Генераторы плотной низкотемпературной плазмы — плазмотроны

Схемы плазмотронов различных типов.Принцип рабо­ты генераторов плотной низкотемпературной плазмы весь­ма прост. Холодный газ непрерывным потоком продувают через область, в которой горит стационарный разряд; газ нагревается, превращается в плазму, и из области разряда вытекает плазменная струя, чаще всего прямо в атмосферу (тогда и давление в плазме атмосферное). На практике применяются плазмотроны трех типов: ду­говые, высокочастотные и СВЧ.

В дуговых плазмотронах используется разряд постоян­ного тока или тока низкой, промышленной частоты. Прин­ципиальная схема дугового плазмотрона показана на рис. 3, а. Дуговые плазмотроны получили очень ши­рокое распространение. Они давно уже стали объектом инженерного дела. Существует много конструкций ду­говых плазмотронов; мощности их бывают самыми разно­образными, от сотен ватт до тысяч киловатт [1]. И, ко­нечно, мощные плазмотроны представляют собою машины большой сложности, где возникает множество чисто ин­женерных проблем: стабилизации, охлаждения, стойкос­ти материалов и др. Широко употребляется другая схема

Рис. 3. Принципиальные схемы дуговых плазмотронов, а) Кон­струкция, в которой струя вытекает через отверстие в аноде. 1 — подача холодного газа, 2 — разряд, 3 — плазменная струя, К — катод, А — анод, б) Конструкция, в которой анодом служит обра­батываемая деталь (разрезаемый лист металла). Обозначения те же.

плазмотрона, в котором анодом служит сам обрабатывае­мый материал (рис. 3, б). Такие конструкции применя­ют для резки, плазменно-дуговой плавки металлов.

Принципиальная схема высокочастотного плазмотро­на мало отличается от схемы организации статического индукционного разряда. Разряд горит в трубке, вставленной в катушку-индуктор; в трубку подается хо­лодный газ, а с другого ее конца вытекает плазменная струя. Это показано на рис.4. Витковый индуктор сделан из медной трубки, ох­лаждаемой водой. Он питается от "лампового генератора, который работает в диапазоне частот 6—18 МГц. По квар­цевой трубке длиной 35 см и диаметром 6 см продувается аргон или воздух под давлением чуть больше атмосфер­ного. При обычных расходах осевые скорости холодного газа имеют порядок 1 м/с. Температура плазмы на срезе трубки достигает 10000 К. Скорость плазменной струи превышает скорость холодного газа: в стационарном про­цессе расход плазмы равен расходу того количества

Рис. 4. Высокочастотный индукционный плазмотрон, прин­ципиальная схема. 1 — поток" 'холодного газа, 2 — разряд, 3 — плазменная струя, 4 —[индуктор, 5 — диэлектрическая трубка. Диаметр трубки 6 см; поток газа слева направо. Разряд в воздухе, р = 1 атм, расход 2-10³ см³/с. Мощность 27 кВт. Измеренная темпе­ратура на оси у среза трубки 9800 К.

холодного газа, которому суждено превратиться в плазму, но плотность горячего газа гораздо меньше, чем плот­ность холодного, так как давления у них одинаковы, следовательно, скорость плазмы больше.

В своем современном виде индукционная плазменная горелка, как ее иногда называют, была сконструирована Ридом в 1960 г. [18]. Одним из главных конструктивных моментов в ней является применение тангенциальной пода­чи газа. Дело в том, что в статическом режиме разрядная область очень близко подступает к стенкам трубки (см. § 3), и без принятия специальных мер трубки перегрева­ются и быстро выходят из строя. Простая осевая прокачка газа мало меняет это положение. При тангенциальной подаче газ вводится в трубку по касательной к ее внутрен­ней цилиндрической поверхности, он течет закрученным потоком, совершая винтовое движение. Под действием центробежных сил в районе оси давление получается по­ниженным и здесь образуется область завихрения. Осе­вое движение в центральной зоне, где горит разряд, получается слабым, и газ, протекая вдоль трубки по пери­ферии, отжимает разряд от стенок, тем самым предохра­няя их от разрушительного действия высоких температур. Тангенциальный способ подачи газа применяется во мно­гих плазмотронах, в том числе и в том, который пока­зан на фотографии. Сейчас действуют индукционные плазмотроны с мощностью в десятки и даже сотни киловатт.

В технологии обработки плазменная дуга формируется в плазмотронах, которые по принципу своей работы делятся на плазмотроны прямого и косвенного действия.

Принцип функционирования плазмотрона прямого действия. Энергетической характеристикой плазменной дуги будет мощность Р = I_ПДU_РАБ, равная произведению тока I_ПД дуги на рабочее напряжение U_РАБ. Температура дуги изме-няется в пределах Т = 5.10³–10⁵ К. Плазмообразующий газ из баллона через систему напуска подается в плазмотрон. Давле-ние плазмообразующего газа всегда выше атмосферного. Тип газа определяется видом технологической операции и материалом детали. Могут применяться газы активные (воздух, кислород, пары воды) и нейтральные (азот, аргон, гелий в чистом виде или с добавками - водород, углеводороды). После подачи газа в плазмотрон между электродом и деталью (деталь служит вторым электродом) зажигается дуговой разряд. Напряжение для зажигания и поддержания горения дугового разряда подается с блока питания и управления. Плазменная дуга замыкается на деталь через сопло плазмотрона. В плазмо-тронах прямого действия (дуга горит между электродом и деталью) обработка детали производится непосредственно плаз-менной дугой. Температура плазменной дуги технологичес-ких плазмотронов достигает нескольких десятков тысяч гра-дусов (заметим, что температура плазмы в специальных усло-виях может достигать миллиона градусов). Плазмотронами прямого действия проводят в основном технологические операции резки, сварки толстых материалов, реже наплавки, напыления и легирования. Схема плазмотрона прямого действия показана на рис. 5.

Электрод плазмотрона делается из тугоплавких мате-риалов. При использовании активных газов электрод делается из гафния или циркония, при использовании нейтральных газов в качестве материала электрода применяют вольфрам.

Принцип построения и функционирования ПУ косвенного действия. В плазменной установке косвенного действия принципиальное отличие имеет сам плазмотрон. В плазмотронах косвенного действия плазменная дуга горит внутри плазмотрона между электродом и соплом, которое изолировано от корпуса диэлектрической прокладкой. Из сопла выходит разогретый факел, представляющий собой поток возбужденных (сильно разогретых) атомов и (или) молекул.

Структурная схема ПУ с плазмотроном косвенного действия показана на рис. 6.

-

Температура факела на выходе сопла составляет порядка трех и более тысяч градусов и сильно уменьшается при удалении от сопла. Из сопла происходит частичное выдувание плаз-менной дуги - на рис. 6 она показана стрелкой.

Плазмотроны косвенного действия могут применяться для термообработки (закалки, отпуска) деталей, нанесения покры-тий, легирования и, при использованииспециальных фоку-сирующих устройств, для сварки тонких материалов. Плазмо-тронами косвенного действия можно обрабатывать также любые диэлектрические матариалы.

С удалением от сопла температура факела уменьшается по закону Т = Т_С(1/l), где l – расстояние от сопла до зоны нагрева. Поэтому энергетической характеристикой является температура и тепловая энергия .