Электродуговой плазмотрон

tify">Основные преимущества плазмотронов типа "Звезда": однородность распределения температур и давлений в выходном сечении сопла; симметричность загрузки трехфазной сети; модульность конструкции.

В процессе создания и отработки плазмотронов были решены многие фундаментальные физические задачи, связанные с обеспечением устойчивости работы плазмотронов в широком диапазоне выходных параметров.

Так, было изучено явление вращения приэлектродного участка дуги (ножки дуги) под действием магнитного поля катушки. 
Исследовалась газодинамическая структура потока как внутри камеры смешения, так и за срезом сопла. Показано, что при движении в соседних электродах потоков воздуха, вращающихся в противоположных направлениях, суммарное движение в камере смешения формируется в виде парных вихрей и является устойчивым.

При организации устойчивого течения в камере смешения формируется устойчивое течение в факеле струи. При этом наблюдается в процессе эксперимента четкая система скачков уплотнения, не меняющая своей формы и размеров во времени. 
В настоящее время в мире наметилась тенденция использования плазмотронов для переработки промышленных, бытовых и медицинских отходов. Благодаря высокой температуре, которую обеспечивают плазмотроны, можно значительно улучшить глубину переработки отходов и снизить количество вредных выбросов. Применение плазмотронов "Звезда" для этих целей является весьма перспективным. В Центре Келдыша проводятся работы в этом направлении и создан прототип соответствующей установки для переработки отходов.

Кроме того, плазмотроны находят применение и при решении иных задач. Так, в Центре Келдыша разработаны новые высокоэффективные технологии: плазменно-кластерная технология нанесения прочных термостойких и химически стойких покрытий на основе тугоплавких металлов; технология получения базальтового штапельного волокна для изготовления высококачественной базальтовой ваты. 
 
 

3.Типы  плазмотронов и  их особенности  как инструмента 

    современной технологии.

 Замечательными особенностями плазмотрона как инструмента современной технологии являются:

• Получение сверхвысоких температур (до 150000 °C, в среднем получают 10000-30000 °C), не достижимых при сжигании химических топлив.
• Компактность и надежность.
• Легкое регулирование мощности, легкий пуск и остановка рабочего режима плазмотрона.

Типы применяемых плазмотронов

Электродуговые:

• С прямой дугой.
• С косвенной дугой.
• С электролитическим электродом (электродами).
• С вращающейся дугой.
• С вращающимися электродами.

Высокочастотные:

• Индукционные (нагрев движущихся металлических паров).
• Электростатические.

Комбинированные:

Работают  при совместном действии токов высоких частот ( ТВЧ ) и при горении дугового разряда, в том числе с сжатием разряда магнитным полем.

• Для производства плазменной и микроплазменной сварки в настоящее время применяются следующие установки: УПС-501, УПС-804 и УПС-301 для плазменной сварки и установка А-1342 для микроплазменной сварки

4.Области использования плазмотронов.

• сварка и резка металлов и тугоплавких материалов
• нанесение ионно-плазменных защитных покрытий на различные материалы (см. Плазменное напыление)
• нанесение керамических термобарьерных, электроизоляционных покрытий на металлы (см. Плазменное напыление)
• подогрев металла в ковшах при мартеновском производстве
• получение нанодисперсных порошков металлов и их соединений для металлургии
• двигатели космических аппаратов
• термическое обезвреживание высокотоксичных органических отходов
• Синтез химических соединений (например синтез оксидов азота и др., см. Плазмохимия)
• Накачка мощных газовых лазеров.
• Плазменная проходка крепких горных пород.
• Безмазутная растопка пылеугольных котлов электростанций.
• Расплавление и рафинирование (очистка) металлов при плазменно-дуговом переплаве.

Особенности применяемых материалов в конструкции

Плазменная  горелка дугового плазмотрона имеет  по меньшей мере один анод и один катод, к которым подключают источник высокого напряжения.

Высокочастотные плазмотроны являются безэлектродными. В качестве рабочего тела используют воздух, кислород, пары воды, аргон, азот и другие газы. Для охлаждения используют каналы, омываемые обычно водой.

 
 

В электродуговом плазмотроне газ, нагреваемый в  разряде постоянного тока в цилиндрическом канале, истекает через сопло, образуя  высокоскоростную струю с температурой в ядре потока до 40000ºС, что намного  выше, чем в методах активации  газа с помощью СВЧ плазмы или горячей нити. Вследствие высокой степени разложения газа-реагента, высокой концентрации атомарного водорода скорости осаждения алмаза достигают больших величин. Впервые дуговой плазмотрон был использован для синтеза алмаза Курихарой в 1988 г.  Были достигнуты скорость роста более 900 мкм/час и коэффициент конверсии углерода из метана в алмаз около 8%, однако, лишь на подложках небольшой площади (несколько кв. мм) . Тем не менее, среди всех прочих методов синтеза именно в дуговом плазмотроне впервые были получены толстые алмазные пластины. В качестве плазмообразующего газа используется аргон, к которому подмешивается метан и водород. Вместо метана можно использовать пары спирта . Увеличение площади осаждения и снижение себестоимости процесса синтеза лежит на пути повышения мощности установок. В Пекинском научно-технический университете для роста алмазных пластин используется плазмотрон мощностью 100 кВт . Плазмотрон мощностью 500 кВт создан в Питтсбурге специалистами научно-технологического центра корпорации «Вестингхаус электрик», США. В обоих реакторах предусмотрено, что рабочий газ не выбрасывается из камеры, а направляется повторно в неё для максимально полного использования реагентов. В 90-х годах фирма «Нортон» (США) на основе дуговых плазмотронов освоила промышленное производство алмазных дисков диаметром до 175 мм .

В плазмогенераторе в стандартной конфигурации с  межэлектродными вставками  при  мощности, вкладываемой в разряд 3-8 кВт, давлении 50-100 Торр и расходе  газа 30 л/мин получены скорости осаждения до 25 мкм/час на площади до 10 см². Интересный метод увеличения площади осаждения при относительно небольшой мощности, основанный на идее внешнего расширения плазменной струи после выхода из сопла плазмотрона посредством организации дополнительного разряда ниже по направлению (рис. 13) применен в работе .

Разряд поддерживался  между дополнительным кольцевым  электродом (анодом), сквозь который  проходила плазменная струя и  собственно струёй (катодом). Ниже кольца узкий высокотемпературный плазменный керн расширялся в несколько раз. Дополнительная мощность, вложенная во вторичный разряд, составляла 2,5 кВт. При линейной скорости осаждения 40 мкм/час на площади 12 см² удельная (на единицу мощности) осаждения достигала 16 мг/час·кВт, что сравнимо с эффективностью для 100 кВт системы.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Образцы различных типов плазматронов.

       Высокопроизводительная  установка высокоскоростного  газопламенного напыления, работающая на смеси горючих газов, позволяет быстро и качественно защищать крупногабаритные детали, аппараты и емкости от коррозии и износа. Назначение комплекса высокоскоростного напыления ТСЗП-HVAF-AK07: Нанесение износостойких, коррозионно-стойких, уплотнительных покрытий методомвысокоскоростного напыления.

Комплекс  оборудования для  высокоскоростного  напыления ТСЗП-HVOF-K2. Одна из лучших универсальных установок высокоскоростного газопламенного напыления в мире. Скорость потока на выходе из сопла установки составляет 7-9 скоростей звука. Благодаря возможности получения повторяемых, малопористых покрытий с высокой адгезией, сверхзвуковая установка напыления широко используется для решения задач оптимизации производства, замены гальваническогохромирования, никелирования, детонационного, вакуумного и ионно-плазменного напыления. Модульный дизайн и простота компоновки позволяют быстро изучить и эффективно использовать эту жидкотопливную установку HVOF. Все программное обеспечение и документация русифицированы. В России успешно работает более 10 установок, в остальном мире - более 50.

Назначение комплекса  оборудования для высокоскоростного напыления ТСЗП-HVOF-K2: Нанесение износостойких, коррозионно-стойких, уплотнительных покрытий изкарбидов вольфрама и хрома, металлов и сплавов, наноструктурированных материалов методом высокоскоростного газопламенного напыления. Используется в авиации для напыления деталей шасси, планерной части, вавтомобильной промышленности для деталей двигателя и трансмиссии, вметаллургии для защиты от износа кристаллизаторов и транспортирующих роликов рольгангов, в полиграфии и деревообработке для хромирования каландровых и анилоксовых валов, в нефтегазовой промышленности для защиты от запорной арматуры.

Установка плазменного напыления  ТСЗП-MF-P-1000, система управления, плазмотроны. Комплекс плазменного напыления ТСЗП - МF – P –1000 для нанесения покрытий плазменным методом (APS-метод).Установка широко используется в авиационном и энергетическом машиностроении для создания керамических функциональных покрытий. Назначение комплекса: Нанесение износостойких, коррозионно-стойких, теплозащитных, уплотнительных покрытий методом плазменного напыления.

Комплекс  оборудования для  высокоскоростного  напыления ТСЗП-GLC-720. Новая разработка, созданная специально для образовательных учреждений, небольших цехов и мобильных бригад. Установка может быть перевезена в обычном джипе или пикапе и подключена и настроена в течение нескольких часов. Установка может также служить базой для подключения дополнительных устройств – установок проволочного, порошкового, шнурового газопламенного напыления. Назначение комплекса высокоскоростного напыления ТСЗП-GLC-720: Мобильный комплекс для нанесения износостойких, коррозионно-стойких, теплозащитных, уплотнительных покрытий методом высокоскоростного напыления.

Комплекс  оборудование плазменной порошковой наплавки форм, клапанов ТСЗП-PTA-4. Оборудование для плазменно-порошковой наплавки. Одним из основных методов повышения надежности и ресурса стеклоформ, клапанов, запорной арматуры является плазменная наплавка (Plasma transfer Arc, PTA). По сравнению с другими способами плазменно-порошковая наплавка позволяет существенно повысить и стабилизировать качество наплавляемых деталей, увеличить производительность и улучшить условия труда, сократить расход наплавочных материалов и затраты на механическую обработку наплавленных деталей. Как показывает производственный опыт, брак при плазменной наплавке не превышает 1%, а его появление напрямую связано с

нарушениями технологического процесса.

Комплект  оборудования электродуговой металлизации ТСЗП-LD/U2 300

      Назначение  комплекта оборудования электродуговой металлизации ТСЗП-LD/U2 300: Нанесение антикоррозионных металлических покрытий на большие площади, например, металлоконструкции, мосты, емкости, аппараты, дымовые трубы, выхлопные шахты ГПА. С его помощью возможно алитирование и цинкование металлоконструкций после их монтажа. Отличается высокой надежностью, производительностью, легкостью настройки и обучения. Широко используется российскими и зарубежными мостостроителями для защиты сооружений от атмосферной и водной коррозии.