Министерство образования и науки Украины
Донбасский государственный технический университетКафедра радиофизики
КУРСОВАЯРАБОТАпо дисциплине: «Проектирование иэксплуатация плазменного технологического оборудования»на тему: «Расчёт плазмотрона и определение егохарактеристик»
Вариант № 6Выполниластуденткагруппы РФ-05С. В.МочнёваПроверилканд. техн. наук, доцентС.Н. СергиенкоАлчевск
2008
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка ккурсовой работе: 31 с., 5 рис., 7 источников.
Объект исследования –электродуговой плазмотрон постоянного тока косвенного действия.
Цель работы – расчетплазмотрона и определение его основных характеристик.
Метод исследования –теоретические расчеты электродугового плазмотрона, его вольт-амперных и тепловыххарактеристик.
В ходе выполнениякурсовой работы разработана расчетная схема плазмотрона, выполнен расчетосновных геометрических параметров плазмотрона, исследовано изменение ресурсаработы катода плазмотрона при условии замены цилиндрического полого катода настержневой, определены вольт-амперные и тепловые характеристики, выбранисточник питания.
В результате расчетовполучены следующие параметры: сила тока — 124 A, напряжение на дуге — 173 B, КПД – 0,552, мощность – 21,45 кВт, ресурс работы катода ианода составляет 250 часов.
Данный плазмотрон можноприменять в следующих технологических процессах: напыление, модификацияповерхности материалов, упрочнения поверхностей, закалка поверхностей.
ПЛАЗМОТРОН, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯДУГА, РАЗРЯДНЫЙ КАНАЛ, ПОЛЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ КАТОД, ГЛАДКИЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ АНОД,РЕСУРС РАБОТЫ, ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ.
СОДЕРЖАНИЕВведение1 Составление расчётнойсхемы плазмотрона2 Расчёт плазмотрона
2.1 Расчёт рабочих параметров и геометрических размеровплазмотрона
2.2 Расчёт системы охлаждения
2.2.1 Расчёт охлаждения катода
2.2.2 Расчёт охлаждения анода
2.3 Расчёт ресурса работы плазмотрона
2.3.1 Расчёт ресурса работы электродов
3 Определение характеристик плазмотрона
4 Выбор источника питания плазмотрона
5 Технологическое применение плазмотрона
6 Научно-исследовательская работа студентаВыводы
Перечень ссылок
ВВЕДЕНИЕ
Методы примененияпотока ионизированной плазмы в качестве источника энергии при сварке началивнедряться еще в 50-х годах прошлого столетия, но только в последнее времянашли свое широкое применение. Процесс основан на ионизации плазменного газа спомощью электрической дуги и его фокусировании с помощью специальнойконструкции наконечника плазмотрона.
Одной из наиболееперспективных обработок является плазменная технология, интенсивноразрабатываемая как в нашей стране, так и за рубежом. Использованиенизкотемпературной плазмы эффективно не только для переплава металлов исплавов; напыления износостойких, жаропрочных и коррозионностойких покрытийрезки и сварки различных материалов, но и для поверхностного упрочненияразличных изделий. Плазменные процессы охватывают как многотоннажноепроизводство, так и производство небольших количеств специальных веществ иматериалов, применяемых в новой технике [1].
Применениенизкотемпературной плазмы в промышленности позволит значительноинтенсифицировать существующие технологические процессы, создать совершенноновые аппараты и технологию производства. Такие свойства низкотемпературнойплазмы, как высокая температура и концентрация энергии в малом объёме,открывает возможность использовать её в металлургических процессах. Применениеплазмы позволяет значительно ослабить проблему создания специальных огнеупоров,повысит чистоту получаемого продукта [1,2]. К плазматронам предъявляютсяследующие требования:
— большой ресурс работыэлектродов;
— надежность иустойчивость электродуговой установки;
— большой диапазониспользуемых мощностей;
— возможность нагревалюбых технологически необходимых газов
— высокаяэнергетическая эффективность;
— стабильностьпараметров плазменного потока;
— большая длительностьнепрерывной работы;
— простотаобслуживания.
Целью данной работыявляется расчёт основных геометрических, электрических и тепловых показателейплазмотрона косвенного действия. В научно-исследовательской работе студента(НИРС) необходимо исследовать изменение ресурса работы катода плазмотрона приусловии замены цилиндрического полого на стержневой.
Плазмотрон косвенногодействия широко применяется для напыления, закалки, поверхностного упрочнениядеталей обработки поверхности строительных материалов.[3].
1 СОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫПЛАЗМОТРОНА
Вданной работе предполагается рассчитать плазмотрон косвенного действия, рабочийгаз – воздух, начальная температура воздуха />, конечная – />. Расход воздуха /> кг/с. Давлениерабочего газа на выходе из плазмотрона />.
Ресурсработы плазмотрона должен составлять не менее 250 часов.
Схемарассчитываемого плазмотрона представлена на рисунке 1.1.
Даннаясхема содержит цилиндрический полый катод (1) и цилиндрический гладкий анод(2). Электроды выполнены из меди. В плазмотроне используется газо-вихреваястабилизация дуги. Вдув рабочего газа осуществляется через отверстия (3)
Длярасчета плазмотрона необходимо определить следующие параметры: рабочие значениятока I и напряжение дуги U, тепловой коэффициент полезного действия h, диаметр отверстий дляподачи рабочего газа, геометрические размеры разрядного канала и катода lк, dк (см.рис 1.1), обеспечивающие необходимый ресурс работы, расход воды на охлаждениеузлов плазмотрона.
/>
1 — катод; 2 — подачагаза; 3 – анод.
Рисунок 1.1 – Схемаплазмотрона
2 РАСЧЕТ ПЛАЗМОТРОНА
2.1 Расчет рабочих параметров и геометрическихразмеров плазмотрона
Для расчета размеров плазмотрона зададимся следующими константами [4]:
-скорость звука в воздухе при 4200 К />;
-плотность воздуха при 4200 К />;
-расход воздуха />;
-давление воздуха на выходе из плазмотрона />.
Длярасчета электрических и тепловых характеристик плазмотрона будем использоватьследующую систему уравнений:
— вольт-ампернойхарактеристики:
/>;(2.1)
- тепловогоКПД плазмотрона:
/>;(2.2)
- мощности,вкладываемой в дугу:
/>; (2.3)
- энергииистекающей струи:
/> (2.4)
Представленнаясистема уравнений не замкнута, поэтому необходимо ввести ещё два условия,устанавливающие взаимосвязь между искомыми параметрами. Одно из них вытекающееиз опыта работы с электродуговыми нагревателями воздуха, определяет, что притемпературе истекающей струи Т=(3000-4000)К и давлении р=105 Н/м2, относительнаядлина выходного электрода принимается равной />. Второе условие определяетотсутствие теплового запирания в канале цилиндрического электрода. С этой цельювнутренний диаметр электрода выбирается на 10-30% больше критического. В нашемрасчете примем d=1.3dкр.
Тогда мы можем рассчитать диаметр разрядного канала плазмотрона последующей формуле [1]:
/>, (2.5)
подставив исходные значения, получим:
/>
Решаяполученную систему уравнений с помощью MathCAD, получим:
/> /> /> /> />
Given
/>
/>
/>
/>
Такимобразом, получили следующие характеристики: напряжение дуги – 173 В, сила тока– 124 А, тепловой КПД – 55,2%. Мощность рассчитанного плазмотрона составляет21,45 кВт.
Рассчитаемдиаметр отверстий, через которые воздух подается в вихревую камеру. Дляэффективной стабилизации дугового разряда на оси канала газовым вихрем иснижения эрозии материала катода, вызванной воздействием пятна дуги, необходимообеспечить скорость газа на выходе из кольца закрутки в пределах 150-200 м/с.Принимаем скорость воздуха на выходе /> (м/с), плотность воздуха принормальных условиях /> (кг/м3). Так как осуществляетсяраспределенный вдув газа через 4 кольца закрутки, то для расчета диаметраотверстий берем расход газа равным G/4 [1].
/> (2.6)
где n – количествоотверстий в одном кольце закрутки, равное четырем.
Подставив численныезначения, получим:
/>.
2.2 Расчет системы охлаждения
2.2.1 Расчёт охлаждения катода
Полный тепловой поток ввыходной электрод (катод) равен [1]:
/>(2.7)
Плотность теплового потока в стенкуэлектрода рассчитывается по формуле:
/>(2.8)
Найдём температурунасыщения /> при давлении />
/>(2.9)
Для дальнейшего расчёта нам необходимопринять температуру охлаждаемой стенки электрода равной температуре кипенияводы /> при давлении /> Па, />, и определяем по формуле максимально д пустимыйперепад температуры на стенке медного электрода:
/>(2.10)
где /> -температура плавления меди (1083 0С).
После этого рассчитываем максимальнодопустимую толщину стенки электрода при которой достигается этот перепад [1]:
/>(2.11)
Из расчета видно, что в случае медных электродов толщина стенки может бытьочень большой. На практике толщина медной стенки выбирается гораздо меньшей.Поскольку при меньших толщинах стенки опасности перегрева рабочей поверхностиэлектрода не существует, то толщину стенки можно выбирать не из тепловых, а изиных соображений, например, прочностных, ресурсных и прочих.
Поэтому толщину стенки выбираем меньшекритической (0.098 м), соответственно равную 10 мм, что вполне обеспечивает ипрочность стенки даже при значительном больших давлениях, и ресурс непрерывнойработы.
Температурный перепад на ней равен:
/> (2.12)
Приняв начальную температуру охлаждающей воды />, а перепад температур в рубашкеохлаждения выходного элнктрода />, определяем секундный расходводы, необходимый для охлаждения электрода:
/>(2.13)
Определим среднее значение охлаждающей температуры воды:
/>(2.14)
Найдём недогрев воды до температурыкипения при давлении />Па, он равен:
/>(2.15)
Дальнейший расчёт необходимо вести, исходяиз максимальной плотности теплового потока на охлаждаемой водой поверхностиэлектрода:
/>(2.16)
где /> - внешний диаметр выходногоэлектрода, равный 0,026 м.
Коэффициент надёжности охлаждения принимаемравным Кохл = 13. Выбор такого значения, как будет видно из дальнейшего расчёта,связан с необходимостью получения конструктивно приемлемых значений зазора.Далее находим критическую плотность теплвого потока, на которую должно бытьрасчитано охлаждение катода:
/>(2.17)
Определяем необходимую скорость охлаждающей воды в зазоре, для чегозададимся необходимыми константами, которые определены из графика 9,1 [1].
/>(2.18)
/>(2.19)
Величина водяного зазора в рубашкеохлаждения определяется с учётом условия />, тогда:
/>(2.20)
Исходя из конструктивных соображенийпримем величину водяного зазора равной /> м.
Для уточнения величинытемпературы охлаждаемой поверхности стенки и проверки режима её охлаждениянайдём значения определяющих критериев (Re, Nu, Pr).
Число Рейнольдса равно:
/>(2.21)
где /> -кинематическая вязкость воды при />.
При известном значении числа Рейнольдсанайдём число Нуссельта, исходя из табличных данных критериев числа Прандтля длясоответствующих температур [4].
/> - число Прандтля при />;
/> - число Прандтля при />;
/> - коэффициент пропорциональности.
Исходя из формулы (2.21) число Нуссельта будет равно:
/>
Зная число Нуссельта найдём коэффициенттеплоотдачи:
/>(2.22)
где /> - коэффициенттеплопроводности воды при температуре />.
Для выяснения характера теплоотдачи устенки определим плотность теплового потока, соответствующую началу кипения [1]:
/>(2.23)
/>
Поскольку />, то теплообмен у стенкипроисходит в режиме конвективного кипения жидкости. Поэтому температура стенкидолжна рассчитываться:
/> (2.24)
где
/>,(2.25)
в свою очередь:
/>(2.26)
/> константыуравнения (2.27), подставляя в него численные значения получим:
/>
теперь зная />, рассчитаем /> из уравнения (2.25):
/>,
таким образом, температура стенки в соответствии с уравнением (2.24)составит:
/>
Поскольку температурастенки />, оказалась близкой к заданной вначале расчёта, то второго приближения можно не делать.
Средняя температура рабочей поверхностианода в зоне эрозии составляет:
/> (2.28)
где /> температурныйперепад на стенке анода в первом приближении.
Тогда подставляя значения в формулу (2.28), получим среднюю температуруповерхности анода в зоне эрозии:
/>
что ниже температуры плавления меди (1083 0С).
2.2.2 Расчёт охлаждения анода
Полный тепловой поток ввыходной электрод (анод) равен [1]:
/>(2.29)
Плотность теплового потока в стенкуэлектрода рассчитывается по формуле:
/>(2.30)
Для дальнейшего расчёта нам необходимопринять температуру охлаждаемой стенки электрода равной температуре кипенияводы /> при давлении />Па/>, т.е. /> 0С, и определяем по формуле максимально допустимыйперепад температуры на стенке медного электрода:
/>(2.31)
где /> -температура плавления меди (1083 0С).
После этого рассчитываем максимальнодопустимую толщину стенки электрода при которой достигается этот перепад [1]:
/>(2.32)
Из расчета видно, что в случае медных электродов толщина стенки может бытьочень большой. На практике толщина медной стенки выбирается гораздо меньшей.Поскольку при меньших толщинах стенки опасности перегрева рабочей поверхностиэлектрода не существует, то толщину стенки можно выбирать не из тепловых, а изиных соображений, например, прочностных, ресурсных и прочих.
Поэтому толщину стенки выбираем меньшекритической (0.015м), соответственно равную 10 мм, что вполне обеспечивает ипрочность стенки даже при значительном больших давлениях, и ресурс непрерывнойработы.
Температурный перепад на ней равен:
/> (2.33)
Приняв начальную температуру охлаждающей воды />, а перепад температур в рубашкеохлаждения выходного элнктрода />, определяем секундны расход воды,необходимый для охлаждения электрода:
/>(2.34)
Определим среднее значение охлаждающей температуры воды:
/>(2.35)
Найдём недогрев воды до температурыкипения при давлении />/>, он равен:
/>(2.36)
Дальнейший расчёт необходимо вести, исходяиз максимальной плотности теплового потока на охлаждаемой водой поверхностиэлектрода:
/>(2.37)
плазмотрон катод стержневой
где /> - внешний диаметр выходногоэлектрода, равный 0,026 м.
Коэффициент надёжности охлажденияпринимаем равным Кохл = 5. Выбор такого значения, как будет видно из дальнейшегорасчёта, связан с необходимостью получения конструктивно приемлемых значенийзазора. Далее находим критическую плотность теплового потока, на которую должнобыть расчитано охлаждение катода:
/>(2.38)
Определяем необходимую скорость охлаждающей воды в зазоре, для чегозададимся необходимыми константами, которые определены из графика 9,1 [1]:
/>
/> (2.39)
Величина водяного зазора в рубашкеохлаждения определяется с учётом условия />, тогда:
/>(2.40)
Исходя из конструктивных соображенийпримем величину водяного зазора равной /> м.
Для уточнения величинытемпературы охлаждаемой поверхности стенки и проверки режима её охлаждениянайдём значения определяющих критериев (Re, Nu, Pr).
Число Рейнольдса равно:
/>(2.41)
где /> -кинематическая вязкость воды при />;
При известном значении числа Рейнольдсанайдём число Нуссельта, исходя из табличных данных критериев числа Прандтля длясоответствующих температур [4].
/> - число Прандтля при />;
/> - число Прандтля при />;
/> - коэффициент пропорциональности.
Исходя из формулы (2.41) число Нуссельта будет равно:
/>
Зная число Нуссельта найдём коэффициенттеплоотдачи:
/>(2.42)
где /> - коэффициенттеплопроводности воды при температуре />.
Для выяснения характера теплоотдачи устенки определим плотность теплового потока, соответствующую началу кипения [1]:
/>(2.43)
/>
Поскольку />, то теплообмен у стенкипроисходит в режиме пузырькового кипения жидкости. Поэтому температура стенкидолжна рассчитываться:
/> (2.44)
где
/>,(2.45)
в свою очередь:
/>(2.46)
/> константыуравнения (2.46), подставляя в него численные значения получим:
/>
теперь зная />, рассчитаем /> из уравнения (2.45):
/>,
таким образом, температура стенки в соответствии с уравнением (2.44)составит:
/>
Поскольку температурастенки />, оказалась близкой к заданной вначале расчёта, то второго приближения можно не делать.
Средняя температура рабочей поверхностианода в зоне эрозии составляет:
/> (2.47)
где /> температурныйперепад на стенке анода в первом приближении.
Тогда подставляя значения в формулу (2.47), получим среднюю температуруповерхности анода в зоне эрозии:
/>
что ниже температуры плавления меди (1083 0С).
2.3 Расчет ресурса работы плазмотрона
2.3.1 Расчет ресурса работы электродов
Расчет ресурса работыэлектродов будем производить по схеме анода, так как катод в данной работеимеет форму анода.
Длина эрозированной зоны в гладком цилиндрическомканале определяется крупномасштабным шунтированием. При работе на воздухе вдиапазоне токов от 100 до 500 А и расходов газа />кг/с она равна 3-5 d.Форму эрозированной поверхности электрода для простоты расчета представим ввиде равностороннего треугольника, которого равно размаху крупномасштабногошунтитования, а высота – допустимой выработке стенки электрода.
Примем для рассматриваемого случая (/>м, />кг/с, />А) длину эрозированнойзоны />, аглубину допустимой выработки (при />м) равной />м. В этом случае объемэрозированного материала равен:
/> (2.48)
и составит
/>м3
Для медного электрода (/>кг/м3), масса уносимого материаларавна:
/> кг(2.49)
При удельной эрозии медного электрода, равной:
/> кг/Кл
время работы электрода составит:
/> ч.
Таким образом, получили, что ресурс работы анода икатода равен 251 час, что удовлетворяет поставленным требованиям (250 часов).
3 ОПРЕДЕЛЕНИЕХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМОТРОНА
Вольт-амперныехарактеристики (ВАХ) плазменной дуги отражают зависимость напряжения от силытока при постоянстве геометрических размеров электродуговой камеры, расходагаза, его давлении в характерном сечении и других определяющих параметров [1].Для плазмотронов с длиной дуги меньше длины самоустанавливающейся ВАХ имеет толькоучасток падающей зависимости напряжения от силы тока (при низких токах, когдадлина дуги дуга становится равной длине самоустанавливающейся). При этомрабочим участком ВАХ является именно падающая ветвь. Вид функции, описывающейпадающий участок ВАХ, представлен формулой (2.3).С увеличением расхода газа(кривая 2), при прочих равных условиях, ВАХ располагается выше из-за удлинениядуги и роста напряжения на ней.
Кривые, показывающиезависимость теплового КПД от силы тока при различных расходах газа и неизменныхостальных параметрах описывается выражением (2.4).
Построим графики ВАХ(падающий участок) и зависимости теплового коэффициента полезного действия оттока при изменении силы тока от 20 до 200А.
Результатыпостроения представлены на рисунках 3.1 и 3.2.
Кривые, описывающиезависимость КПД от силы тока дуги имеет падающий характер. Это объясняется тем,что при росте тока резко начинают расти тепловые потери на катоде и аноде, чтов свою очередь очень сильно сказывается на тепловом КПД. С увеличением расходагаза (кривая 2) повышается КПД, так как уменьшается тепловые потоки иобеспечивается устойчивое горение дуги. С уменьшением расхода газа (кривая 3)КПД понижается из-за увеличения тепловых потоков.
Зависимости тепловыхпотоков в анод и катод от силы тока представлены на рисунках 3.3 и 3.4. Они имеютлинейный характер, так как линейно зависят от силы тока и описываютсявыражениями (2.7) и (2.29). При увеличении расхода газа прямая зависимостирасположена ниже, потому что электрод обдувается газом и из-за этого снижаетсяего температура.
/>
/>
/>
/>
/>
1 — G = 1,5 ∙ 10-3; 2 – G =1,95 ∙ 10-3; 3 – G = 1,05 ∙ 10-3 кг/с
Рисунок 3.1 –Вольт-амперные характеристики плазмотрона
/>
1 — G = 1,5 ∙ 10-3; 2 – G =1,95 ∙ 10-3; 3 – G = 1,05 ∙ 10-3 кг/с
Рисунок 3.2 – Зависимостьтеплового КПД плазмотрона от силы тока
/>
1 — G = 1,5 ∙ 10-3; 2 – G =1, 05 ∙ 10-3; 3 – G = 1, 95 ∙ 10-3 кг/с
Рисунок 3.3 – Зависимостьтеплового потока в анод от силы тока
/>
1 — G = 1,5 ∙ 10-3; 2 – G =1, 05 ∙ 10-3; 3 – G = 1, 95 ∙ 10-3 кг/с
Рисунок 3.4 –Зависимость теплового потока в катод от силы тока.
4 ВЫБОР ИСТОЧНИКАПИТАНИЯ ПЛАЗМОТРОНА
В момент запускаплазмотрона главную роль играет источник питания, который должен обеспечиватьне только устойчивые рабочие вольт-амперные характеристики плазмотрона, но ипредоставить достаточное напряжение для пробоя, необходимого для запускаплазмотрона. Поэтому напряжение холостого хода источника питания должно бытьбольше рабочего напряжения дуги плазмотрона. Как было показано выше, рабочеенапряжение на дуге плазмотрона 173 В, сила тока – 124 А. Принимаем коэффициентзапаса по напряжению равным 1,3. Тогда напряжение холостого хода источника питаниясоставит:
/>
Наиболее подходящимявляется источник питания, выпускаемый Запорожским заводом “Преобразователь”ДЕЗ-315/230. Это тиристорный источник питания, который может быть задан налюбую мощность и обеспечивать высокий КПД, хорошую регулируемость в широкомдиапазоне, высокую степень стабилизации заданного тока. Выбранный нами источникпитания обеспечивает следующие показатели: номинальное напряжение – 230 В,номинальная сила тока – 315 А, номинальная мощность – 72 кВт [5].
5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМОТРОНА
На современном этаперазвития науки и техники во многих случаях существует потребность в обеспечениидостаточно высоких и стабильных температур. Наиболее удобно использовать для ихполучения плазменное оборудование. Рассчитанный нами плазмотрон может бытьиспользован для самых различных технологических процессов.
Плазмотрон можноиспользовать для поверхностной плазменной обработки металлов, что особенноважно при обработке закаливающихся сталей, для плазменного напыления.
Для напыленияприменяют дугу косвенного действия.
Плазменнымнапылением с соответствующим подбором порошковых или проволочных материаловможно создавать покрытия с заданными эксплуатационными свойствами:износостойкие, антикоррозионные, жаростойкие, электроизоляционные.
Преимуществамиплазменного напыления являются высокая однородность, прочность сцепления сосновой и высокая производительность, достигаемые за счет высокой скоростичастиц, а также отсутствие перемешивания материалов покрытия и основы.
При напылениинебольших деталей из-за низкого коэффициента использования материалов способ неэффективен.
В установкахплазменного напыления используется преимущественно азот и другой наиболеедоступный и дешевый газ.
Хорошее качествопокрытий достигается при напылении в среде аргона в смеси с водородом.
Большинствоплазмотронов для напыления работает на постоянном токе прямой полярности, таккак имеют при этом высокий КПД использования по мощности.
Ещё одним возможнымприменением плазмотрона является плазменная обработка поверхности строительныхматериалов. Она заключается в оплавлении и напылении лицевой поверхности. Вэтом случае плазменная струя является не только источником тепловой энергии, нои обеспечивает протекание различных физико-химических процессов в контактнойзоне. Например, при обработке бетона его поверхность приобретает светло-зелёнуюокраску. Для получения поверхности другого цвета в плазменную струю подаютсоответствующие окислы металлов, которые и напыляются на бетон [2].
6НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА СТУДЕНТА
Внаучно-исследовательской работе студента нужно исследовать изменение ресурсаработы катода плазмотрона при условии замены цилиндрического полого катода настержневой.
При силе тока I=124 A целесообразно воспользоваться термохимическим циркониевымкатодом. На основании экспериментальных исследований рекомендуется для катодов,работающих при токах />, выбирать диаметр вставки изциркония /> м;при токах />,/>.[2] Глубинувыработки вставки нецелесообразно допускать более />м, при большей глубине начинаетсязаметная эрозия уже самой медной обоймы, обусловленная усилением тепловоговоздействия столба дуги, углубляющегося в тело катода. В этом случае привеличине удельной эрозии циркония />кг\Кл время работы катодасоставит:
при /> м
/>/>;
при /> м
/>;
Изменим материалвставки на вольфрам, при этом оставляя теже параметры. В этом случае удельнаяэрозия вольфрама /> кг\Кл время работы катодасоставит:
при /> м
/>;
при /> м
/>
Из полученных данных мывидим, что при замене цилиндрического полого на стержневой ресурс работы уменьшилсяболее чем в 20 раз, и составил: при />м – 11,43 часов; при />м – 17,47часов. Это связано с малой площадью привязки дуги стержневого катода. Площадьпривязки уменьшается, при этом увеличивается объемная плотность энергии,следовательно, время изнашивания катода сильно увеличивается, а ресурс работы уменьшается.
Если данное время не удовлетворяет техническим требованиям, рекомендуетсяискать иное конструктивное решение. Одним из вариантов такого решения является,например, замена циркониевой вставки на вольфрамовую. Из расчетов мы видим, чтовольфрамовая вставка повышает ресурс работы плазмотрона, но для большего времениработы необходим при этом обдув такого катодного узла защитным газом,например, азотом. В этом случае время работы катода возрастает более чем в 10раз и при больших токах приблизится к ресурсу непрерывной работы анода.
ВЫВОДЫ
В данной курсовойработе рассчитан плазмотрон косвенного действия со следующими характеристиками:напряжение на дуге — 173 В, ток дуги — 124 А, тепловой КПД составляет 55,2%,мощность плазмотрона составляет около 21,45 кВт. Рабочий газ – воздух,начальная температура которого составляет 300 К, конечная – 4200 К. Катод –цилиндрический полый. Анод – цилиндрический гладкий. Ресурс работы плазмотрона– 251,22 час.
Также определены ипостроены его вольт-амперные и тепловые характеристики.
Для питания плазмотронапредлагается использование источника питания, который предоставляетдостаточное напряжение для пробоя, необходимое для запуска плазмотрона. Он долженобеспечивать плавную регулировку силы тока в диапазоне 100-350 А и иметьнапряжение холостого хода не менее 120 В. В работе был выбран источник питания,выпускаемый Запорожским заводом “Преобразователь” ДЕЗ-315/230, обеспечивающийследующие показатели: номинальное напряжение – 230 В, номинальная сила тока –315 А, номинальная мощность – 72 кВт [6].
Для плазмотрона,рассмотрены возможные варианты его технологического использования: напыление, поверхностнаяплазменная обработка металлов и строительных материалов, закалка.
Кроме того, внаучно-исследовательской работе было исследовано изменение работы катодаплазмотрона при условии замены цилиндрического полого катода на стержневой. Изполученных данных мы увидели, что ресурс работы уменьшился более чем в 20 раз.Однако при замене циркониевой вставки на вольфрамовую ресурс работы повышается.Если катод обдувать защитным газом, то значительно увеличится ресурс работыстержневого катода.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1 Основы расчета плазмотронов линейнойсхемы / Под ред. М.Ф. Жукова. – Новосибирск, 1979. – 146 с.
2 Промышленное применениенизкотемпературной плазмы: Учеб. пособие. – Алчевск: ДГМИ, 1993. – 59 с.
3 Электродуговые и высокочастотныеплазмотроны в химико-металлургических процессах / В.Л. Дзюба, Г.Ю. Даутов, И.Ш.Абдуллин. – К.: Вища шк., 1991. –170 с.
4 Варгафтик Н.Б. Справочник потеплофизическим свойствам газов и жидкостей. – 2-е изд., доп. и перераб. – М.:Наука, 1972. – 720 с.
5 Электродуговые плазмотроны и источникиих питания. Конспект лекций
/ Сост. В.Л. Дзюба. – Алчевск: ДГМИ, 1993. – 57 с.
6 Быховский Д.Г. Плазменная резка. – Л.:Машиностроение, 1972. – 168с.
7 Башенко В.В., Соскин Н.А.Электросварочное оборудование. Плазменная и электронно-лучевая обработка: Учеб.пособие. – Л.: ЛПИ, 1989. – 88 с.