Застосування плазмоутворювальних газових сумішей системи Х-О-С-Н для створення гібридних плазмових пристроїв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ

Застосування плазмоутворювальних газових сумішей системи Х-О-С-Н для створення гібридних плазмових пристроїв

Пащенко Валерій Миколайович

доктор технічних наук, доцент

професор кафедри зварювального виробництва

Анотація

газовий суміш генератор плазма

Розвиток технологій зварювання та споріднених процесів, (зокрема, нанесення покриття) потребує застосування все більш потужних джерел нагрівання із широким діапазоном регулювання абсолютних та питомих енергетичних характеристик. Кожне із можливих для застосування джерел енергії має, зазвичай, свій набір переваг і недоліків. Перспективним шляхом вдосконалення існуючих способів обробки матеріалів може бути комбінування кількох джерел теплової енергії, при якому нове інтегроване джерело тепла буде об'єднувати переваги окремих складових і нівелювати, певною мірою, недоліки кожної із них. Дослідження генераторів плазми на складних газових сумішах повітря із вуглеводневими газами (газова система К-О-С-И) виявили можливість формування плазмових потоків, параметри яких не є простою арифметичної сумою енергетичних параметрів горючого газу, що застосується, та електричної дуги при їх застосуванні окремо. Проведені порівняльні експериментальні дослідження енергетичних характеристик дугового генератора плазми при роботі на повітрі та суміші повітря з природним газом довели можливість його переведення без зміни конструкції у нову якість - категорію гібридних плазмових пристроїв при додаванні горючого компонента. Показаний взаємний вплив двох видів енергії у процесі формування потоку плазми. Встановлено, що додавання вуглеводневого компонента в плазмоутворювальну суміш змінює умови горіння електричної дуги із підвищенням інтегрального значення напруги на дузі і корисної потужності. При цьому енергія горючого газу практично без додаткових втрат в елементах конструкції генератора плазми виділяється в струмені плазми, зв'язуючи вторинний кисень і підтримуючи параметри потоку плазми.

Ключові слова: гібридні плазмові пристрої, дуговий генератор плазми, корисна потужність, питома енергія, горючий газ, плазмоутворювальна суміш повітря із вуглеводневим газом.

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

Application of plasma-generating gas mixtures of the N-O-C-H system for the creation of hybrid plasma devices

Abstract

The development of welding technologies and related processes (in particular, coating) requires the use of increasingly powerful heating sources with a wide range of regulation of absolute and specific energy characteristics. Each of the possible energy sources usually has its own set of advantages and disadvantages. A promising way to improve the existing methods of processing materials can be the combination of several sources of heat energy, in which case the new integrated heat source will combine the advantages of individual components and eliminate, to a certain extent, the disadvantages of each of them. Studies of plasma generators on complex gas mixtures of air with hydrocarbon gases (gas system N-O-C-H) have revealed the possibility of forming plasma flows, the parameters of which are not a simple arithmetic sum of the energy parameters of the combustible gas used and the electric arc when they are used separately. Conducted comparative experimental studies of the energy characteristics of the plasma arc generator when working in air and a mixture of air and natural gas proved the possibility of converting it without changing the design into a new quality - the category of hybrid plasma devices with the addition of a combustible component. The mutual influence of two types of energy in the process of plasma flow formation is shown. It was established that the addition of a hydrocarbon component to the plasma-forming mixture changes the burning conditions of the electric arc with an increase in the integral value of the voltage on the arc and the useful power. At the same time, the energy of the combustible gas is released into the plasma jet without additional losses in the design elements of the plasma generator, binding secondary oxygen and maintaining the parameters of the plasma flow. Key words: hybrid plasma devices, plasma arc generator, useful power, specific energy, combustible gas, plasma-forming mixture of air and hydrocarbon gas.

Keywords: hybrid plasma devices, plasma arc generator, useful power, specific energy, combustible gas, plasma-forming mixture of air and hydrocarbon gas.

Постановка проблеми

В сучасних технологіях інженерії поверхні широко використовуються дугові плазмові джерела енергії. Актуальною є задача створення генераторів плазми з широким діапазоном зміни потужності, бо саме потужність застосованого джерела енергії є головним фактором, що визначає продуктивність конкретної технології обробки матеріалу. А широкий діапазон зміни потужності одиничного пристрою розширює його технологічні можливості.

Потужність дугових генераторів плазми залежить від їх струмового навантаження і напруги на дузі. Таким чином саме зміною цих параметрів можна впливати на значення потужності пристрою. І якщо зміна струму здійснюється достатньо легко при використанні керованих джерел електроживлення, то значення напруги на дузі не є незалежним режимним параметром і визначається конструкцією генератора плазми, способом стабілізації довжини дуги, умовами горіння дуги та ін.

Кожний із згаданих шляхів керування потужністю генератора плазми має свої переваги і недоліки. Переваги простоти керування величиною потужності зміною струму дуги нівелюються зростанням теплового навантаження на електроди генератора плазми при збільшенні струму із наступною інтенсифікацією процесів ерозії електродів, ускладненням системи охолодження елементів конструкції, збільшенням встановленої потужності системи електроживлення. До того ж, вплив значення струму дуги на загальну потужність залежить від форми вольт-амперної характеристики (ВАХ) пристрою. Наприклад, у випадку спадної ВАХ збільшення струму призводить до зниження напруги на дузі і потужність зростає не пропорційно збільшенню струму. А якщо врахувати збільшення втрат в елементи конструкції і, як наслідок, можливе зниження коефіцієнта корисної дії (ККД), збільшення корисної потужності може бути несуттєвим .

Керування потужністю зміною значення напруги взагалі проблематичне через те, що напруга, як вже згадувалось вище, не є незалежним режимним параметром. В окремих випадках частково можна змінювати значення напруги на дузі шляхом зміни витрати плазмоутворювального газу, але при цьому погіршуються питомі енергетичні характеристики робочого тіла (потоку плазми). У більшості випадків напруга визначається конструкцією пристрою та формою його ВАХ.

Одним із можливих шляхів вирішення згаданих проблем при створенні плазмових джерел енергії є застосування додаткових каналів надходження енергії іншої природи, тобто перехід до гібридних плазмових пристроїв. За загально прийнятою термінологією гібридними пристроями у зварюванні та інженерії поверхні вважаються такі, що поєднують два або більше різнорідних (з точки зору фізичної природи) джерел енергії, внаслідок чого виникає новий технологічний ефект, який недосяжний у разі використання кожного джерела окремо і не є простою «арифметичною» сумою ефектів всіх застосованих джерел (має місце так званий синергетичний ефект) [1, 2].

На сьогодні створено і експлуатується цілий ряд гібридних плазмових пристроїв для зварювання, нанесення покриттів та обробки поверхневих шарів виробів. Найбільш відомі з них: лазерно-плазмові гібридні плазмотрони [3] та плазмово-детонаційні пристрої [4]. Характерною особливістю згаданих пристроїв є те, що в одній конструкції об'єднано два різних пристрої, кожний із яких реалізує свій принцип перетворення певного виду енергії в теплову енергію робочого тіла. Об'єднання двох різних пристроїв суттєво ускладнює конструкцію інтегрованого пристрою, зменшує його надійність і, в загальному випадку, не дозволяє реалізувати оптимальні параметри кожного компонентів.

Дослідження генераторів плазми на складних газових системах і, зокрема, на сумішах окиснювальних та горючих газів виявили можливість в межах однієї конструкції ефективно застосовувати плазмоутворювальні суміші з різним співвідношенням компонентів і впливати тим самим на параметри і властивості робочого тіла [5, 6].

Мета статті полягає в тому, щоб на основі результатів експериментальних досліджень довести можливість переходу генератора плазми на плазмоутворювальних сумішах із окиснювальним компонентом при додаванні горючого компонента у нову якість - категорію гібридних плазмових пристроїв із можливістю суттєвого розширення діапазону потужності та досягнення нового перерозподілу параметрів потоку плазми без зміни конструкції дугового генератора.

Виклад основного матеріалу

Методика експериментів. Дослідження проводились на двохелектродних плазмотронах та на плазмотронах з міжелектродною вставкою із аксіально-тангенціальним подаванням плазмоутворювальної газової суміші [5].

Використовувались суміші повітря із вуглеводневими газами: метаном або пропан-бутаном. Вміст вуглеводнів у вихідній суміші змінювався від чистого повітря (коефіцієнт витрати окиснювача а = да) до «багатих» сумішей із а = (0,3...0,4). Газова суміш готувалась попередньо і подавалась у генератор плазми вже з відомим співвідношенням компонентів.

Електричні параметри пристрою (напруга на дузі та струм дуги) вимірювались відповідними електронними та стрілочними приладами.

Втрати в елементи конструкції генератора плазми визначались шляхом вимірювання витрати охолоджувальної рідини та її температури на вході та виході контурів охолодження відповідних вузлів. Температура вимірювалась за допомогою ХК-термопар із періодичним контролем значень температури ртутними лабораторними термометрами.

Вплив співвідношення між електричною енергією і енергією, яка вноситься горючим газом, на вході генератора плазми на складові енергії потоку плазми на виході, досліджувався на спеціальному пристрої у вигляді калориметра, що герметично і жорстко зв'язаний із генератором плазми в єдину конструкцію [6].

Результати досліджень та їх обговорення

За базовий варіант генератора плазми було прийнято двохелектродний плазмотрон типу ПГ-1 [6]. Плазмотрон використовує термохімічний катод типу ОБ 1542 і здатний працювати на сумішах, що містять кисень та азот. Катод розрахований на номінальний струм 200 А (максимальний до 250 А).

Автогазодинамічна фіксація середньої довжини дуги та вихрова стабілізація дуги в об'ємі дугового каналу визначають вид вольт-амперної характеристики пристрою: це пологоспадна залежність напруги від струму дуги. Коефіцієнт корисної дії теж поступово зменшується зі зростанням струму дуги, хоча це зменшення не виходить за межі (7.8) % від максимального значення для кожного із режимів роботи (рис. 1, а).

Аналізуючи представлені залежності, можна констатувати, що плазмотрон за рахунок зміни режимних параметрів дозволяє в певних межах змінювати корисну потужність пристрою. Найбільше зафіксоване значення корисної потужності (23 кВт) досягається на максимально допустимому струмі дуги і максимально можливій витраті плазмоутворювального повітря (за умови невиходу опорної плями дуги за межі дугового каналу).

Рис. 1. Енергетичні характеристики плазмотрона на плазмоутворювальному повітрі: а - ВАХ (1, 2, 3) та залежності ККД від струму дуги (4, 5, 6): 1, 4 - витрата плазмоутворювального повітря 3,4 м3/год.; 2, 5 - витрата 2,6 м3/год.; 3, 6 - витрата 1,9 м3/год.; б - залежності питомої енергії є (1, 2, 3) та корисної потужності Рк (4, 5, 6) від струму дуги І: 3, 6 - витрата плазмоутворювального повітря 3,4 м3/год.; 2, 5 - витрата 2,6 м3/год.; 1, 4 - витрата 1,9 м3/год.

Подальше збільшення потужності за рахунок збільшення струму дуги обмежене технічними можливостями термохімічного катода (залежно від типу застосованого електрода 250 А або 350 А). Корисна потужність на номінальному струмі (200 А) для катода ОБ 1542 не перевищує 15,5 кВт (рис.1, б).

Особливо слід звернути увагу на зміну питомої енергії є зі зміною режимних параметрів (рис.1, б). Питома енергія, яка характеризує спроможність потоку плазми ефективно обробляти матеріал, суттєво залежить від витрати плазмоутворювального повітря. Підвищення витрати плазмоутворювального повітря покращує особисті енергетичні параметри генератора плазми: зростає ККД, підвищується напруга на дузі а, відповідно, і корисна потужність пристрою. Але при цьому знижуються питомі енергетичні характеристики плазмового потоку, який є робочим тілом в технологіях інженерії поверхні і зварювання. При зниженні, наприклад, значень є до рівня (3...4) кВт-год. / м3 практично неможливе ефективне нанесення газотермічних покриттів та модифікація структури поверхні виробів. Тому перспективність підвищення інтегральних енергетичних параметрів генераторів плазми шляхом збільшення витрати плазмоутворювального повітря викликає певні застереження.

Для вирішення проблеми керування енергетичними параметрами генератора плазми в процесі його експлуатації шляхом зміни режимних параметрів доцільною може бути оперативна зміна складу плазмоутворювального газу. Особливо цікавим є застосування додаткових горючих компонентів. Додавання горючого газу у вихідну плазмоутворювальну суміш дозволяє без зміни незалежного режимного електричного параметру (струму дуги) вносити в потік плазми, що формується, певну кількість додаткової енергії у вигляді теплової енергії продуктів згоряння горючого компонента. При цьому загальна витрата суміші може не змінюватись, що дозволить зберегти і навіть підвищити значення питомої енергії. Теплову потужність, яка може бути додана з горючим компонентом плазмоутворювальної суміші, можна оцінити за формулою: Рвг= а Qвг, де Рвг - потужність, що вноситься в струмінь плазми з вуглеводневим газом, кВт; а - нижча робоча теплотворна здатність вуглеводневого газу, кВт-год. / м3; Qвг - витрата вуглеводневого компонента плазмоутворювальної суміші, м3 / год. Кожний кубічний метр природного газу додає (9...10) кВт потужності, пропану - (25.26) кВт, бутану - (32.33) кВт.

На рис 2. наведені енергетичні характеристики плазмотрона ПГ-1 при переході на суміш повітря з природним газом. При цьому значення витрати плазмоутворювальної суміші наближені до попередніх варіантів при роботі на повітрі. Не змінився і діапазон зміни струму дуги. Режимним параметром, який змінився, був тільки склад плазмоутворювальної суміші.

Рис. 2. Енергетичні характеристики плазмотрона на суміші повітря з природним газом: а - ВАХ (1, 2, 3) та залежності ККД від струму дуги (4, 5, 6): 1, 4 - витрата плазмоутворювальної суміші 3,93 м3/год., а = 1; 2, 5 - витрата 2,46 м3/год., а = 0,73; 3, 6 - витрата 1,9 м3/год., а = 1,13; б - залежності корисної потужності Рк (1, 2, 3) та питомої енергії є (4, 5, 6) від струму дуги 1: 1, 4 - витрата плазмоутворювального повітря 3,93 м3/год.; 2, 5 - витрата 2,46 м3/год.; 3, 6 - витрата 1,9 м3/год.

Як видно із наведених графіків, характер вольт-амперної характеристики пристрою залишився пологоспадним. Коефіцієнт корисної дії теж поступово зменшується зі зростанням струму дуги. Але рівень напруги на дузі та корисної потужності суттєво зростають при переході на суміш (рис. 3). Причому цей перехід відбувається вже при вмісті (2...5) % горючого компонента в загальному об'ємі суміші. Подальше збільшення вмісту вуглеводню робить зростання напруги та потужності ще більш суттєвим.

Рис. 3. Залежності напруги на дузі, корисної потужності та питомої енергії від вмісту вуглеводневого компонента (витрата плазмоутворювальної суміші 2,46м3/год., струм дуги 200 А)

При роботі на повітрі на вказаних вище режимних параметрах (струм дуги 200 А і витрата плазмоутворювального повітря 2,46 м3/год.) корисна потужність генератора плазми з урахуванням ККД складає 13,5 кВт. Потужність, яка вноситься із природним газом при переході на суміш, становить 5,5 кВт. Таким чином, загальна потужність пристрою при використанні обох видів енергії мала б становити 19 кВт. Експериментальні дослідження генератора плазми на суміші повітря з вуглеводнями дають дещо інші результати: сумарна потужність пристрою при ідентичних інших режимних параметрах роботи становить 24,1 кВт.

Підвищення електричної потужності пристрою при переході на суміш повітря з природним газом можна пояснити зміною умов горіння дуги при зміні складу плазмоутворювальної суміші, внаслідок перебудови електропровідної області потоку газу.

Результати математичного моделювання плазмового струменя при роботі на повітрі та суміші повітря з природним газом ((94.98) % метану) дозволяють припустити, що така зміна умов горіння дуги є наслідком переходу «азотної» дуги у випадку роботи на повітрі, у «водневу» при переході на суміш. Перехід може бути результатом термодифузійного перерозподілу компонентів плазмоутворювальної суміші у дуговому каналі. Більш легкий компонент (водень), який з'являється при дисоціації вуглеводнів, дифундує до осьової області дуги, а у пристінному шарі на периферії потоку газу виникає надлишок більш важких компонентів - азоту та кисню [5].

У свою чергу, тепло, яке виділяється при горінні електричної дуги, впливає на процеси передавання та розподіл енергії горючого газу в межах конструкції генератора плазми та у потоці плазми. Експериментальні дослідження свідчать, що енергія, яка може бути виділена при згорянні вуглеводневого газу при наявності окиснювача, практично з мінімальними втратами проходить через генератор плазми. На рис. 4 схематично показаний процес перетворення вхідних потоків енергії у теплову енергію плазмового струменя та втрати в елементи конструкції у генераторі плазми на сумішах повітря із вуглеводневими газами.

Рис. 4. Схема надходження та перетворення потоків енергії у генераторі плазми на сумішах повітря з вуглеводнями

При цьому відбувається достатньо повна дисоціація молекул вуглеводню в умовах високих температур електричної дуги. Енергія горючого газу виділяється вже в об'ємі струменя плазми при взаємодії із киснем, який був у складі плазмоутворювальної суміші та вторинним киснем із навколишнього середовища. Причому зони і стадії горіння, які характерні для полум'я вуглеводневих газів у високотемпературному газовому потоці гібридного плазмового пристрою відсутні [5].

Висновки

дугові генератори на плазмоутворювальних сумішах повітря з вуглеводневими газами відповідають всім ознакам гібридних пристроїв, а технології обробки матеріалів з їх застосуванням можуть бути віднесені до класу гібридних технологій;

додавання вуглеводневого компонента у плазмоутворювальну суміш змінює умови горіння електричної дуги навіть при вмісті вуглеводню не більше (2...5) %. При цьому рівень внесеної енергії горючого газу (за умови такого вмісту горючого компоненту) практично не впливає на загальний енергетичний баланс, а підвищення корисної потужності відбувається тільки за рахунок підвищення напруги на дузі;

підвищення вмісту вуглеводневого газу в суміші призводить до зростання корисної потужності за рахунок зростання напруги на дузі і одночасного додавання додаткової енергії горючого газу, яка пропорційна його витраті;

керування енергетичними параметрами генератора плазми за рахунок зміни складу плазмоутворювальної суміші є ефективним інструментом керування технологічними параметрами процесу в технологіях інженерії поверхні через збереження і навіть деяке підвищення ККД пристрою і, як наслідок, значне розширення діапазону зміни питомих енергетичних характеристик потоку плазми.

Література

1. Литвинов А.П. Направления развития комбинированных и гибридных технологий сварки и наплавки. Автоматическая сварка. 2009. № 1. С 48-52.

2. Папуша, А.Г. Гибридные технологии сварки, особенности и преимущества Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2015. Т. 1. С. 269-271.

3. Кривцун И.В., Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю. и др. Гибридная лазерноплазменная сварка алюминиевых сплавов. Автоматическая сварка. 2007. № 5. С. 49-53.

4. Тюрин, Ю.Н., Жадкевич М.Л. Плазменные упрочняющие покрытия: монография. Киев: Наукова думка, 2008. 216 с.

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

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

References

1. Litvinov A.P. (2009) Napravleniya razvitiya kombinirovannyh i gibridnyh tehnologij svarki i naplavki [Directions for the development of combined and hybrid welding and surfacing technologies]. Avtomaticheskaya svarka - Automatic welding, 1, 48-52 [in Ukrainian].

2. Papusha, A.G. (2015) Gibridnye tehnologii svarki, osobennosti i preimushestva [Hybrid welding technologies, features and benefits]. Aktual'nye problemy aviacii i kosmonavtiki - Actualproblems of aviation and astronautics, 1, 269-271 [in Russian].

3. Krivcun I.V. Shelyagin V.D., Haskin V.Yu., Shulym V.F., Ternovoj E.G. (2007) Gibridnaya lazerno-plazmennaya svarka alyuminievyh splavov [Hybrid laser-plasma welding of aluminum alloys]. Avtomaticheskaya svarka - Automatic welding, 5, 49-53 [in Ukrainian].

4. Tyurin, Yu.N., Zhadkevich M.L. (2008) Plazmennye uprochnyayushie pokrytiya [Plasma hardening coatings]. Kiev: Naukova dumka [in Ukrainian].

5. 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: Gnozis [in Ukrainian].

6. Pashchenko V.M. (2018). Dugovi generatori v tehnologiyah inzheneriyi poverhni [Arc generators in surface engineering technologies]. Harkiv: Machulin [in Ukrainian].

Размещено на Allbest.ru