Плазмообразующие среды, используемые в плазмометаллургических реакторах.

Содержание

Введение.......................................................................................................... 3

1. Плазмообразующие среды, используемые в плазмометаллургических реакторах.............................................................................................................................. 4

2. Расчет характеристик плазменного реактора.......................................... 12

2.1. Расчёт распределения среднемассовой температуры потока по длине реактора 12

2.2. Расчеты распределения температуры внутренней поверхности

нефутерованного и футерованного реактора.............................................. 17

Заключение................................................................................................... 29

Список использованных источников....................................................... 30

 

Введение

Многоструйные прямоточные реакторы обладают широкими технологическими возможностями, так как их конструкция позволяет одновременно эксплуатировать несколько плазмотронов, что обеспечивает создание агрегатов большой единичной мощности и формирование результирующего по тока с равномерным температурным полем. В реакторах такого типа осуществляется синтез нанодисперсных материалов при ограниченном времени пребывания реагентов в реакционной зоне. Поэтому для достижения высокой селективности процесса при требуемой степени превращения сырья в готовый продукт необходимо исследовать и оптимизировать гидродинамические и теплотехнические характеристики реактора. Плазмообразующая среда должна обеспечить наибольшую удельную тепловую мощность дуги при заданном расходе газа и затраченной электрической энергии. Среда должна обеспечить возможность концентрации полученной энергии в тонкий плазменный шнур. Выбор среды определяется технологическими особенностями способа сварки, надежностью использования плазменной горелки, характеристиками имеющегося сварочного оборудования и экономическими показателями.

Цель работы: провести расчеты распределения среднемассовой температуры по длине реактора, распределения температуры внутренней поверхности стенки в зависимости от футеровки.

Плазмообразующие среды, используемые в плазмометаллургических реакторах.

В состав среды могут входить одно-, двух - или многокомпо­нентные газы (аргон, азот, воздух, смесь аргона и азота с водородом, аммиак, вода).

Аргон - инертный одноатомный газ с низкой теплопроводно­стью. Аргон хорошо защищает вольфрамовый электрод и сопло от пе­регрева и разрушения. Аргон обладает низкой напряженностью элек­трического поля, поэтому не требуется высокого напряжения для воз­буждения дуги и обеспечивается надежный устойчивый процесс горе­ния дуги. Однако аргоно-плазменная сварка приводит к появлению литой структуры сварного шва и зоны термического влияния.

Гелий - инертный одноатомный газ, обладающий большей теп­лопроводностью, чем аргон. Гелий обеспечивает высокую напряжен­ность электрического поля в столбе дуги (в четыре раз больше, чем аргон) и лучше преобразует электрическую энергию в тепловую. Для ионизации гелия требуется больше энергии, поэтому чаще всего гелий применяется в смеси с аргоном. Гелий хорошо защищает вольфрамо­вый электрод от разрушения, но при рабочих температурах (~10000оК) теплопроводность гелия значительно меньше, чем меди, по­этому он не обеспечивает надежной защиты медного сопла.

Азот (в воздухе находится 78% азота, поэтому, вместо чистого азота можно применять воздух) - двухатомный газ, хорошо стабили­зирующий плазменную дугу. При рабочих температурах теплосодер­жание азота в пять раз больше, чем у аргона. По сравнению с аргоном, азот активнее взаимодействует с вольфрамом с образованием нитри­дов вольфрама, что снижает стойкость вольфрамовых электродов. На­личие в техническом азоте примесей (до 1% кислорода) обуславливает образование оксидов вольфрама. Поэтому желательно применять цир­кониевые или гафниевые электроды. Плазменная сварка в атмосфереазота сопровождается выделением окислов азота, что требует обяза­тельного применения вытяжной вентиляции и индивидуальных средств защиты дыхательных путей сварщика.

Воздух - является сильным окислителем металлов из-за наличия в нем кислорода. Поэтому необходимо применять только цирконие­вые или гафниевые электроды. Напряженность электрического поля дуги в кислородной атмосфере ниже, чем в азотной, поэтому преобра­зование энергии менее эффективно. При взаимодействии кислородной плазмы с черными металлами, интенсивно протекающие термохими­ческие процессы обеспечивают более глубокое проплавление. Кисло­род активно окисляет не только металл заготовок, но и электрод и со­пло.

Водород - двухатомный газ с напряженностью дугового столба значительно большей, чем у аргона, что предопределяет лучшее пре­образование электрической энергии в тепловую. Диссоциация и иони­зация водорода происходит при более низких температурах, чем у ге­лия и аргона. Поэтому теплосодержание водородной плазмы пример­но в четыре раза выше, чем у аргоновой. Водород обладает высокой теплопроводностью, поэтому происходит быстрый нагрев (перегрев) сопла и его разрушение. Водород редко применяется как самостоя­тельный плазмообразующий газ. Чаще всего его применяют в качест­ве добавки к аргону или к азоту, в пропорции 2:1. Применение арго-но-водородной смеси (до 35% водорода) позволяет проводить резку алюминиевых сплавов с чистыми и ровными кромками.

Вода - может использоваться как самостоятельная плазмообра­зующая среда или как добавка к рабочему газу. Молекула воды обла­дает большой устойчивостью к нагреву. Только при 1000К водяной пар начинает диссоциировать на водород кислород: 2Н2О ^ 2Н2 + О2 + 136,8 ккал. При повышении температуры до 5000К вода полностью распадется на водород и кислород. При этой температуре происходит диссоциация водородной молекулы: Н2 ^ 2Н + 105 ккал. Поглощение тепла приводит к интенсивному охлаждению периферийных слоев ду­ги и концентрации тепла по оси дуги. Возрастает температура ядра дуги, что увеличивает ее проплавляющую способность. Одновремен­но, контакт дуги с относительно холодной заготовкой приводит к ре­комбинации водорода и кислорода с выделением дополнительного те­пла.[1]

Выбор среды определяется возможностью ее использования на сущест­вующем оборудовании, надежностью работы, электрода и сопла плазмо­трона, а также технологическими особенностями процесса.

Плазмообразующая среда должна обеспечивать наибольшую удельную тепловую мощность при заданном расходе газа и затраченной электри­ческой энергии, а также позволять сконцентрировать полученную энергию в тонкий плазменный шнур и сосредоточить ее на минимальном участке поверхности разрезаемого металла.

Перечисленные газы и их смеси проявляют себя по-разному в электродуговом разряде. Это связано со степенью их диссоциации и ионизации при тех или иных температурах, с напряженностью электромагнитного поля плазменной дуги, с теплосодержанием и теплопроводностью плазмы.

Ионизацию можно рассматривать как крайний случай возбуждения, когда электрону сообщается энергия, которая больше, чем самый высокий возбужденный уровень атома. Энергию, которая должна быть сообщена электрону для ионизации, выражают в вольтах (электрон-вольтах) и называют потенциалом ионизации.

Энергия ионизации зависит от строения атома, т. е. от его места в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Она является периодической функцией атомного номера эле­мента и снижается с уменьше­нием номера группы и увеличе­нием номера периода таблицы.

Температура наименьший потенциал иониза­ции, равный приблизительно 3,9 эВ, имеют пары цезия — самого тяжелого из щелочных металлов. Единственный валентный элект­рон у щелочных металлов первой группы слабо связан с ядром, поэтому энергия ионизации этих металлов небольшая. Наибольший потенциал ионизации 24,58 эВ наблюдается у самого легкого из инертных газов, т. е. у элемента последней нулевой группы — гелия. Электронная оболочка благородных газов заполнена и является наиболее прочной. [2]

Для газов в молекулярном состоянии, потенциал ионизации всегда вы­ше, чем в атомарном. Например, для атомарного водорода потенциал ионизации равен 13,59 эВ, для молекулярного — 15,44 эВ. Имеется также довольно существенное различие между потенциалами ионизации валент­ных электронов (/1) и электронов более глубоких уровней (/). Например, для гелия потенциал ионизации /і = 24,58 эВ, /2 = 54,1 эВ [46]. Двух — и трехкратная ионизация атомов требует затрат энергии, достигающей сотен электрон-вольт, а полная ионизация — тысяч электрон-вольт. Чем меньше потенциал ионизации газа, тем быстрее при меньшей температуре (мень­шей приложенной энергии) достигается высокая степень ионизации X. Для водорода (/і = 13,59 эВ) наивысшая степень ионизации дости­гается при 24 000 К; для гелия (/1 =24,58 эВ) X«1 — при 50 000 К.

Для получения высоких температур столба дуги необходимо стремиться к возможно большей степени ионизации газов. Характер ионизации плаз­мообразующей среды весьма существенное влияние оказывает на объемное теплосодержание (энтальпию) плазмы. Имеется отличие в процессе обра­зования плазмы двух — и одноатомного газов. Ионизация двухатомного газа происходит после диссоциации его молекул, поэтому при исполь­зовании таких газов в плазме содержится большее количество энергии при сравнительно низких температурах диссоциации и ионизации.

Чем выше объемное теплосодержание, тем эффективнее плазмообра­зующая среда. Плазмообразующие газы отличаются напряженностью (£) электрического поля дуги. В зависимости от состава газа в дуге при задан­ном токе (/) может выделиться на I см ее длины большая или меньшая энергия (IE).

Плазмообразующие газы характеризуются теплопроводностью, кото­рая зависит от температуры плазмы. Газы, обладающие более высокой теплопроводностью, являются наилучшими преобразователями энергии дуги в тепло.

Теплопроводность пла­змы обусловлена движе­нием частиц. Главную роль в переносе тепла от более горячих участков плазмы к холодным играют элек­троны (благодаря их боль­шой тепловой скорости).

При охлаждении, ког­да газ проходит вновь через область температур диссоциации, большое количество теплоты выделяется на изделии и повышается эффективность процесса теплопередачи. Следовательно, теплопередача газа зависит и от его температуры, и от теплосодержания; причем с увеличением темпе­ратуры достигается некоторое состояние «насыщения», при котором скорость возрастания теплопередачи значительно уменьшается. Это объясняется тем, что с ростом температуры в этальпии газа наряду с энер­гией поступательного движения все большее значение приобретает энер­гия колебательного и вращательного движения частиц, которая легко теряется на излучение. Конвективная теплопередача, имеющая наиболь­шее значение при плазменной обработке металлов, определяется в основ­ном энергией поступательного движения частиц газа, поэтому высоко­температурные формы энтальпии здесь менее эффективны. Каждый из плазмообразующих газовв отдельности имеет свои определенные свойства.

В кислороде напряженность поля дуги ниже, чем в азоте, поэтому он как газ-преобразователь электрической энергии в тепловую менее эффек­тивен. Однако вследствие активного протекания термохимических реакций при взаимодействии кислородной плазмы с металлом в процессе резки с использованием кислорода обеспечивается более высокая производитель­ность резки (не только углеродистых, но и легированных сталей) при применении азота или воздуха. Кислород окисляет не только разрезаемый металл, он снижает стойкость катода и сопла no сравнению со стойкостью их на воздухе. Наибольший износ или разрушение этих деталей происходит в момент возникновения двойной дуги. Процесс плазменной резки с приме­нением кислорода менее надежный и устойчивый, чем с применением воз­духа.

Поглощение большого количества тепла в процессе плазменной резки с применением воды обеспечивает интенсивное охлаждение периферийных участков столба дуги и концентрирует его, в результате чего температура в ядре дуги возрастает, увеличивается ее проплавляющая способность. Кроме того, при соприкосновении горячей плазмы с холодным листом происходит рекомбинация молекул водорода и кислорода, что обеспечи­вает введение в разрезаемый металл дополнительного тепла.

Анализ рассмотренных плазмообразующих сред показывает, что ни один из газов не может обеспечить самостоятельно весь комплекс поло­жительных свойств идеального плазмообразующего газа.

Чтобы обеспечить наиболее полно комплекс положительных свойств плазмообразующей среды, используют смеси из различных газов. Хорошо зарекомендовали себя смеси аргона и азота в сочетании с водородом, а так­же самостоятельно используемый газ — аммиак. В сочетании с азотом и воздухом применяется для плазменной резки вода.

Выбор плазмообразующей среды определяется используемой аппара­турой, маркой и толщиной разрезаемого металла. Плазмообразующая среда оказывает существенное влияние на изменение фазового состава ме­талла, прилегающего к поверхности реза, на его химический состав и меха­нически е свойства. [3]