Электродуговой плазмотрон

Министерство  образования и  науки Российской Федерации

ФИЛИАЛ

государственного  автономного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

« ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

в г. Петропавловске-Камчатском 
 
 

Специальность 140211Электроснабжение

Кафедра промышленной теплоэнергетики  и электроснабжения  
 
 
 

                                  РЕФЕРАТ 

По  дисциплине: Электротехнологические установки

Тема  а:    Электродуговой плазмотрон 
 

Студент

группы   ЭСЗС 06           ______________            Кузнецов С. Н. 

                                          «   » ________2011г. 
 

Научный руководитель    ______________        Белов О.А. 

                                          «   » ________2011г. 
 

 Работа защищена  «     »____2011г.     С оценкой________ 
 
 
 

                     Петропавловск-Камчатский 2011г.

                                                    Содержание 

Введение………………………………………………………………….стр. 3

1. Устройство и принцип действия плазмотрона…………………….. стр. 4

2.Семейство плазмотронов "Звезда"…………………..………………..стр.8

3. Типы плазмотронов и их особенности как инструмента

    современной технологии ……………………………………………..стр.10

4. Области  использования плазмотронов……………………………....стр.12

5.ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Образцы различных типов плазматронов………стр.15

Заключение……………………………………………………………….стр.19

Список  использованной литературы.…………………………………...стр.21  
 

 Введение

     Плазмотрон - устройство для создания плотной (с давлением порядка атмосферного) низкотемпературной плазмы (с Т до 10⁴ К) с помощью электрических разрядов в газах и дающее плазменный поток, используемый для исследовательских и научных целей. Плазму газовых разрядов получают давно, уже более 100 лет, однако разработки специальных устройств начались в 10-х гг. 20 в., а сам термин  возник примерно в 50-х гг., тогда же началось широкое практическое использование плазмотронов.  
Первые плазмотроны появились в середине 20-го века в связи с появлением устойчивых в условиях высоких температур материалов и расширением производства тугоплавких металлов. Другой причиной появления плазмотронов явилась элементарная потребность в источниках тепла большой мощности. Первые плазмотроны, предназначенные для исследования газодинамических параметров, параметров тепло- и массообмена, механизмов разрушения металлических и композиционных материалов конструкций, были разработаны в 60-х годах прошлого столетия в СССР и США и получили достаточно широкое распространение в ракетно-космической промышленности. К ним предъявляются следующие основные требования: диапазон температур торможения - 3000…6000 К; диапазон давлений торможения - 0,5…10 МПа; диапазон расходов рабочего тела - 0,1…10 кг/с; диапазон электрических мощностей - 0,2…50 Мвт и др.

1. Устройство  и принцип действия плазмотрона.

     Дуговой плазмотрон может работать на постоянном или переменном токе. Широко используемый дуговой плазмотрон постоянного тока состоит из разрядной камеры, в которой расположены электроды вдоль по оси или коакспально, и узла подачи плазмообразующего вещества. Плазма может истекать из разрядной камеры плазмотрона в виде струи или создавать плазменную дугу. Во втором случае разряд горит между катодом и обрабатываемым телом, служащим анодом.

     В плазмотроне, изображённом на рис.1, электроды, выполненные в виде отрезков труб круглого сечения, расположены вдоль оси; вокруг них устанавливаются обмотки соленоидов, создающие магнитное поле, перпендикулярное плоскости электродов. В результате взаимодействия тока дуги с магнитным полем место привязки дуги к электродной стенке перемещается по окружности, что предохраняет электроды от перегрева и расплавления, а также стабилизирует положение места привязки в осевом направлении (магнитная стабилизация и теплоизоляция). Межэлектродная вставка из изоляционного материала ограничивает диаметр дуги и тем самым позволяет повысить её температуру по сравнению с температурой электрической дуги в свободном пространстве. 

     Рис. 1. Схема дугового плазмотрона постоянного тока: 

     1 - электроды; 

     2 - межэлектродная вставка; 

     3 - соленоиды;

     4 - зона электрической дуги; 

     5 - подача рабочего тела; 

     6 - истечение плазмы.

     Газ, образующий плазму, часто вводится во внутренний канал межэлектродной вставки (иногда с закруткой); газовый вихрь обдувает столб дуги и плазменную струю; под действием центробежных сил слой холодного газа располагается у стенок камеры, предохраняя их от нагревания дугой (газодинамическая стабилизация и теплоизоляция). Если сильного сжатия потока плазмы не требуется, то стабилизирующий поток не закручивают, а направляют параллельно столбу дуги. Применяют также стабилизацию и термоизоляцию дуги потоком воды.  
     В тех случаях, когда необходимо ввести в дугу материал эрозии электрода (например, для плазменного нанесения защитного покрытия), один из электродов плазмотрона устанавливается в торце камеры. При этом предусматривается его осевая подача по мере выгорания. Наибольшая мощность получена в плазмотроне с коаксиальными электродами. В них ток дуги протекает в радиальном направлении по относительно малому (по поперечному сечению) токовому каналу. Дуга движется по окружности электродов под влиянием взаимодействия тока с создаваемым соленоидами магнитным полем. Этому полю придаётся такая форма, чтобы стабилизировать положение дуги в осевом направлении.  
     Дуговой плазмотрон трёхфазного переменного тока представляет собой фактически три плазмлтрона, подобных плазмотрону на рис. 1, у которых дуги от различных электродов соединены по схеме "звезда". В ряде случаев для обеспечения устойчивой работы такого плазмотрона (отсутствие погасания дуги при прохождении тока через нуль на к--л. электроде) применяются постоянно действующие системы СВЧ- или искрового поджига. Мощности дуговых П. ~10² - 10⁷ Вт, температуpa струи на срезе сопла 3000 - 20000 К, скорость истечения струи 1 - 10⁴ м/с, промышленный кпд50 - 90%. Для создания неравновесной плазмы низкого давления (доли мм рт. ст.), служащей источником заряженных частиц, чаще всего используется плазмотрон. с разрядом Пеннин-га, при которром электроны колеблются в осевом направлении, что способствует эффективной ионизации.  
    Безэлектродные плазмотроны. Энергия электромагнитного поля (низкой частоты 10² - 10⁴ Гц) может быть введена в плазму разряда индукции безэлектродным способом. На этом принципе разрабатываются трансформаторные плазмотроны. Наибольшее. распространение получили индукционные ВЧ- и СВЧ-П., в которрых рабочий плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами (частоты 10⁴ - 10⁷ Гц). ВЧ-П. (рис. 2) содержит электромагнитную катушку, индуктор, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества. Т. к. ВЧ-индукционный плазмотрон является безэлектродным, то их используют, если к плазменной струе предъявляются высокие требования по чистоте, напр. для получения тонко дисперсных и особо чистых порошковых материалов. Мощность такого плазмотрона достигает 10⁶ Вт, температуpa ~10⁴ К, скорость истечения плазменной струи до 10³ м/с, промышленный кпд ~50 - 80%. 

Рис. 2. Схемы ВЧ-плазмотронов: 

а - индукционный; б - сверхвысокочастотный; 

     1 - источник эл. питания; 

     2 - разряд; 

     3 - плазменная струя; 

     4 - индуктор; 

     5 - разрядная камера; 

     6 - волновод. 
 

     Принцип действия плазмотрона достаточно прост: поскольку электрическая дуга имеет очень высокую температуру, достигающую десятков тысяч градусов, то при взаимодействии дуги с рабочим газом происходит его интенсивный нагрев. Однако эффективность зависит от того, каким образом организован рабочий процесс. Оптимальный рабочий процесс должен удовлетворять двум требованиям. Во-первых, очевидно, что для получения максимальной температуры большая часть нагреваемого газа должна взаимодействовать с дуговым разрядом. Во-вторых, необходимо обеспечить такие тепловые режимы всех узлов плазмотрона, при которых ресурс его работы был бы достаточно велик. Для плазмотронов большой мощности это требование сводится, в первую очередь, к обеспечению стойкости электродов. Одним из способов организации эффективного процесса нагрева рабочего газа является так называемая вихревая стабилизация дуги. Суть ее заключается в том, что дуга горит в цилиндрическом (или коническом) канале, газ в который вводится тангенциально. Таким образом, при движении в канале газ имеет как осевую, так и окружную составляющие скорости. При этом благодаря центробежной силе основная масса относительно холодного и, следовательно, плотного газа течет вдоль стенки канала, тогда как дуга, являющаяся источником горячего и, следовательно, менее плотного газа, располагается вблизи оси канала. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что при правильном выборе геометрии канала вихревая стабилизация дуги действительно позволяет эффективно нагревать рабочий газ. Для электропитания дуги может использоваться как постоянный, так и переменный ток. В настоящее время подавляющее большинство плазмотронов работает на постоянном токе. Установлено, что дуга постоянного тока в принципе горит более устойчиво по сравнению с дугой переменного тока. Самым распространенным способом обеспечения устойчивого горения дуги переменного тока является включение последовательно с дугой катушки индуктивности. В то же время идея питания дуги в плазмотроне переменным током выглядит весьма привлекательной по следующим причинам.

1. Источниками постоянного тока являются, как правило, выпрямительные устройства, снабженные специальными электронными регуляторами, которые обеспечивают устойчивое горение дуги. Для плазмотронов мегаваттной и мультимегаваттной мощности такие устройства превращаются в очень сложные и, главное, дорогие агрегаты, стоимость которых намного превышает стоимость самих плазмотронов. Плазмотроны переменного тока не требуют для питания никаких специальных устройств, они подключаются к промышленной трехфазной сети через катушки индуктивности. Коммутационная аппаратура этих сетей проста и надежна, а их мощность практически не ограничена.

2. Известно, что в плазмотронах постоянного тока ресурс катода обычно в несколько раз ниже ресурса анода. В плазмотронах переменного тока катод и анод меняются местами с частотой сети (50 Гц), поэтому при прочих равных условиях ресурс электродов плазмотрона переменного тока примерно в два раза выше ресурса электродов плазмотрона постоянного тока.

  2.Семейство плазмотронов "Звезда".

В ФГУП "Исследовательский центр им. М.В. Келдыша" была предложена принципиальная схема и разработано семейство плазмотронов, получивших название "Звезда". Плазмотроны этого типа выполнены с использованием модульного принципа и, по сути, состоят из трех отдельных "однодуговых" плазмотронов, объединенных общей смесительной камерой с выходным соплом. Каждый плазмотрон питается от одной фазы трехфазной сети. Одинаковые условия горения каждой дуги обеспечивают равномерную загрузку трехфазной сети. Основной отличительной особенностью плазмотронов типа "Звезда" является то, что все три дуги замыкаются в центре смесительной камеры по схеме "звезда", образуя плазменную нулевую точку. Таким образом, в этом плазмотроне горят три дуги, однако он содержит только три электрода вместо шести. 
Узлы плазмотрона охлаждаются водой.

     Дальнейшим развитием плазмотронов этого типа является схема "Шестилучевая звезда". Такой плазмотрон состоит из шести отдельных однофазных плазмотронов, объединенных общей смесительной камерой, внутри которой все шесть дуг замыкаются между собой. Преимущество такой схемы заключается в том, что при одинаковой мощности величина тока в каждой дуге шестилучевого плазмотрона вдвое меньше по сравнению с трехлучевой схемой.

В процессе создания и отработки плазмотронов были решены многие фундаментальные физические задачи, связанные с обеспечением устойчивости работы плазмотронов в широком диапазоне выходных параметров.

Так, было изучено явление вращения приэлектродного участка дуги (ножки дуги) под действием магнитного поля катушки. 
Исследовалась газодинамическая структура потока как внутри камеры смешения, так и за срезом сопла. Показано, что при движении в соседних электродах потоков воздуха, вращающихся в противоположных направлениях, суммарное движение в камере смешения формируется в виде парных вихрей и является устойчивым.

При организации устойчивого течения в камере смешения формируется устойчивое течение в факеле струи. При этом наблюдается в процессе эксперимента четкая система скачков уплотнения, не меняющая своей формы и размеров во времени. 
В настоящее время в мире наметилась тенденция использования плазмотронов для переработки промышленных, бытовых и медицинских отходов. Благодаря высокой температуре, которую обеспечивают плазмотроны, можно значительно улучшить глубину переработки отходов и снизить количество вредных выбросов. Применение плазмотронов "Звезда" для этих целей является весьма перспективным. В Центре Келдыша проводятся работы в этом направлении и создан прототип соответствующей установки для переработки отходов.

Кроме того, плазмотроны находят применение и при решении иных задач. Так, в Центре Келдыша разработаны новые высокоэффективные технологии: плазменно-кластерная технология нанесения прочных термостойких и химически стойких покрытий на основе тугоплавких металлов; технология получения базальтового штапельного волокна для изготовления высококачественной базальтовой ваты. 
 
 

3.Типы  плазмотронов и  их особенности  как инструмента 

    современной технологии.

 Замечательными особенностями плазмотрона как инструмента современной технологии являются:

• Получение сверхвысоких температур (до 150000 °C, в среднем получают 10000-30000 °C), не достижимых при сжигании химических топлив.
• Компактность и надежность.
• Легкое регулирование мощности, легкий пуск и остановка рабочего режима плазмотрона.

Типы применяемых плазмотронов

Электродуговые:

• С прямой дугой.
• С косвенной дугой.
• С электролитическим электродом (электродами).
• С вращающейся дугой.
• С вращающимися электродами.

Высокочастотные:

• Индукционные (нагрев движущихся металлических паров).
• Электростатические.

Комбинированные:

Работают  при совместном действии токов высоких частот ( ТВЧ ) и при горении дугового разряда, в том числе с сжатием разряда магнитным полем.

• Для производства плазменной и микроплазменной сварки в настоящее время применяются следующие установки: УПС-501, УПС-804 и УПС-301 для плазменной сварки и установка А-1342 для микроплазменной сварки

4.Области использования плазмотронов.

• сварка и резка металлов и тугоплавких материалов
• нанесение ионно-плазменных защитных покрытий на различные материалы (см. Плазменное напыление)
• нанесение керамических термобарьерных, электроизоляционных покрытий на металлы (см. Плазменное напыление)
• подогрев металла в ковшах при мартеновском производстве
• получение нанодисперсных порошков металлов и их соединений для металлургии
• двигатели космических аппаратов
• термическое обезвреживание высокотоксичных органических отходов
• Синтез химических соединений (например синтез оксидов азота и др., см. Плазмохимия)
• Накачка мощных газовых лазеров.
• Плазменная проходка крепких горных пород.
• Безмазутная растопка пылеугольных котлов электростанций.
• Расплавление и рафинирование (очистка) металлов при плазменно-дуговом переплаве.

Особенности применяемых материалов в конструкции

Плазменная  горелка дугового плазмотрона имеет  по меньшей мере один анод и один катод, к которым подключают источник высокого напряжения.

Высокочастотные плазмотроны являются безэлектродными. В качестве рабочего тела используют воздух, кислород, пары воды, аргон, азот и другие газы. Для охлаждения используют каналы, омываемые обычно водой.

В электродуговом плазмотроне газ, нагреваемый в  разряде постоянного тока в цилиндрическом канале, истекает через сопло, образуя  высокоскоростную струю с температурой в ядре потока до 40000ºС, что намного  выше, чем в методах активации  газа с помощью СВЧ плазмы или горячей нити. Вследствие высокой степени разложения газа-реагента, высокой концентрации атомарного водорода скорости осаждения алмаза достигают больших величин. Впервые дуговой плазмотрон был использован для синтеза алмаза Курихарой в 1988 г.  Были достигнуты скорость роста более 900 мкм/час и коэффициент конверсии углерода из метана в алмаз около 8%, однако, лишь на подложках небольшой площади (несколько кв. мм) . Тем не менее, среди всех прочих методов синтеза именно в дуговом плазмотроне впервые были получены толстые алмазные пластины. В качестве плазмообразующего газа используется аргон, к которому подмешивается метан и водород. Вместо метана можно использовать пары спирта . Увеличение площади осаждения и снижение себестоимости процесса синтеза лежит на пути повышения мощности установок. В Пекинском научно-технический университете для роста алмазных пластин используется плазмотрон мощностью 100 кВт . Плазмотрон мощностью 500 кВт создан в Питтсбурге специалистами научно-технологического центра корпорации «Вестингхаус электрик», США. В обоих реакторах предусмотрено, что рабочий газ не выбрасывается из камеры, а направляется повторно в неё для максимально полного использования реагентов. В 90-х годах фирма «Нортон» (США) на основе дуговых плазмотронов освоила промышленное производство алмазных дисков диаметром до 175 мм .

В плазмогенераторе в стандартной конфигурации с  межэлектродными вставками  при  мощности, вкладываемой в разряд 3-8 кВт, давлении 50-100 Торр и расходе  газа 30 л/мин получены скорости осаждения до 25 мкм/час на площади до 10 см². Интересный метод увеличения площади осаждения при относительно небольшой мощности, основанный на идее внешнего расширения плазменной струи после выхода из сопла плазмотрона посредством организации дополнительного разряда ниже по направлению (рис. 13) применен в работе .

Разряд поддерживался  между дополнительным кольцевым  электродом (анодом), сквозь который  проходила плазменная струя и  собственно струёй (катодом). Ниже кольца узкий высокотемпературный плазменный керн расширялся в несколько раз. Дополнительная мощность, вложенная во вторичный разряд, составляла 2,5 кВт. При линейной скорости осаждения 40 мкм/час на площади 12 см² удельная (на единицу мощности) осаждения достигала 16 мг/час·кВт, что сравнимо с эффективностью для 100 кВт системы.

5. ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Образцы различных типов плазматронов.

       Высокопроизводительная  установка высокоскоростного  газопламенного напыления, работающая на смеси горючих газов, позволяет быстро и качественно защищать крупногабаритные детали, аппараты и емкости от коррозии и износа. Назначение комплекса высокоскоростного напыления ТСЗП-HVAF-AK07: Нанесение износостойких, коррозионно-стойких, уплотнительных покрытий методомвысокоскоростного напыления.

Комплекс  оборудования для  высокоскоростного  напыления ТСЗП-HVOF-K2. Одна из лучших универсальных установок высокоскоростного газопламенного напыления в мире. Скорость потока на выходе из сопла установки составляет 7-9 скоростей звука. Благодаря возможности получения повторяемых, малопористых покрытий с высокой адгезией, сверхзвуковая установка напыления широко используется для решения задач оптимизации производства, замены гальваническогохромирования, никелирования, детонационного, вакуумного и ионно-плазменного напыления. Модульный дизайн и простота компоновки позволяют быстро изучить и эффективно использовать эту жидкотопливную установку HVOF. Все программное обеспечение и документация русифицированы. В России успешно работает более 10 установок, в остальном мире - более 50.

Назначение комплекса  оборудования для высокоскоростного напыления ТСЗП-HVOF-K2: Нанесение износостойких, коррозионно-стойких, уплотнительных покрытий изкарбидов вольфрама и хрома, металлов и сплавов, наноструктурированных материалов методом высокоскоростного газопламенного напыления. Используется в авиации для напыления деталей шасси, планерной части, вавтомобильной промышленности для деталей двигателя и трансмиссии, вметаллургии для защиты от износа кристаллизаторов и транспортирующих роликов рольгангов, в полиграфии и деревообработке для хромирования каландровых и анилоксовых валов, в нефтегазовой промышленности для защиты от запорной арматуры.

Установка плазменного напыления  ТСЗП-MF-P-1000, система управления, плазмотроны. Комплекс плазменного напыления ТСЗП - МF – P –1000 для нанесения покрытий плазменным методом (APS-метод).Установка широко используется в авиационном и энергетическом машиностроении для создания керамических функциональных покрытий. Назначение комплекса: Нанесение износостойких, коррозионно-стойких, теплозащитных, уплотнительных покрытий методом плазменного напыления.

Комплекс  оборудования для  высокоскоростного  напыления ТСЗП-GLC-720. Новая разработка, созданная специально для образовательных учреждений, небольших цехов и мобильных бригад. Установка может быть перевезена в обычном джипе или пикапе и подключена и настроена в течение нескольких часов. Установка может также служить базой для подключения дополнительных устройств – установок проволочного, порошкового, шнурового газопламенного напыления. Назначение комплекса высокоскоростного напыления ТСЗП-GLC-720: Мобильный комплекс для нанесения износостойких, коррозионно-стойких, теплозащитных, уплотнительных покрытий методом высокоскоростного напыления.

Комплекс  оборудование плазменной порошковой наплавки форм, клапанов ТСЗП-PTA-4. Оборудование для плазменно-порошковой наплавки. Одним из основных методов повышения надежности и ресурса стеклоформ, клапанов, запорной арматуры является плазменная наплавка (Plasma transfer Arc, PTA). По сравнению с другими способами плазменно-порошковая наплавка позволяет существенно повысить и стабилизировать качество наплавляемых деталей, увеличить производительность и улучшить условия труда, сократить расход наплавочных материалов и затраты на механическую обработку наплавленных деталей. Как показывает производственный опыт, брак при плазменной наплавке не превышает 1%, а его появление напрямую связано с

нарушениями технологического процесса.

Комплект  оборудования электродуговой металлизации ТСЗП-LD/U2 300

      Назначение  комплекта оборудования электродуговой металлизации ТСЗП-LD/U2 300: Нанесение антикоррозионных металлических покрытий на большие площади, например, металлоконструкции, мосты, емкости, аппараты, дымовые трубы, выхлопные шахты ГПА. С его помощью возможно алитирование и цинкование металлоконструкций после их монтажа. Отличается высокой надежностью, производительностью, легкостью настройки и обучения. Широко используется российскими и зарубежными мостостроителями для защиты сооружений от атмосферной и водной коррозии.