Порівняльний аналіз способів впливу на параметри плазмових потоків газових плазмоутворювальних систем N-O-C-H

Размещено на http://www.allbest.ru/

Порівняльний аналіз способів впливу на параметри плазмових потоків газових плазмоутворювальних систем N-O-C-H

Пащенко Валерій Миколайович

доктор технічних наук, доцент, професор кафедри зварювального виробництва, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ

Анотація

Проблема ефективного використання плазмового обладнання для процесів зварювання та інженерії поверхні залишається актуальною на фоні зростання вартості енергоносіїв та потреби підвищення продуктивності технологій обробки матеріалів. Плазмоутворювальні суміші системи N-O-C-H знайшли достатньо широке застосування в народному господарстві, через наявність, зокрема, серійного плазмового обладнання, яке свого часу було розроблене в Україні. Відомі загальні підходи до керування енергетичними характеристиками плазми зміною режимних параметрів роботи генераторів плазми не враховують особливостей плазмоутворювальних газових сумішей системи N-O-C-H, які відрізняються наявністю комбінованого двоканального підведення енергії в область формування плазмових потоків. У роботі проаналізовані можливі варіанти впливу на енергетичні характеристики струменів плазми системи N-O-C-H зміною режимних параметрів процесу її генерації. Показана можливість підвищення потужності плазмотрона та його питомих енергетичних характеристик підвищенням струму дуги (в межах технічних можливостей електродів та джерела електроживлення). Доведена ефективність застосування підвищеної витрати плазмоутворювальної суміші для покращання швидкісних характеристик плазмового струменя при збереженні його температурних параметрів. Запропонований новий спосіб керування енергетичними характеристиками струменя плазми зміною співвідношення між горючим і окиснювальним компонентами вихідної суміші. Показано, що зниження значення коефіцієнта витрати окиснювача дозволяє покращати всі енергетичні характеристики потоку плазми: підвищити загальну потужність та питому енергію, збільшити розміри активної зони струменя, впливати на його окиснювально-відновний потенціал.

Ключові слова: генератор плазми, потужність плазмотрона, питома енергія, активна зона струменя плазми, плазмоутворювальна суміш повітря із вуглеводневим газом, коефіцієнт витрати окиснювача, окиснювальні та відновні компоненти струменя плазми.

Abstract

Pashchenko Valery Mykolayovych Doctor of Technical Sciences, Associate professor, professor of the department of welding production, National Technical University of Ukraine“Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Department of Welding Production, Kyiv,

COMPARATIVE ANALYSIS OF THE METHODS OF INFLUENCE ON PLASMA FLOW PARAMETERS OF N-O-C-H GAS PLASMA- GENERATING SYSTEMS

The problem of effective use of plasma equipment for welding processes and surface engineering remains relevant against the background of the increase in the cost of energy carriers and the need to improve the productivity of material processing technologies. Plasma-forming mixtures of the N-O-C-H system have found a fairly wide application in the national economy, due to the availability, in particular, of serial plasma equipment, which was once developed in Ukraine. Known general approaches to controlling the energy characteristics of plasma by changing the operating parameters of plasma generators do not take into account the features of plasma-forming gas mixtures of the N-O-C-H system, which differ in the presence of a combined two-channel energy supply to the area of plasma flow formation. The paper analyzes possible options for influencing the energy characteristics of plasma jets of the N-O-C-H system by changing the mode parameters of its generation process. Variants of influence on the energy characteristics of plasma flows of the N-O-C-H system by changing the mode parameters of the plasma generation process were analyzed. The possibility of increasing the power of the plasmatron and its specific energy characteristics by increasing the arc current (within the technical capabilities of the electrodes and the power source) is shown. The effectiveness of using increased consumption of the plasma-forming mixture to improve the speed characteristics of the plasma jet while maintaining its temperature parameters has been proven. A new method of controlling the energy characteristics of the plasma jet by changing the ratio between the combustible and oxidizing components of the initial mixture is proposed. It is shown that reducing the value of the oxidant flow rate allows to improve all the energy characteristics of the plasma flow: to increase the total power and specific energy, to increase the size of the active zone of the jet, to influence its oxidation-reduction potential. Bibliogr. 6, fig. 4.

Keywords: plasma generator, plasmatron power, specific energy, active zone of the plasma jet, plasma-forming air-hydrocarbon gas mixture, oxidizer flow rate, oxidizing and reducing components of the plasma jet

Постановка проблеми

енергетичний плазмотрон струм

В загальному випадку в якості плазмоутворювального середовища може бути використана будь-яка речовина. Сприйнявши енергію від зовнішнього джерела, (наприклад, від електричної дуги), речовина переходить у повністю або частково іонізовану газову систему, нагріту до певної температури - низькотемпературну плазму. Застосування такої плазми в технологіях інженерії поверхні висуває до плазмоутворювальних середовищ цілий ряд специфічних вимог:

- визначений набор фізико-хімічних властивостей (теплоємності, теплопровідності, потенціалу іонізації тощо), який забезпечить необхідні параметри створюваного плазмового середовища;

- контрольована та керована взаємодія високотемпературного газу (плазми) із матеріалом, що обробляється, та навколишнім середовищем, для забезпечення ходу процесів взаємодії у необхідному напрямку;

- хімічна нейтральність компонентів плазмоутворювального середовища до матеріалу елементів конструкції генератора плазми;

- можливість внесення з плазмоутворювальною речовиною додаткової енергії для коригування процесу генерації плазми та впливу на енергетичні характеристики створеного плазмового середовища під час обробки матеріалу;

- мінімальний негативний вплив на умови праці та навколишнє середовище;

- недефіцитність та помірна ціна.

Одним із результатів пошуку таких «оптимальних» плазмових середовищ для процесів інженерії поверхні стало використання плазмоутворювальних газових систем N-O-C-H, які можна отримати, наприклад, із суміші повітря та вуглеводневих газів [1]. За час від початку застосування таких сумішей у технологіях обробки матеріалів проведена значна кількість досліджень, які стосуються генераторів плазми та способів їх застосування в технологіях нанесення покриттів та модифікації поверхні. Наведені практичні рекомендації щодо раціональних режимів ведення процесів, досліджені фізико-механічні характеристики отриманих поверхневих шарів [2, 3]. Була розроблена та випускалась серійно повнокомплектна установка нанесення покриттів «Київ-7», яка була орієнтована на застосування в якості плазмоутворювального повітря та його сумішей із вуглеводневими газами [4]. Але досі не запропоновані і не застосовуються на практиці загальні рекомендації (в тому числі у документації на установку «Київ-7») щодо способів впливу на енергетичні характеристики плазми у ході ведення процесу і відпрацювання технологічних режимів. Відсутність таких рекомендацій обмежує можливості технологів під час розробки конкретних технологій інженерії поверхні, не дає змогу повною мірою врахувати фізико-механічні характеристики оброблюваних матеріалів шляхом внесення коректив у режимні параметри процесу. Це виражається, наприклад, у результатах досліджень, які констатують недостатню якість отриманих на установці «Київ-7» покриттів певного хімічного складу, але не дають логічного пояснення цьому факту [5]. Вторинним наслідком відсутності таких рекомендацій є неповне використання можливостей плазми системи К-О-С-И.

Метою статті є надання об'єктивної інформації щодо енергетичних можливостей потоків плазми системи К-О-С-И і способів впливу на них через зміну режимних параметрів.

Методики досліджень та отримані результати

Експериментальне дослідження потоків плазми складного хімічного складу з метою встановлення хімічного складу і енергетичних параметрів в локальних точках об'єму робочого тіла здійснювалось за допомогою ентальпійного зонду Грея [6]. Об'ємний розподіл параметрів плазмового струменя досліджувався встановленням пробовідбірника на трикоординатному маніпуляторі. Визначення ентальпії при застосуванні зонду Грея базується на вимірюванні теплового потоку, який сприймає пробовідбірник при відбиранні проби. Склад відібраної проби аналізувався на спареному хроматографі типу ХЛ-3 та ЛХМ-8-МД. Отриманий результат складу холодної проби газу, використовується для розрахунку реального складу газу у точці відбирання з урахуванням фактичної температури. Температура, у свою чергу, визначається за виміряною за допомогою зонду ентальпією. Динамічний напір потоку плазми визначався підключенням капіляра пробовідбірника до и - подібного водяного манометра.

Енергетичні характеристики плазмотрона досліджувались вимірюванням струму, напруги і теплових втрат в елементи конструкції за відомими методиками [6].

Змінними параметрами під час дослідження температурних, швидкісних і концентраційних полів плазмових струменів системи К-С-О-И були сумарна об'ємна витрата плазмоутворювальної суміші; коефіцієнт витрати окиснювача; струм дуги та діаметр вихідної ділянки дугового каналу. Дослідження проводились на двохелектродному плазмотроні потужністю до 50 кВт з термохімічним катодом та вихровою стабілізацією дуги та плазмотроні із міжелектродною вставкою (аналогу ПУН-1, яким комплектується установка «Київ-7»).

Визначались локальні значення температури плазми та швидкості потоку, а також хімічний склад середовища в локальних точках об'єму струменя плазми.

За результатами досліджень встановлені розподіли температури, швидкості та хімічного складу середовища за довжиною струменя та в його поперечних перерізах. Наявність таких розподілів дає змогу встановити розміри активної зони струменя для типових груп матеріалів: легкоплавкі та тугоплавкі метали, тугоплавкі сполуки.

Основним режимним параметром, який змінюється, зазвичай, у практиці застосування генераторів плазми з метою впливу на абсолютні та питомі параметри плазмового середовища є струм дуги. Враховуючи, що вольт-амперні характеристики досліджуваних плазмотронів пологоспадні або нейтральні, у кращому випадку збільшення струму дуги не призведе до падіння напруги і можна у першому наближенні вважати, що споживана потужність генератора плазми пропорційна струму. Щодо корисної потужності, у кожному конкретному випадку необхідно врахувати наявну залежність ККД від струму дуги. Для плазмотронів, які застосовувались при проведенні досліджень, ККД практично не залежить від струму дуги (в дослідженому діапазоні зміни струму). Але, враховуючи, що збільшення струму дуги призводить до підвищення втрат в елементи конструкції плазмотрона, при застосуванні цього способу впливу на енергетичні характеристики генератора плазми слід мати на увазі можливе зниження ресурсу електродів зі збільшенням струму дуги.

Технічні можливості серійних термохімічних електродів обмежують верхню межу можливого діапазону зміни струму дуги значеннями (350.. .450) А (залежно від матеріалу активної вставки). Нижня межа можливого діапазону зміни струму визначається здатністю джерела живлення здійснювати стабілізацію струму при малих його значеннях і стабільністю роботи плазмотрона на струмі менше (100.150) А. У загальному випадку типовий діапазон можливої зміни струму становить (150.350) А.

Номінальне значення струму залежить від типу електроду і становить (200.300) А.

На рис.1 показані результати обробки експериментальних даних. Оцінювався у відсотках діапазон зміни загальної потужності та осередненого значення питомої енергії. Визначався діапазон зміни геометричних характеристик плазмового струменя при зміні струму дуги у вигляді зміни розмірів активної зони (для матеріалів з температурою плавлення >2000 К.

Слід відмітити, що вплив зміни струму дуги на розподіл швидкості потоку (на відміну від впливу на розподіл температури) в об'ємі струменя, не такий однозначний. Якщо температура практично пропорційно підвищується при збільшенні струму на всіх дистанціях обробки матеріалу і у всіх точках поперечного перерізу потоку плазми, швидкість суттєво підвищується у приосьовій зоні струменя і значно менше на периферії потоку плазми. Тобто «наповненість» профіля швидкості погіршується.

Рис. 1. Діапазони можливої зміни характеристик плазмового струменя двохелектродного плазмотрона при зміні струму дуги в діапазоні (150...250) А (сумарна витрата плазмоутворювальної суміші Q^= 3,7 м3/год., коефіцієнт витрати окиснювача а = 0,67)

В технологіях інженерії поверхні і, зокрема, при газотермічному нанесенні покриттів, широко використовується, як спосіб керування умовами ведення технологічного процесу, зміна витрати плазмоутворювальної газової суміші. Режими на підвищеній витраті плазмоутворювальної суміші сприяють підвищенню швидкості плазмового струменя - воно приблизно пропорційне витраті суміші. Це підвищення швидкості більш суттєве в центральній області потоку і зберігається на всій довжині активної зони струменя плазми. Одночасно, при збільшенні витрати на плазмотронах досліджуваних принципових схем спостерігається зростання потужності генератора плазми за рахунок підвищення напруги на дузі та ККД пристрою (рис. 2).

Характерною особливістю плазмоутворювальних сумішей системи К-О-С-Н є те, що незважаючи на зниження середньомасової питомої енергії при збільшенні витрати плазмоутворювальної суміші (рис. 2), наявна відсутність падіння температури в центральній частині струменя, а на периферії навіть має місце навіть помітне її зростання [6].

Рис. 2. Діапазони можливої зміни характеристик плазмового струменя двохелектродного плазмотрона при зміні витрати плазмоутворювальної суміші QYJ в діапазоні (3,7... 7,8) м3/год. (струм дуги І = 200 А., коефіцієнт витрати окиснювача а = 0,65)

При цьому темп падіння температури вздовж потоку плазми уповільнюється, що сприяє подовженню активної зони струменя плазми. Це пов'язане, вочевидь, із особливостями процесу передавання енергії від дуги до плазмоутворювального газу в межах дугового каналу. Значна частина суміші залишається «холодною», бо периферійна область потоку газу не сприймає повною мірою енергію електричної дуги. Тому центральна частина потоку зберігає або незначно знижує свою середньомасову температуру. «Холодна» частина суміші проходить дуговий канал і горючі компоненти, які є в її складі, догоряють за межами генератора плазми за участю кисню навколишнього середовища. Тим самим підвищуючи температуру периферійних областей потоку плазми. Профіль стає «наповненим», а активна зона струменя подовжується. Більш того, на дистанціях 100 мм і вище за рахунок тепла рекомбінації та зв'язування компонентами плазми частини кисню, має місце зростання температури у приосьовій області потоку (порівняно з режимом роботи на меншій витраті плазмоутворювальної суміші).

Підсумовуючи надану вище інформацію, можна рекомендувати режими роботи на підвищених витратах плазмоутворювального газу для нанесення покриттів із легкоплавких (температура плавлення до 600 оС) та середньоплавких (до 1600 оС) металів. При цьому слід звернути особливу увагу на організацію введення дисперсного матеріалу у потік плазми через доволі нерівномірний профіль швидкості в поперечних перерізах потоку.

Застосування складних плазмоутворювальних сумішей системи N-0-0- Н (на відміну від інших плазмоутворювальних середовищ) надає ще один інструмент впливу на енергетичні характеристики потоків плазми, що генеруються. Це зміна співвідношення між горючим та окиснювальним компонентами плазмоутворювальної суміші. Це співвідношення характеризується коефіцієнтом витрати окиснювача а [4]. При збільшенні вмісту горючого компонента (зниження а) підвищується загальний рівень ентальпії потоку плазми. На дистанціях від 50 мм до 200 мм це збільшення сягає 10 % при зміні а від 1 до 0,63. На менших дистанціях (до 40 мм), воно ще більше - до 40 %.

Збільшення ентальпії призводить до підвищення температури плазмового струменя. На дистанціях (50... 130) мм воно сягає 40 %.

Характерною особливістю керування енергетичними параметрами струменя зміною а є пропорційне підвищення швидкості у перерізі плазмового потоку на всіх дистанціях від зрізу сопла генератора плазми. Це сприяє ефективному нагріванню матеріалу не тільки у центральній, але і на периферійній області плазмового струменя.

Додатковим позитивним ефектом зниження а є можливість керування вмістом окиснювальних та відновних компонентів в потоці плазми [6]. При збільшенні вмісту горючого компонента у вихідній плазмоутворювальній суміші зростають розміри області зі зниженим вмістом кисню, що створює сприятливі умови для нагрівання матеріалів, чутливих до вмісту кисню в зоні обробки.

На рис 3 показані діапазони можливої зміни енергетичних параметрів потоку плазми при зміні коефіцієнта витрати окиснювача.

Додаткова енергія, яка вноситься із вуглеводневим компонентом збільшує загальну потужність пристрою. Це відбувається за рахунок не тільки прямого внесення додаткової енергії з вуглеводневим газом, але й через зміну умов горіння електричної дуги із підвищенням інтегрального значення напруги. Враховуючи практично незмінний ККД при зміні а, відповідно зростає і середнє значення питомої енергії в плазмовому струмені (при сталому значенні сумарної витрати плазмоутворювальної суміші. Підвищення температури у всьому об'ємі струменя призводить до значного збільшення розмірів активної зони потоку. Враховуючи, що час перебування частинок є визначальним фактором при обробці матеріалу з низькою теплопровідністю і високою температурою плавлення, режими роботи з низьким а можна рекомендувати для керамічних і тугоплавких (температура плавлення >1600оС) металевих матеріалів.

Рис. 3. Діапазони можливої зміни характеристик плазмового струменя двохелектродного плазмотрона при зміні коефіцієнта витрати окиснювача а від 1 до а = 0,65 (витрата плазмоутворювальної суміші QYJ = 3,7 м3/год., струм дуги І = 200 А)

Результати, отримані у ході дослідження двохелектродних генераторів плазми, в цілому підтверджуються результатами, які отримані при дослідженні плазмотронів із міжелектродною вставкою. Питома енергія плазмового струменя є, як універсальна характеристика енергетичної спроможності пристрою, зростає на плазмотронах цієї принципової схеми зі зростанням струму (рис. 4).

Залежить вона і від витрати плазмоутворювальної суміші - чим вище ця витрата, тим менше максимально досяжний рівень є при зміні струму. Хоча при цьому підвищується значення абсолютної потужності струменя та ККД пристрою. Змінюючи вміст вуглеводневого компонента у вихідній плазмоутворювальній суміші, струм дуги та сумарну витрату суміші, можливо змінювати значення загальної потужності та питомих параметрів потоку плазми в досить широких межах.

Рис. 4. Область зміни питомої енергії та загальної потужності плазмотронів із міжелектродною вставкою потужністю до 80 кВт (ПУН-1 та його аналоги) зміною режимних параметрів в технічно допустимих межах

Висновки

- основним параметром керування енергетичними характеристиками високотемпературного потоку у генераторів плазми, що працюють на газових сумішах системи К-О-С-И, аналогічно генераторам плазми на традиційних газах і сумішах без горючого компонента є струм електричної дуги. Діапазон такого керування обмежений процесами ерозії електродів (особливо термохімічних катодів) та функціональними можливостями джерел живлення;

- результати впливу зміни витрати плазмоутворювального газу на енергетичні характеристики потоків плазми у плазмотронів на сумішах вуглеводневих газів з окиснювачем радикально відрізняється від аналогічних результатів у генераторів плазми, які працюють на сумішах без горючого компонента. Цілком реальна можливість збереження або незначного зниження рівня температури у потоці плазми із одночасним збільшенням швидкості потоку при збільшенні витрати вихідної плазмоутворювальної суміші;

- додатковим ефективним інструментом керування енергетичними параметрами потоку плазми системи N-O-C-H є зміна співвідношення між компонентами плазмоутворювальної суміші. При збільшенні вмісту вуглеводневого компонента вдається суттєво підвищити загальну потужність пристрою, питому енергію струменя та розміри активної зони потоку. При цьому стає можливим контроль над окиснювально-відновним потенціалом середовища, в якому обробляється матеріал.

Література:

1. Карп И.Н. Разработка и исследование топливно-дуговых горелок. Топливно-плазменные горелки: сборник статей. Киев: Наукова думка, 1977. С. 7-13.

2. Петров С.В., Карп И. Н. Плазменное газовоздушное напыление: монография. Киев: Наукова думка, 1993. 494 с.

3. Петров С.В., Сааков А. Г. Плазма продуктов сгорания в инженерии поверхности: монография. Киев: Топас, 2000. 220 с.

4. Пащенко В.М. Дугові генератори в технологіях інженерії поверхні: монографія. Харків : Мачулін, 2018. 288 с

5. Зайцев О.В. Розробка матеріалів для захисту деталей авіаційних двигунів від високотемпературної ерозії: автореф....дис. канд. техн. наук:

05.02.01”Матеріалознавство”. Дніпропетровськ, 2008. 20 с.

6. Пащенко, В.М. Генерування потоків плазми та керування їх енергетично-просторовими параметрами: монографія. Київ: Гнозіс, 2014. 283 с.

References:

1. Karp I. N. (1977). Razrabotka i issledovanie toplivno-dugovyh gorelok [Development and research of fuel-arc burners]. Toplivno-plazmennye gorelki-FuelPlasma Torches'. Digest of articles, (pp. 7-13). Kiev: Naukova dumka [in Ukrainian].

2. Petrov S. V., Karp I. N. (1993) Plazmennoe gazovozdushnoe napylenie [Plasma gas¬air spraying]. Kiev: Naukova dumka [in Ukrainian].

3. Petrov S. V., Saakov A. G. (2000). Plazma produktov sgoraniya v inzhenerii poverhnosti [Plasma of Combustion Products in Surface Engineering]. Kiev: Topas [in Ukrainian].

4. Pashchenko V. M. (2018). Dugovi generatori v tehnologiyah inzheneriyi poverhni [Arc generators in surface engineering technologies]. HarkA: Machulm [in Ukrainian].

5. Zajcev O. V. (2008). Rozrobka materialiv dlya zahistu detalej aviacijnih dviguniv vid visokotemperaturnoyi eroziyi [Development of materials to protect aircraft engine parts from high- temperature erosion]. Extendet abstract of candidate's thesis. Dnipropetrovsk: PDABA [in Ukrainian].

6. Pashchenko V. M. (2014). Generuvannya potokiv plazmi ta keruvannya yih energetichno-prostorovimi parametrami [Generation of plasma flows and control of their energetic and spatial parameters] Kyiv: GnozU [in Ukrainian].

Размещено на Allbest.ru