CC BY
120
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
_2013 г. Выпуск 2 (29). С. 23-30_
УДК 533.924; 620.22.8
ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА ПОЛЫХ ПОРОШКОВ В КАМЕРЕ ПЕРЕМЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
И. П. Гуляев Введение
Эффективность широкого круга плазменных технологий может быть повышена за счёт организации процесса в условиях пониженного либо повышенного давления. В частности, плазменная обработка пористых порошков является эффективным способом получения полых сферических частиц различных материалов [1]. Полые порошки, частицы которых представляют сферы с тонкой оболочкой и внутренней газовой полостью, являются перспективным материалом, который нашёл применение в области термического напыления [2], производстве облегчённых и плавучих материалов, прочных композиционных звуко- и теплоизо-ляторов, радиопрозрачной керамики, взрывчатых веществ, катализаторов, материалов для газовой сепарации и капсулирования. Формирование и повторная плазменная обработка полых порошков в условиях давления, отличного от атмосферного, открывает возможности изменения геометрических характеристик частиц в широких пределах [3].
Методика измерений
Все экспериментальные работы проведены с использованием электродугового плазмотрона линейной схемы разработки ИТПМ СО РАН номинальной мощности 50 кВт (МЭВ-50). Использована следующая геометрия канала плазмотрона: пусковая секция 5 мм, межэлектродные вставки 7-7-8-9-10 мм, анод 10 мм. Расстояние «катод-анод» по оси канала составляет 53 мм. Диаметр сопла с отверстиями для инжекторов порошка 13 мм.
Измерение тока I и напряжения и дуги осуществляется путём непрерывной оцифровки сигналов с шунта и делителя напряжения, включённых в цепь питания плазмотрона. Точность измерений составляет 1 А и 1 В соответственно. Электрическая мощность плазмотрона определяется произведением I ■и. Ток изменялся в диапазоне 100-300 А с шагом 50 А. Тепловые потери Рпот в канале плазмотрона вычисляются по изменению температуры Т охлаждающей вОДЫ, массовый расход Сводь1 кот°р°й известен: Рпот = °еодыСеоды (Твьх ~ Твх) " 21'Кабель .
Второе слагаемое в правой части равенства учитывает паразитный нагрев жидкости вследствие тепловыделения в токоведущих кабелях, которые проложены в шлангах охлаждения. Отсутствие данной поправки приводит к завышению мощности тепловых потерь на 10-15 % (сопротивление каждого кабеля Якабель = 0,02 Ом). Тепловые потери определялись с точностью 0,1 кВт.
Рисунок 1. Схема установки для проведения экспериментов в условиях контролируемого переменного давления
Для изучения мощностных характеристик плазмотрона в условиях давлений, отличных от атмосферного, был использован экспериментальный комплекс, изображенный на рисунке 1. К герметичному водоохлаждаемому плазмохимическому реактору объёмом 30 л пристыкован электродуговой плазмотрон с линией подачи плазмообразующего газа. Во время работы плазмотрона в реактор постоянно поступает плазмообразующий газ, поэтому для поддержания в нём заданного давления требуется контролируемый отвод газа, который реализован с помощью специального газового редуктора. Для проведения работ при давлениях ниже атмосферного к газовому редуктору присоединяется вакуумный насос. В данной серии экспериментов подача порошка в плазменную струю не осуществлялась.
Были исследованы характеристики работы плазмотрона при использовании в качестве плазмообразующего газа аргона и азота в диапазоне расходов 0,6-1,2 г/с (±0,02 г/с). Расход газов контролировался с помощью ротаметров серии RMB (Dwyer, США) и измерителей расхода серии PFM (SMC, Япония). Во всех случаях осуществлялся вдув защитного газа (аргон) в канал плазмотрона перед анодом с расходом 0,05 г/с для снижения его эрозии. Контроль давления в камере плазменного реактора проводился с помощью стрелочных манометров и датчиков давления MPX5700 (Freescale Semiconductor, США). Эксперименты проведены при следующих давлениях в камере плазменного реактора: 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 атм (±0,02 атм). Минимальная величина рабочего давления определяется производительностью вакуумного насоса, в условиях эксперимента она составила 0,4 атм для расходов газа 0,6 и 0,8 г/с, 0,6 атм для расхода 1 г/с и 0,8 атм для расхода 1,2 г/с. С другой стороны, максимальное рабочее давление в основном ограничено надежностью используемых пневматических линий.
Мощностные характеристики работы плазмотрона при изменении давления
На рисунке 2 показан вид вольт-амперных характеристик (ВАХ) электрической дуги плазмотрона на различных расходах газа при атмосферном давлении. Как видно, в исследованных режимах дуга на аргоне имеет восходящую ВАХ (рис. 2, а), а на азоте - ^-образную, практически горизонтальную (рис. 2, б). Напряжение дуги на азоте в 2-2,5 раза выше, чем на аргоне, во столько же выше мощность тепловыделения.
130 120 110 100 90 80 ' 70
и (В)
Аг -1.0 атл
230
и {В)
1\1, -1.0 атм
1(А)
220 210 200 190 180 170
1{А)
100 150 200 250 300 -1.2 г/с--1 г/с--0.8 г/с — 0 б г/с
а
100 150 200 250 300 -1.2 г/с--1 г/с--0.8 г/с — ■ 0.6 г/с
б
Рисунок 2. Вольт-амперные характеристики электрической дуги в плазме при атмосферном давлении: а - аргон, б - азот
Во всех случаях высокий расход плазмообразующего газа приводит к повышению полного напряжения дуги. На рисунке 3 отображено влияние давления в камере реактора, которое соответствует давлению на выходе из сопла плазмотрона, на напряжение дуги при работе на различных токах. В целом, напряжение дуги монотонно возрастает с ростом давления, угол наклона кривых практически одинаков для всех значений тока для каждого из газов.
В силу отмеченного ранее восходящего вида ВАХ на аргоне графики зависимости для разных значений тока на рисунке 3, а строго разделены. В то же время, напряжение дуги в азотной плазме (рис. 3, б) слабо зависит от тока во всем диапазоне исследованных давлений. Исключение составляет ток 100 А, напряжение дуги для которого существенно выше для всех значений давлений. Вероятно, это связанно с низкой степенью ионизации и электропроводностью плазмы азота вследствие малого тепловыделения в дуге.
130 120 110 100 90 80 70
и (В)
240
230
220
210
200
190
Р (атм)
180
О 0.5 1
-300 А - 250 А -
1.5 2 2.5 3
200А — • 150 А 100 А
О 0.5 1 -300 А--250 А -
1.5 2 2.5 3
- 200 А - • 150 А 100 А
б
Рисунок 3. Зависимость напряжения дуги от рабочего давления в диапазоне 0,4-3,0 атм для различных значений тока: а - аргон, б - азот
Рост напряжения дуги в диапазоне давлений 0,4-3,0 атм на различных режимах составляет примерно 10-18 % для аргона и 18-25 % для азота. В целом зависимость напряжения дуги от давления имеет линейный вид, однако, если использовать степенную функцию для
0.079
аппроксимации влияния давления, то для аргона данная зависимость имеет вид р , а для
азота - р011. Необходимо отметить, что полученная зависимость гораздо слабее, чем приведенные в [4, 5] формулы для расчёта напряжения дуги в плазмотроне осевой схемы, в которой и ~ р0 25т0 35 для различных газов.
а
40
зо
20
10
Рпот (кВт)
Ar - 0.8 г/с
40
Рпот {кВт]
30
20
10
Р (атм)
Р (атм)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
- 300 А — 250 А-- 200 А — 1S0A 100 А
а
0 0.5 1 1.5 2 2,5 3 -300 А — 250 А-- 200 А — ■ 150А 100 А
б
Рисунок 4. Зависимость тепловых потерь в канале плазмотрона от рабочего давления в диапазоне 0,4-3,0 атм для различных значений тока: а - аргон, б - азот
Электрическая мощность плазмотрона на заданном рабочем режиме (массовый расход газа, ток дуги) пропорциональна напряжению дуги, то есть при вариации рабочего давления в рассмотренных пределах электрическая мощность изменяется не более чем на 20-25 %. На рис. 4 можно видеть, что при увеличении рабочего давления с 0,4 до 3,0 атм тепловые потери в канале плазмотрона увеличиваются в 1,5-2 раза. В связи с тем, что величина тепловых потерь Рпот зависит не от напряжения дуги и, а от выделяемой в ней мощности 1-и, кривые для различных значений тока чётко разделены для обоих газов. Стоит отметить, что мощность тепловых потерь при работе на аргоне (рис. 4, а) сравнима с таковой для азотной плазмы (рис. 4, б) на соответствующих режимах.
На рис. 5 изображены графики зависимости тепловой эффективности плазмотрона ?] = 1 — Рпот /(I-и) от рабочего давления для различных значений тока. Можно видеть, что на
всех режимах работы тепловая эффективность азотной плазмы значительно выше аргоновой. При максимальном давлении 3,0 атм эффективность работы на аргоне падает до критических 15-25 %. Повышение расхода рабочего аргона до 1,2 г/с увеличивает эффективность до 20-30 %. В целом можно заключить, что повышение эффективности преобразования электрической энергии в тепловую достигается при увеличении расхода газа, снижении рабочего тока и давления.
70 60 50 40 30 20 10 0
Л (%)
Ar - 0.8 г/с
Р (атм)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 ■ 300 А--250 А-- 200 А — ■ 150 А 100 А
С!
Р (атм)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
300 А — - 250 А-- 200 А — • 150 А 100 А
б
Рисунок 5. Зависимость тепловой эффективности плазмотрона от рабочего давления в диапазоне 0,4-3,0 атм для различных значений тока: а - аргон, б - азот
Эффективность плазменного нагрева дисперсных материалов
При выборе режима плазменной обработки дисперсных материалов встаёт задача оперативной оценки эффективности межфазного теплопереноса на качественном уровне. Обычно набор режимных параметров процесса включает массовый расход плазмообразующего газа, ток элек-
трической дуги, выходной диаметр канала плазмотрона. В настоящем проекте предлагается также использовать рабочее давление в камере плазменной установки. Однако даже при достаточно упрощённом подходе к вопросу (без учета температурной зависимости транспортных свойств плазмы и геометрии струи) не удаётся оценить влияние отдельного режимного параметра, а тем более нескольких. Например, увеличение тока (мощности) дуги приводит к росту температуры и скорости плазмы на выходе из канала плазмотрона. С одной стороны, это означает увеличение потока тепла к частице материала, с другой - сокращение времени её пребывания в высокотемпературной области струи, и не ясно, какой из этих эффектов будет иметь преобладающее значение. В монографии В. В. Кудинова [6] для оценки КПД плазменного нагрева порошковых материалов при использовании различных плазмообразующих газов введён параметр Тк I / и, в котором Т, и - температура и скорость плазмы, к - её теплопроводность, I - длина зоны термической обработки. В данном разделе представлен более точный теоретический подход, который применён для анализа тепловой эффективности исследованных режимов работы плазмотрона при различных давлениях.
Основной нагрев частиц происходит в ядре плазменной струи - начальном участке длиной I, в котором скорость иё и температура Тё плазмы изменяются сравнительно слабо, и в оценочных расчётах их можно считать постоянными. Рассмотрим сферическую частицу диаметра Б . Уравнения изменения скорости частицы вдоль оси потока и и её теплосодержания Нр имеют вид:
аир
=1 (и -и \ т = _! в2урр * V * Р), 18' И, ф '
dH 2 к*
= -Т-ТЛ а = БрМи,
здесь тБ - постоянная времени ускорения частицы, к&, - теплопроводность и вязкость плазмы, рр - плотность материала частицы, а - коэффициент теплоотдачи, Ыи и ф3 - число
Нуссельта и поправка к стоксовскому коэффициенту сопротивления сферы, которые зависят от числа Рейнольдса, характеризующего обтекание частицы потоком газа [7]. В типичных условиях плазменной обработки постоянная времени ускорения имеет порядок тБ ~ 10-2 с. Считая, что в начальный момент времени t = 0 скорость частицы равнялась нулю, получим выра-
t
жение и = и (1 - е т° ) и, разлагая экспоненту в ряд Тейлора на малых временах t «тв , найдём время А, которое потребуется частице для преодоления дистанции I: Аt = ^21тБ / и* .
Вычислим количество теплоты, полученное частицей от потока за время нахождения в ядре струи: АН = а ■ яБр ■ (Т - Тр) ■ Дt. Подставив выражения для коэффициента теплоотдачи
а и времени нагрева Аt, а также считая, что Т << Т , найдем
Произведение к Т
в формуле (1) является характеристикой эффективности на-
и^
грева плазменной струи и определяет полное количество тепла, которое получит от потока частица заданного диаметра и плотности. Далее под «эффективностью» плазменной струи будет пониматься именно этот комплекс. Следует обратить внимание на отличие полученного критерия от параметра, введенного В. В. Кудиновым, не учитывающего зависимость динамики ускорения частицы от вязкости газового потока. Отношение Ыи / слабо зависит
от характеристик плазменной струи, например, в условиях атмосферного давления для частиц диаметром 100 мкм оно изменяется в диапазоне 2,6-2,9 как для аргона, так и для азота.
На основе разработанного подхода была проведена оценка тепловой эффективности различных режимов работы плазмотрона. Среднемассовая энтальпия газа Н (Дж/кг) на выходе из сопла генератора плазмы вычисляется согласно выражению Н = (I-и — Ршт)/О, где
(I-и — Ртт) - тепловая мощность (Вт) плазмотрона, О - массовый расход плазмообразую-щего газа (кг/с). Среднемассовая температура газа Т& определяется по табличным данным, а среднемассовая скорость струи и на выходе из канала плазмотрона по формуле и& = 4О / (л Б2 - р& Т)) . Расчёт скорости произведён по диаметру анода В = 10 мм, для единообразия длина струи I была принята равной 10 см.
60
50
40
30
20
10
Тепловая эффективность, кДж/(м кг У'2
.—
1{А)
100
150
200
250
300
Рисунок 6. Температура плазмы аргона и азота при различных значениях тока и расходах газа (атмосферное давление)
-1.2 г/с —- 1 г/с--0.8 г/с —- 0.6 г/с
Рисунок 7. Эффективность плазмы аргона и азота при различных значениях тока и расходах газа (атмосферное давление)
На рис. 6 можно видеть, что среднемассовая температура плазмы азота при различных режимах работы атмосферного давления изменяется в диапазоне 6-8 кК, а аргона - в диапазоне до 12 кК. Несмотря на более высокую температуру, аргоновая плазма имеет низкую эффективность (рис. 7), что и обуславливает нецелесообразность использования чистого аргона для термической обработки материалов. По этой причине в технологиях напыления используют добавки двухатомных газов (гелий, водород) [8] для увеличения эффективности струи в первую очередь за счёт повышения теплопроводности смеси. Дальнейший анализ влияния режимов работы плазмотрона на характеристики плазмы проведен для азота [9-11]. Рис. 7 показывает, что в условиях атмосферного давления азотная плазма имеет наибольшую эффективность при использовании тока 150-200 А, независимо от расхода газа. Снижение расхода газа приводит к увеличению эффективности струи за счёт увеличения времени пребывания частиц в горячей зоне. Рассмотрим влияние рабочего давления на характеристики азотной плазмы на примере фиксированного расхода газа 0,8 г/с.
Рисунок 8. Зависимость температуры
азотной плазмы от давления при различных значениях тока дуги
Рисунок 9. Зависимость скорости азотной плазмы от давления при различных значениях тока дуги
На рис. 8 можно видеть, что рабочее давление слабо влияет на температуру плазмы при фиксированном значении тока дуги. При этом изменение тока со 100 до 300 А приводит к повышению температуры примерно с 6 до 8 кК. С другой стороны, изменение рабочего давления с 0,4 до 3,0 атм приводит к снижению скорости потока на порядок - примерно с 1000 до 100 м/с (рис. 9).
Рисунок 10. Зависисмость эффективности азотной плазмы от давления при различных значениях тока дуги. О = 0,8 г/с
Рисунок 11. Зависисмость тепловой эффективности азотной плазмы от давления при различных расходах газа. I = 200 А
На рис. 10. показана зависимость тепловой эффективности азотной плазмы от давления. Можно видеть, что для значений тока дуги 150-250 А эффективность струи монотонно, практически линейно, возрастает. При токах 100 А и 300 А эффективность снижается на концах диапазона давлений. На рис. 11 можно видеть влияние расхода плазмообразующего газа на эффективность нагрева частиц при фиксированном значении рабочего тока 200 А. Так, наилучшие условия для термической обработки частиц реализуются при малом расходе газа 0,6 г/с во всём рассматриваемом диапазоне давлений. Однако, из практики известно, совмещение малых расходов газа и высоких значений тока дуги (250-300 А) может приводить к интенсивной эрозии электродов.
Заключение
Приведённые в данной работе экспериментальные данные представляют научные результаты, которые формируют общее представление о влиянии рабочего давления на мощ-ностные характеристики электродуговых плазмотронов. В частности установлено, что тепловой КПД генераторов плазмы падает с увеличением рабочего давления.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-08-31150)
ЛИТЕРАТУРА
1. Solonenko, O. P. Plasma processing and deposition of powdered metal oxides consisting of hollow spherical particles / O. P. Solonenko, I. P. Gulyaev, A. V. Smirnov // Technical Physics Letters, 2009. - V. 35. - № 10. - P. 885-888.
2. Гуляев, П. Ю. Моделирование технологических процессов плазменного напыления покрытий наноразмерной толщины [Текст] / П. Ю. Гуляев, И. П. Гуляев // Системы управления и информационные технологии. - 2009. - № 1.1(35). - С. 144-148.
3. Gulyaev, I. P. Production and modification of hollow powders in plasma under controlled pressure // J. Phys.: Conference Series, 2013. - V. 382. - № 1, 012014 (1-4); And as the same: Abstr. of 11th APCPST (Asia Pacific Conference on Plasma Science and Technology) and 25th SPSM (Symposium on Plasma Science for Materials), Japan, October 2-5, 2012, Kyoto, Japan. - P. 392.
4. Жуков, М. Ф. Прикладная динамика термической плазмы [Текст] / М. Ф. Жуков, А. С. Коротеев, Б. А. Урюков. - Новосибирск : Наука, 1975. - 298 с.
5. Жуков, М. Ф. Электродуговые генераторы с межэлектродными вставками [Текст] / М. Ф. Жуков, А. С. Аньшаков, И. М. Засыпкин [и др.]. - Новосибирск : Наука, 1981. -221 с.
6. Кудинов, В. В. Плазменные покрытия [Текст] / В. В. Кудинов. - М. : Наука, 1977. - 184 с.
7. Gulyaev, I. P. Hydrodynamic features of the impact of a hollow spherical drop on a flat surface Solonenko O. P., Gulyaev P. Y., Smirnov A. V. - Technical Physics Letters, 2009. - Т. 35, № 10. - P. 885-888.
8. Fauchais, P. Understanding plasma spraying // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2004, 37. - P. 86-108.
9. Solonenko, O. P., Spreading and solidification of hollow molten droplet under its impact onto substrate: Computer simulation and experiment / O. P. Solonenko, A. V. Smirnov, I. P. Gulyaev // AIP Conference Proceedings 5th International Workshop on Complex Systems: "Complex Systems - 5th International Workshop on Complex Systems" sponsors: 21st Century COE Program, International COE of Flow Dynamics. Sendai, 2008. - P. 561-568.
10. Solonenko, O. P. Nonstationary convective mixing in a drop of melt bypassed by plasma flow / O. P. Solonenko, I. P. Gulyaev // Technical Physics Letters, 2009. - V. 35, № 8. - P. 777-780.
11. Solonenko, O. P. Thermal plasma processes for production of hollow spherical powders: Theory and experiment / O. P. Solonenko, A. V. Smirnov, I. P. Gulyaev // Journal of Thermal Science and Technology, 2011. - V. 6, № 2. - P. 219-234.
