CC BY
43
УДК 533.9.004.14
В.Е. Кузнецов, А.А. Киселев, Р.В. Овчинников, Ю.Д. Дудник
ЭЛЕКТРОДЫ ОДНОФАЗНЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Основное промышленное назначение генераторов — это получение плазменного потока для нагрева технологических объектов. Низкотемпературные генераторы плазмы в настоящий момент используются достаточно широко, создан целый ряд конструкций плазмотронов переменного тока [1], предназначенных для переработки или уничтожения отходов [2], развиваются технологии обработки материалов [3, 4], резки металлов [5] и т. п.
В связи с этим обеспечение надежной работы плазмотрона в течение длительного времени, снижение стоимости изготовления и эксплуатационных затрат — задачи актуальные и требующие внимания, так как их выполнение позволит в дальнейшем получить новые конкурентные преимущества и обеспечить широкое внедрение плазменных техники и технологий в промышленность.
В технологических приложениях традиционно применяется модель плазмотрона переменного тока со стержневыми электродами мощностью до 50 кВт как наиболее простая и востребованная [6, 7].
Особенностью данной конструкции является ее высокая надежность, простота изготовления и стабильность рабочих параметров;
для нее используется стержневая конструкция электродов [8].
Стержневой электрод размещается в водо-охлаждаемом цилиндрическом канале 1, подача рабочего газа осуществляется тангенциально, а для формирования плазменной струи используется сужающееся коническое сопло 2 (рис. 1.).
Работа плазмотрона основана на следующем принципе: между стенкой канала и наконечником электрода прикладывается высокое переменное напряжение (с амплитудой порядка нескольких киловольт, достаточной для самостоятельного пробоя минимального расстояния между электродом и стенкой канала). В зоне минимального расстояния между ними при достижении достаточной разности потенциалов возникает электрический пробой. Инициированная дуга под действием газо- и электродинамических сил движется в сторону сопла плазмотрона. Сначала дуга удлиняется в радиальном направлении по мере изменения зазора между стенкой камеры и наконечником электрода. Затем, когда одна из ее привязок достигает торца электрода и остается на нем, другая движется по стенке канала дальше и выходит на его наружную торцевую кромку; там она замыкается в воздухе с дугой другого канала.
Рис. 1. Высоковольтный плазмотрон переменного тока: а — общий вид; б — пример эксплуатации; 1 — водоохлаждаемый цилиндрический канал, 2—сужающееся коническое сопло, 3 — электрод
Это замыкание происходит, если длина канала плазмотрона меньше длины самоустанавливающейся дуги, и напряжение источника питания обеспечивает стабильную (без пауз тока) работу плазмотрона. При изменении полярности дуга вновь инициируется в насыщенном носителями зарядов канале дуги предыдущей части периода, а в случае погасания — опять в зоне минимального зазора между стенкой и наконечником электрода. Тангенциальный газовый поток стабилизирует дугу в осевой зоне канала, защищая стенки канала от ее термического воздействия.
Стержневой электрод выполнен в виде тела вращения и имеет общую ось с каналом, в котором устанавливается. Электрод состоит из двух основных элементов: изолятора и наконечника (рис. 2.).
Основная функция наконечника — обеспечение стабильного зажигания дуги и работы плазмотрона в течение всего времени его эксплуатации. Зазор между стенкой цилиндрического канала и областью наконечника выбирается в зависимости от условия самостоятельного пробоя, а также от напряжения, приложенного между электродами. Электрод выполнен так, что между уплотнительной втулкой и областью максимального диаметра наконечника (в осевом направлении) существует промежуток с меньшим диаметром. Таким образом, при установке в корпусе плазмотрона, между стенкой канала и электродом образуется кольцевая полость, ограниченная в осевом направлении уплотнительной (без зазоров) втулкой изолятора с одной стороны и зоной максимального диаметра наконечника (с малым зазором) с другой. Эта полость играет роль вихревой камеры, в нее подается рабочий газ из тангенциально расположенного отверстия в стенке канала. Закрученный поток формируется в зоне присоединения наконечника электрода к изолятору, обтекает зону минимального зазора между электродом и стенкой канала и движется в сто-
1 2
Рис. 2. Конструкция стержневого электрода: 1 — проходной изолятор; 2 — сменный наконечник
рону выхода из канала через коническое сопло.
Основными факторами [9], приводящими к износу поверхности электродов низкотемпературных плазмотронов, являются следующие воздействия:
термическое со стороны электрической дуги;
электроэрозионное;
коррозионно-окислительное (при использовании воздуха в качестве рабочего газа).
В зоне непосредственного воздействия привязки электрической дуги на поверхность электрода возможен его локальный разогрев до температуры в несколько тысяч градусов. При перемещении пятна привязки на поверхности электродов могут появляться кратеры и их комплексы, возникать трещины и отколы вследствие термических и усталостных напряжений (рис. 3).
Поэтому для изготовления электродов достаточно часто используется медь, которая обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью; это позволяет снизить потери на электросопротивление и эффективно отводить тепло, выделяющееся в процессе горения дуги. Вместе с тем не стоит забывать, что для меди характерны сравнительно низкие температуры плавления (1083 °С) и испарения (2310 °С) и что ее показатели по длительности работы и удельной эрозии не являются очень высокими [13]:
Ток дуги, А.................................2,8
Удельная эрозия, г/Кл ■.............2,78-10-4
Время наработки, ч...................25
Рис. 3. Фотография поверхности электрода плазмотрона после нескольких часов работы
Очевидно, что приведенные результаты по долговечности электродов, изготовленных из меди, не могут быть признаны удовлетворительными для промышленного применения данной системы.
Чтобы увеличить время работы и уменьшить электроэрозионный износ материала электрода, целесообразно использовать композиции с добавками металлов, более тугоплавких, чем медь, например железа. Исследование композиционных материалов, содержащих микрочастицы железа, показывает, что микроизменение поверхности электрода под воздействием электрической дуги зависит от концентрации тугоплавкого компонента (железа) в данном микрообъеме материала. Наиболее медленно износ происходит на участках с наибольшей концентрацией железа, при этом внешние границы исследуемых образцов имеют вид дугообразных линий неправильной формы, проходящих по цепочке частиц железа [ 10]. Таким образом, добавки тугоплавких материалов в состав медной матрицы открывают перспективное направление усовершенствования материала электродов. В качестве же добавок может быть использовано не только железо, но и, например, хром. В табл. 1 по данным источников [11, 12] приведены сравнительные электро- и теплофи-зические характеристики меди, железа и хрома.
Из данных, приведенных в табл. 1, следует, что хром обладает более высокой температурой плавления и испарения, а также более высоки-
ми значениями величин скрытой теплоты плавления и испарения, чем медь и железо, вследствие чего можно ожидать большего эффекта от его введения при тех же концентрациях по сравнению с железом.
Для выяснения степени влияния добавок тугоплавкого материала на долговечность и для разработки технологии создания материала (применительно к электроду) была выполнена серия ресурсных испытаний стержневых электродов для плазмотронов переменного тока.
Первоначально были опробованы каркасные карбидные композиционные материалы, содержащие медь. Каркасная структура (два взаимопроникающих каркаса — карбидный и металлический) представляет собой двухфазную систему. Была выдвинута гипотеза, что тугоплавкий, стойкий к окислению карбидный каркас удерживает в своих порах медь и таким образом при температурах выше точки плавления последней сохраняет работоспособность материала.
Для проверки этой гипотезы был поставлен ряд экспериментов. Их результаты (время работы плазмотрона было приблизительно 10 часов) представлены на рис. 4.
Установлено, что при увеличении времени работы электрода эрозионный унос материала значительно возрастает. Наилучший результат, полученный для композиционного материала на основе карбида хрома с добавлением меди при длительности работы электрода около 40 часов, характеризуется следующими значениями величин:
Таблица 1
Электро- и теплофизические характеристики металлов для изготовления электродов
Физическая величина Значение
Си Fe Сг
Температура, °С
плавления 1083 1535 1900
испарения 2310 2450 1900
Теплоемкость, кал(г-град) 0,093 0,113 0,110
Скрытая теплота, кал/град
плавления 42 49 67
испарения 1146 1455 1603
Теплопроводность,
кал(см-с-град) 0,920 0,161 0,160
Удельное электросопротивление,
10-8 Ом м 1,72 9,8 14,4
ж
и
m
о р
m
S
н
g
18-1
16-
14-
12-
10-
6-
▲ a
1 i 1 //—■—r~
15 16 30 32
~~i—
34
-r~
36
-r~
38
-r~
40
-r~
42
-r~
44
-r~
46
-r~
48
-1
50
Содержание меди, %
Рис. 4. Зависимость величины удельной эрозии от содержания меди в композиционном материале на основе карбида хрома при двух значения тока дуги, А: 4,5 (1) и 7,8 (2)
Ток дуги, А........................................6,7
Удельная эрозия, г/Кл.......................9,810-6
Ввиду достаточно высокой стоимости и технологических ограничений на получение каркасных материалов, были проведены опыты с другими материалами, полученными методами порошковой металлургии. Результаты экспериментов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Экспериментальные результаты по использованию электродов из разных материалов
Состав материала Длительность работы, ч Ток дуги, А Удельная эрозия, 10-6 г/Кл
70 %Cu + 30 %Fe ~ 40 6,9 3,2
Cu + CrC ~ 20 7,1 14,5
Таким образом, в работе получены следующие результаты.
Определен фазовый состав композиционных материалов медь — тугоплавкая добавка, соответствующий минимальному эрозионному уносу, который можно считать оптимальным для данных режимов работы плазмотрона.
Экспериментально установлено, что композиционный материал состава железо — медь обладает наилучшими электроэрозионными показателями в данном диапазоне мощности плазмотрона переменного тока.
При изготовлении электродов из порошкового композиционного материала состава 70%Си + 30%Fe получен ресурс работы плазмотрона переменного тока более 100 часов при незначительной величине эрозионного уноса материала электрода — 3,810-6 г/Кл.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Rutberg, Ph.G. Thermal methods ofwaste treatment [Текст]: Environmental Technologies Handbook. Chapter 4/ Ph.G. Rutberg; Edited by N. Cheremisinoff.— Lanham, Maryland, Toronto, Oxford: Government Institutes. The Scarecrow Press, Inc., 2005.— P. 161—192.
2. Rutberg, Ph.G. On efficiency of plasma gasification of wood residues [Текст] / Ph.G. Rutberg, A.N. Bratsev,
V.A. Kuznetsov [et al.] // Biomass and Bioenergy.- Elsevier Ltd, 2011.- 35/1.- P. 495-504.
3. Абдуллин, И.Ш. Влияние потока низкотемпературной плазмы на гигроскопические свойства текстильных материалов из натуральных волокон [Текст] / И.Ш. Абдуллин, В.В. Кудинов, В.В. Хамматова // Перспективные материалы.- 2007.- №2.- C. 65-69.
4. Кутепов, А.М. Плазменное модифицирование текстильных материалов: перспективы и проблемы [Текст] / А.М. Кутепов, А.Г. Захаров, А.И. Максимов [и др.] // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева).- 2002.- Т. XLVI.- № 1.- С. 103-115.
5. Hogan, J.A. Plasma processes of cutting and welding [Текст] / J.A. Hogan, J.B. Lewis // 20 Years To Practical Plasma.- 1976.- Hypertherm.
6. Рутберг, Ф.Г. Плазмотроны переменного тока со стержневыми электродами мощностью от 5 до 50 кВт для плазмохимических приложений [Текст] / Ф.Г. Рутберг, А.А. Сафронов, Г.В. Наконечный [и др.] // Известия вузов. Физика.- 2007.- № 9.- С. 77-79.
7. Рутберг, Ф.Г. Перспективы применения низкотемпературной плазмы в котельных агрегатах ТЭС [Текст] / Ф.Г. Рутберг, В.Л. Горячев, А.А. Сафронов // Известия Академии наук. Энергетика.- 1993.- № 5.-С. 110-117.
8. Rutberg, Ph.G. Research of erosion of water cooling electrodes of powerful AC plasma generators [Текст] / Ph.G. Rutberg, A.A. Safronov, V.E. Kuznetsov [et al.] // The European Materials Conf. Book of Abstract E-MRS.
ICEM-2000 Strasbourg (May 30- June 2, 2000) Symposium A.TPP—6 Thermal Plasma Processes A/P-98. P. A-36.
9. Rutberg, Ph. Physics and technology of high-current discharges in dense gas media and flows [Текст] / Ph. Rutberg.- N. Y.: Nova Science Publishers, Inc, 2009. — 214 р.
10. Виноградов, С.Е. Исследование механизмов износа электродов плазмотрона [Текст] / С.Е. Виноградов, В.В., Рыбин, Ф.Г. Рутберг [и др.] // Вопросы материаловедения.— 2002.—№ 2.— С. 52—59.
11. Абрикосов, Н.Х. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди [Текст]: справочник / М.Е. Дриц, Н. Р. Бочвар, Л. С. Гузей [и др.]; Отв. ред. Н.Х. Абрикосов.— М.: Наука, 1979.— 248 с.
12. Уикс, К.Е. Термодинамические свойства 65 элементов, их окислов галотонидов, карбидов и нитридов [Текст] / К.Е. Уикс, Ф.Е. Блок .— M.: Металлургия, 1965.— 240 с.
13. Рутберг, Ф.Г. Мощный плазмотрон переменного тока [Текст] / Ф.Г. Рутберг, А.А. Сафронов, В.Н. Ширяев [и др.] // ФНТП-95. Матер. конф. Петрозаводск, 20—26 июня, 1995. — Т.3. — С. 422—425.
УДК 543.427.4, 519.24
А.П. Мороз, А.С. Серебряков, Я.А. Бердников
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ КРЕМНИЙ-ЛИТИЕВОГО ДЕТЕКТОРА НА ФОРМУ АМПЛИТУДНОГО СПЕКТРА
Полупроводниковый детектор (ППД) из кремния — один из наиболее известных и широко используемых типов детекторов рентгеновского излучения благодаря высокому энергетическому разрешению, позволяющему разделять линии характеристического излучения соседних элементов периодической системы с атомными номерами Z и Z+ 1. Развитие технологии производства таких детекторов происходит более полувека и продолжается до сих пор. Они используются во многих направлениях, в том числе и в рентгенофлуоресцентном анализе (РФА).
Настоящая статья посвящена использованию кремниевых ППД именно для целей РФА, хотя полученные результаты могут быть полезны и для других применений.
Наиболее эффективным кремниевым детектором является устройство с р — i—и-переходом и компенсацией примесной проводимости литием ^(Ц)). Толщина такого детектора может быть порядка 4 — 5 мм, что в принципе позволяет регистрировать рентгеновское излучение с энергией примерно до 100 кэВ, перекрывая диапазон К-серий характеристических линий всех элементов периодической системы.
