коэффициента полезного действия от тока при изменении силы тока от 20 до 200А.

Результаты построения представлены на рисунках 3.1 и 3.2.

Кривые, описывающие зависимость КПД от силы тока дуги имеет падающий характер. Это объясняется тем, что при росте тока резко начинают расти тепловые потери на катоде и аноде, что в свою очередь очень сильно сказывается на тепловом КПД. С увеличением расхода газа (кривая 2) повышается КПД, так как уменьшается тепловые потоки и обеспечивается устойчивое горение дуги. С уменьшением расхода газа (кривая 3) КПД понижается из-за увеличения тепловых потоков.

Зависимости тепловых потоков в анод и катод от силы тока представлены на рисунках 3.3 и 3.4. Они имеют линейный характер, так как линейно зависят от силы тока и описываются выражениями (2.7) и (2.29). При увеличении расхода газа прямая зависимости расположена ниже, потому что электрод обдувается газом и из-за этого снижается его температура.

1 - G = 1,5 ∙ 10-3; 2 – G = 1,95 ∙ 10-3; 3 – G = 1,05 ∙ 10-3 кг/с

Рисунок 3.1 – Вольт-амперные характеристики плазмотрона

1 - G = 1,5 ∙ 10-3; 2 – G = 1,95 ∙ 10-3 ; 3 – G = 1,05 ∙ 10-3 кг/с

Рисунок 3.2 – Зависимость теплового КПД плазмотрона от силы тока

1 - G = 1,5 ∙ 10-3; 2 – G = 1, 05 ∙ 10-3 ; 3 – G = 1, 95 ∙ 10-3 кг/с

Рисунок 3.3 – Зависимость теплового потока в анод от силы тока

1 - G = 1,5 ∙ 10-3; 2 – G = 1, 05 ∙ 10-3 ; 3 – G = 1, 95 ∙ 10-3 кг/с

Рисунок 3.4 – Зависимость теплового потока в катод от силы тока.

4 ВЫБОР ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ПЛАЗМОТРОНА

В момент запуска плазмотрона главную роль играет источник питания, который должен обеспечивать не только устойчивые рабочие вольт-амперные характеристики плазмотрона, но и предоставить достаточное напряжение для пробоя, необходимого для запуска плазмотрона. Поэтому напряжение холостого хода источника питания должно быть больше рабочего напряжения дуги плазмотрона. Как было показано выше, рабочее напряжение на дуге плазмотрона 173 В, сила тока – 124 А. Принимаем коэффициент запаса по напряжению равным 1,3. Тогда напряжение холостого хода источника питания составит:

Наиболее подходящим является источник питания, выпускаемый Запорожским заводом “Преобразователь” ДЕЗ-315/230. Это тиристорный источник питания, который может быть задан на любую мощность и обеспечивать высокий КПД, хорошую регулируемость в широком диапазоне, высокую степень стабилизации заданного тока. Выбранный нами источник питания обеспечивает следующие показатели: номинальное напряжение – 230 В, номинальная сила тока – 315 А, номинальная мощность – 72 кВт [5].

5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМОТРОНА

На современном этапе развития науки и техники во многих случаях существует потребность в обеспечении достаточно высоких и стабильных температур. Наиболее удобно использовать для их получения плазменное оборудование. Рассчитанный нами плазмотрон может быть использован для самых различных технологических процессов.

Плазмотрон можно использовать для поверхностной плазменной обработки металлов, что особенно важно при обработке закаливающихся сталей, для плазменного напыления.

Для напыления применяют дугу косвенного действия.

Плазменным напылением с соответствующим подбором порошковых или проволочных материалов можно создавать покрытия с заданными эксплуатационными свойствами: износостойкие, антикоррозионные, жаростойкие, электроизоляционные.

Преимуществами плазменного напыления являются высокая однородность, прочность сцепления с основой и высокая производительность, достигаемые за счет высокой скорости частиц, а также отсутствие перемешивания материалов покрытия и основы.

При напылении небольших деталей из-за низкого коэффициента использования материалов способ не эффективен.

В установках плазменного напыления используется преимущественно азот и другой наиболее доступный и дешевый газ.

Хорошее качество покрытий достигается при напылении в среде аргона в смеси с водородом.

Большинство плазмотронов для напыления работает на постоянном токе прямой полярности, так как имеют при этом высокий КПД использования по мощности.

Ещё одним возможным применением плазмотрона является плазменная обработка поверхности строительных материалов. Она заключается в оплавлении и напылении лицевой поверхности. В этом случае плазменная струя является не только источником тепловой энергии, но и обеспечивает протекание различных физико-химических процессов в контактной зоне. Например, при обработке бетона его поверхность приобретает светло-зелёную окраску. Для получения поверхности другого цвета в плазменную струю подают соответствующие окислы металлов, которые и напыляются на бетон [2].

6 НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА СТУДЕНТА

В научно-исследовательской работе студента нужно исследовать изменение ресурса работы катода плазмотрона при условии замены цилиндрического полого катода на стержневой.

При силе тока I=124 A целесообразно воспользоваться термохимическим циркониевым катодом. На основании экспериментальных исследований рекомендуется для катодов, работающих при токах

, выбирать диаметр вставки из циркония м; при токах , .[2] Глубину выработки вставки нецелесообразно допускать более м, при большей глубине начинается заметная эрозия уже самой медной обоймы, обусловленная усилением теплового воздействия столба дуги, углубляющегося в тело катода. В этом случае при величине удельной эрозии циркония кг\Кл время работы катода составит:

при

м

;

при

м

;

Изменим материал вставки на вольфрам, при этом оставляя теже параметры. В этом случае удельная эрозия вольфрама

кг\Кл время работы катода составит:

при

м

;

при

м

Из полученных данных мы видим, что при замене цилиндрического полого на стержневой ресурс работы уменьшился более чем в 20 раз, и составил: при

м – 11,43 часов; при м – 17,47 часов. Это связано с малой площадью привязки дуги стержневого катода. Площадь привязки уменьшается, при этом увеличивается объемная плотность энергии, следовательно, время изнашивания катода сильно увеличивается, а ресурс работы уменьшается.

Если данное время не удовлетворяет техническим требованиям, рекомендуется искать иное конструктивное решение. Одним из вариантов такого решения является, например, замена циркониевой вставки на вольфрамовую. Из расчетов мы видим, что вольфрамовая вставка повышает ресурс работы плазмотрона,но для большего времени работы необходим при этом обдув такого катодного узла защитным газом , например, азотом. В этом случае время работы катода возрастает более чем в 10 раз и при больших токах приблизится к ресурсу непрерывной работы анода.