Электротехнология
Новиков И.Н., аспирант Национального исследовательского университета «МЭИ»
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ
С ВЧИ ПЛАЗМОТРОНОМ
В последние годы все больше растет интерес к процессам и технологиям, основанным на применении низкотемпературной плазмы. Особенно перспективны в этом направлении аппараты и конструкции, использующие высокочастотный нагрев газа. В электротермии такой способ нагрева используется в высокочастотных индукционных (ВЧИ) плазмотронах.
Ключевые слова: ВЧИ плазматрон, индуктор, сфероидизация.
THE INVESTIGATION OF POWER MODES INSTALLATION WITH HIGH-FREQUENCY INDUCTION PLASMATRON
The interest in the processes and technologies based on the use of low-temperature plasma has grown in recent years. Devices and structures using high-frequency heating of the gas are particular promising in this direction. At the electrothermy this method of heating is used in high-frequency induction plasmatrons.
Key words: HF induction plasmatron, inductor, spheroidizing.
Промышленное применение ВЧИ плазмотронов даёт возможность проводить обработку различных мелкодисперсных порошков с большой производительностью и является актуальным и многообещающим направлением в порошковой металлургии. Целью такого рода обработки может являться сфероидизация, фазовое преобразование, а также напыление частиц.
Данный вид нагрева имеет целый ряд преимуществ, в сравнении с дуговыми струйными плазмотронами, которые имеют схожий спектр применения. Отсутствие электродов позволяет получить высокочастотную плазму особо чистой не загрязнённой продуктами их разрушения, а невысокая скорость плазменной струи, в сравнении с дуговыми струйными плазмотронами, позволяет частицам дольше находиться в реакционной зоне плазменной струи. Помимо этого, дольше находиться в зоне обработки частицам позволяет больший объем плазменной струи. Время работы ВЧИ плазмотронов почти не ограничено, тогда как в дуговых плазмотронах большой мощности электроды быстро разрушаются и выходят из стоя, что влечет за собой простой оборудования.
Но реализация мощного ВЧ разряда - процесс гораздо более сложный, нежели осуществление разряда постоянного тока. На данный момент отсутствуют надежные методики определения рабочих характеристик, связанных с оценкой и регулированием тепловой мощности струи. Кроме того, источники питания (мощные генераторные триоды) сложнее, дороже и капризнее. В случае ВЧИ плазмотронов возникает и иная проблема -необходимость согласования разряда как нагрузки с ВЧ генератором, без чего последний не может эффективно работать[1].
В данной работе проводились исследования режимов работы мощного высокочастотного индукционного плазмотрона ВЧИ-500. В таблице 1 приведены характеристики установки, параметры разрядной камеры и индуктора.
Таблица 1
Характеристики установки ВЧИ-500
Установленная мощность, кВА 1000
Колебательная мощность, кВт 700
Рабочая частота, кГц 440
Напряжение на индукторе, кВ 10
Количество витков индуктора 2,5
Высота индуктора, мм 332
Внешний/внутренний диаметр индуктора, мм 220/180
Внутренний диаметр кварцевой разрядной камеры, мм 144
Для индукционной плазмы выбор частот определяется теми же особенностями, что и для нагрева цилиндра. Таким образом, глубина проникновения тока должна быть меньше трети диаметра плазменного столба. Рекомендуемые частоты в зависимости от диаметра плазменного факела приведены в [2] при нормальном давлении. Для диаметра факела 12 мм и больше подходит частота 0,44 МГц.
Поджиг плазмы осуществляется в несколько стадий. Подается напряжение на нака-лочный понижающий трансформатор, посредством чего энергия передается на катоды генераторных триодов. Далее после выхода накала на номинальный режим через индуктор пропускают ток высокой частоты 440 кГц, начинается генерация и непродолжительное время происходит прогрев генераторных триодов. Переменное магнитное поле этого тока внутри индуктора направлено вдоль его оси. Под действием переменного магнитного потока внутри индуктора индуцируется вихревое электрическое поле, чьи силовые линии являются замкнутыми.
В индуктор вставлена кварцевая разрядная камера, наполненная в момент зажигания разряда аргоном. Но ток, протекающий через индуктор, обычно бывает недостаточным для пробоя газа атмосферного давления. Он достаточен лишь для поддержания уже горящего разряда, поэтому зажигать разряд приходится другим способом. На короткое время внутрь разрядной камеры вводят вспомогательный вольфрамовый стержень. После этого напряжение на индукторе доводится до 7 кВ, аргон подается в разрядную камеру с расходом 100 м3/ч. Стержень разогревается индуцированными ВЧ токами Фуко, происходит термоэмиссия электронов и, таким образом, инициируется разряд. Через короткое время, порядка 20 секунд, возникает самоподдерживающийся стационарный безэлектродный индукционный разряд. После поджига разряда по двум каналам с большой тангенциальной составляющей скорости вдоль стенок внутренней поверхности разрядной камеры подается защитный газ - воздух с суммарным расходом 100 м3/ч с целью охлаждения кварцевой разрядной камеры, плазмообразующий аргон плавно заменяется на воздух с расходом 50 м3/ч, электрод при помощи пневмоцилиндра выводится из разрядной камеры. Плазмообразующий воздух, проходя через разряд, образует плазменную струю, которая является источником нагрева [3].
На установке ВЧИ-500 была проведена серия экспериментов по калориметрирова-нию с целью изучения энергетических режимов работы установки. Главными элементами системы питания установки являются два генераторных триода (лампы) ГУ-65А номинальной мощностью 500 кВт каждая. Лампы являются водоохлаждаемыми и, в то же время, основными источниками тепловых потерь. Помимо этого, установка имеет массу водоохлаждаемых узлов, но в данной серии экспериментов были учтены тепловые потери, отводимые водой с ламп, потери с кожуха разрядной области (сюда входит нижняя крышка, верхняя крышка и цилиндрическая медная часть), потери с индуктора. Кроме
того, для данной серии экспериментов был использован медный водоохлаждаемый зонд в виде трубки с внутренним диаметром 10 мм и толщиной стенки 1 мм. Расположен он был на 50 мм ниже разрядной камеры в зоне ввода обрабатываемых частиц таким образом, что проходил всю зону ввода частиц насквозь через центр.
Регулируемыми параметрами выступали входная мощность и расходы плазмообра-зующего и защитного воздуха. Данное исследование является очень важным при поиске оптимального режима обработки порошков. Некоторые результаты исследования представлены на рисунках 1, 2 и 3. При 60% от полной мощности (речь идет об угле открытия тиристоров) полная потребляемая из сети мощность достигала 724 кВА, а колебательная мощность 232 кВт, при 80% - 849 кВА и 368 кВт соответственно.
Критериями оптимальности на приведенных графиках являются минимум потерь излучением на корпус и максимум потерь на зонде, т.к. потери на зонде, по сути, качественно отражают ту мощность, которая будет идти на нагрев обрабатываемого порошка.
На основе приведенных зависимостей можно сделать следующие выводы:
1) При увеличении расходов всех газов существенно падает потребляемая мощность и, как следствие, потери на лампах. Это свидетельствует о соответствующем уменьшении проводимости разряда, что является следствием снижения температуры плазмоида. Значит, теплосъем в таком режиме избыточен и менее эффективен.
2) Исходя из предыдущего пункта, зависимость потерь на зонде от расходов газов получилась относительно парадоксальной. На 60 % мощности при больших расходах защитного газа на зонд село больше тепла, чем при меньших расходах. На мой взгляд, это объясняется увеличением интенсивности обдува зонда (происходит заметное изменение числа Рейнольдса). В то время как средние температуры в районе зонда могут мало отличаться при 100 м3/ч и 200 м3/ч защитного газа вследствие того, что на 60 % мощности даже при расходе 100 м3/ч газодинамика в разрядной камере не совсем стабильна и за счет разности давлений защитный газ засасывается в зону разряда в большом объеме, охлаждая таким образом зону разряда. Косвенно об этом может свидетельствовать график потерь излучением с корпуса при 60 % мощности. При малых значениях плазмообразующего газа потери излучением растут при любом расходе защитного газа. По моему мнению, причиной этому может служить некоторое увеличение плазмо-ида в объеме за счет привходящего защитного газа.
3) Ниспадающий характер кривой зависимости потребляемой мощности от расхода газа свидетельствует о том, что увеличение расхода газа ведет к изменению характеристик разряда. В частности, с увеличением расхода газа падает температура в зоне разряда, следовательно уменьшается проводимость разрядной области, что и приводит к уменьшению потребляемой мощности.
4) Графики при 80 % мощности дают более ясную и четкую картину. Совершенно очевидным становится вывод о том, что под все оптимальные критерии подходит режим при 50 м3/ч плазмообразующего газа и 100 м3/ч защитного газа. Здесь и максимум потерь на зонде, близкие к минимуму потери излучением на корпусе и минимум потерь на лампах.
Исследования показывают, что дальнейшее снижение расходов газов увеличивает риск перегрева кварцевой разрядной камеры, что может привести к межвитковому пробою индуктора (как показывает опыт, это может произойти через кварцевую камеру, т.к. после перегрева проводимость кварца резко увеличивается). Это может повлечь за собой не только замену кварцевой камеры, но и выход из строя некоторых элементов схем питания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992.
2. Источники питания высокочастотных электротермических установок: монография / А.С. Васильев, Г. Конрад, С.В. Дзлиев - Новосибирск: изд-во НГТУ, 2006.
3. Новиков И.Н., Кручинин А.М. Обработка мелкодисперсных порошков силиката циркония в струе высокочастотного индукционного плазмотрона. Письма в ЖТФ, 2014, том 40, вып. 20.
80% от полной мо]
102 Й01
ф
13 99
X
ф
¡Т98
м 97 5
10 0м3/ч
-■-15 0м3/ч
20 0м3/ч
Ри
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.