Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


“епловые процессы и материалы при плазменном нагреве




√лава 2. ‘изико-химические процессы при воздействии плазменной струи (дуги)

 

ѕри воздействии плазменной струи (дуги) на поверхности обрабатываемого материала протекают различные физико-химические процессы. ’арактер их протекани€ определ€етс€ температурой, скоростью и временем нагрева, скоростью охлаждени€ плазмотрона, свойств обрабатываемого материала и т.д.

¬ основе плазменного поверхностного упрочнени€ металлов лежит способность плазменной струи (дуги) создавать на небольшом участке поверхности высокие плотности теплового потока, достаточные дл€ нагрева, плавлени€ или испаре≠ни€ практически любого металла. ќсновной физической характеристикой плазменного упрочнени€ €вл€етс€ температурное поле, значение которого дает возможность оценить температуру в разных точках зоны термического воздействи€ (в разные моменты времени), скорость нагрева и охлаждени€, а в конечном итоге структурное состо€ние и фазовый состав поверхностного сло€ материала.

“епловые процессы и материалы при плазменном нагреве

 

ѕроцессы поверхностного упрочнени€ требуют применени€ концентрированного источника нагрева с плотностью теплового потока на поверхности материала 10 3 - 10 6 ¬т/см 2 . ќсновным фактором, отличающим плазменный нагрев от лазерного нагрева, €вл€етс€ механизм взаимодействи€ источника энергии с материалом. ѕри лазерном нагреве световой поток излучени€, направленный на поверх≠ность материала, частично отражаетс€ от нее, а частично проходит в глубь материа≠ла излучение. »злучение, проникающее в глубь материала, практически полностью поглоща≠етс€ свободными электронами проводимости в приповерхностном слое толщиной 0,1 - 1 мкм [1]. ѕоглощение приводит к повышению энергии электронов, и вследст≠вие этого, к интенсификации их столкновений между собой и передаче энергии кристаллической решеткой металла. “епловое состо€ние металла характеризующеес€ двум€ температурами: электронной “е и решеточной “i, причем “еї “i. — тече≠нием времени (начина€ со времени релаксации t~ 10-9с) разность температур “е- “i становитс€ минимальной и тепловое состо€ние материала можно охарактеризовать общей температурой “м. ƒальнейшее распределение энергии вглубь материала осуществл€етс€ путем теплопроводности.

Ќагрев поверхности материала плазменной струей осуществл€етс€ за счет вынужденного конвективного и лучистого теплообмена:

(2.1.)

q = qk+qл

ƒл€ приближенных расчетов тепловых потоков в поверхности используетс€ модель лучистого и конвективного теплообмена основанна€ натеории погранично≠го сло€ [2], ѕлотность конвективного теплового потока определ€етс€ из выражени€:

(2.2.)

где λ Ц коэффициент теплопроводности,

Ќ - энтальпи€ единицы массы,

 т - термодиффузионный коэффициент,

у - координата, нормальна€ к обрабатываемой поверхности.

¬ общем виде конвективный нагрев поверхности обусловлен переносом энергии плазменной струи под действием теплопроводности, диффузии. Ќа практике используют более простое выражение:

(2.3.)

где αЦкоэффициент теплопроводности

плаз - температура плазменной струи на внешней границе

пограничного сло€,

пов - температура поверхности.

—в€зь между α и параметрами плазменной струи выражаетс€ через критериальные зависимости (число Ќуссельта, ѕрандл€, –ейнольдса и т.д.) выбор дл€ различных случаев взаимодействи€ плазмы с поверхностью приведен в работах. [2].

—огласно данных работ [3] дол€ лучистого переноса энергии от плазменной струи к поверхности металла составл€ет 2-8% от общего баланса энергии. ¬ случае использовани€ импульсной плазменной струи дол€ лучистого теплообмена возрастает до 20-30%. Ћучистый поток к единице площади поверхности в нормальном направлении определ€етс€ следующим образом [4]

(2.4.)

 

где ξ1- интегральна€ поглощательна€ способность поверхности,

ξ2 -степеньчерноты плазмы

σ с- посто€нна€ —тефана-Ѕольцмана

“ -температура плазмы

”читыва€, что теплообмен между струей и поверхностью в основном определ€етс€ конвективной составл€ющей теплового потока, то пренебрега€ лучистым теплообменом (за исключением импульсной плазменной струи)

можно рассчитать тепловой поток по выражению ‘е€-–иддела [5]

(2.5.)

 

или

(2.6)

 

где –г - усредненное число ѕрандл€,

(ρµ) ω, (ρµ) s - плотность и коэффициент динамической в€зкости плазмы при

температурах, соответственно, поверхности тела и внешней границы

пограничного сло€,

Lе - число Ћьгоса - —еменова,

Ld - энерги€ диссоциации, умноженна€ на весовую долю атомов,

со≠ответствующую температуре струи,

- градиент скорости в критической точке, равный ~ U плазм / d сопла

hs- полна€ энтальпи€ плазменной струи.

ѕри нагреве поверхности металла плазменной дугой (плазмотрон пр€мого действи€), эффективность нагрева возрастает за счет электронного тока q е

(2.7.)

q = qk + qл + qе

ƒополнительна€ теплова€ мощность за счет электронного тока рассчитыва≠етс€ из выражени€:

(2.8.)

Ёффективный  ѕƒ плазменно-дугового нагрева на 10-30 % выше, чем при использовании плазменной струи и может достигать 70=85 % [3,6]. Ёнергетический баланс плазменного нагрева при атмосферном давлении выгл€дит следующим образом: 70 % - конвективный теплообмен;

20 % - электронный ток;

10 % - лучистый теплообмен.

ѕри использовании плазменной струи (дуги), как источника тепловой энер≠гии, наибольший интерес представл€ет распределение теплового потока по п€тну нагрева. –аспределение удельного теплового потока q2 в п€тне нагрева приближен-но описываетс€ законом нормального распределени€ √аусса [7]

qz = q2m exp (-Kr2) (2.9.)

 

где   - коэффициент сосредоточенности, характеризующий форму кривой нормального распределени€, а следовательно концентрацию энергии в п€тне нагре≠ва,

q2m- максимальный тепловой поток.

 оэффициент сосредоточенности играет большое значениев процессах плазменного упрочнени€, т.к. - регулирует скорость нагрева поверхностного сло€ металла. ћаксимальна€ плотность теплового потока в центре п€тна нагрева св€зана коэффициентом сосредоточенности выражением [7]

(2.10.)

“еплообмен между плазменной струей и упрочн€емой поверхностью происходит в области п€тна нагрева, условный диаметр которого равен:

Ќа границе этого п€тна нагрева удельный тепловой поток составл€ет 0.05 % от максимального g2т [7].

ѕараметры режима работы плазмотрона оказывают сильное вли€ние на коэффициент сосредоточенности. — увеличением силы тока   возрастает. ”меньшение диаметра сопла (d!с≤5) увеличивает  . — увеличением расхода плазмообразующего газа коэффициент сосредоточенности имеет максимум, рис.2.

Ќа коэффициент сосредоточенности оказывает большое вли€ние способ подачи газа, геометри€ сопла и электрода. ¬ таблице 2.1. приведены экспериментальные и расчетные величины эффективного  ѕƒ нагрева, коэффициента сосредоточенности, тепловой плазменной дуги в зависимости от способа подачи плазмообразующего газа, геометрии сопла и катода. ¬идно, что переход от максиальной к тангенциальной подаче газа в сопло (при посто€нном расходе) увеличивает коэффициент сосредоточенности на 15-40 % при одновременном увеличении эффективного  ѕƒ нагрева. ѕараболическа€ форма сопла формирует хорошо направленный плазменный поток, по сравнению с другими формами, однако степень сжати€ дуги при этом снижаетс€.

»спользование кольцевого катода предпочтительнее при тангенциальной подаче газа, т.к. в случае аксиальной подачи нарушаетс€ однородность столба дуги

 

ƒиаметр сопла, мм ƒлина канала сопла(мм) U,B I,A —пособ подачи газа в сопло √еометри€ Ёффективный  ѕƒ нагрева, %  оэффициент сосредоточенности дуги, см.
                    сопла катода        
                9
  4,4     тангенциальный цилиндр стержень   13,2
  4,4     ------/------ парабола ------/------   10,1
  4,4     ------/------ раструб ------/------   6,5
  4,4     ------/------ цилиндр ------/------   15,1
  4,4     ------/------ парабола ------/------   11,8
  4,4     ------/------ раструб ------/------   6,9
  4,4 3,0 3,0 3,0     аксиальный цилиндр стержень   10,8
    ------/------ цилиндр ------/------   7,2
    ------/------ цилиндр ------/------   4,8
    јксиально-тангенциальный цилиндр ------/------   11,2
  5,0 23,5   аксиальный цилиндр стержень   11,5
  5,0 23,5   аксиальный парабола ------/------   8,1
  5,0 23,5   аксиальный раструб ------/------   5,1
  5,0 23,5   јксиально-тангенциальный цилиндр ------/------   15,2
  6,2     тангенциальный цилиндр кольцо   5,9
56,8     ------/------ ------/------ ------/------   6,2
5 6,9     ------/------ ------/------ ------/------   6,8
2 4     тангенциальный цилиндр стержень   17,8
33,5     ------/------ ------/------ ------/------   16,8
4 6,2     ------/------ ------/------ ------/------   17,1

“абл. 2.1.





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2015-05-07; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 1127 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

Ѕольшинство людей упускают по€вившуюс€ возможность, потому что она бывает одета в комбинезон и с виду напоминает работу © “омас Ёдисон
==> читать все изречени€...

2211 - | 1937 -


© 2015-2024 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.018 с.