Спосіб керування параметрами потоку плазми дугових плазмотронів

Реферат: Спосіб керування параметрами потоку плазми дугових плазмотронів шляхом накладання на стовп дуги зовнішнього обертового магнітного поля, причому зовнішнє обертове магнітне поле має аксіальну та радіальну складові магнітної індукції, які одночасно діють на всі кінцеві ділянки стовпа електричної дуги незалежно від їх просторової орієнтації. UA 113950 U (54) СПОСІБ КЕРУВАННЯ ПАРАМЕТРАМИ ПОТОКУ ПЛАЗМИ ДУГОВИХ ПЛАЗМОТРОНІВ UA 113950 U UA 113950 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропонована корисна модель належить до області обробки матеріалів потоками дугової плазми і може бути використана в установках плазмового напилення порошків та модифікації поверхні виробів. Відомо спосіб впливу на радіальну ділянку електричної дуги і, відповідно, на параметри потоку плазми, який формується, шляхом накладання зовнішнього поздовжнього магнітного поля [див. книгу "Основы расчета плазмотронов линейной схемы" под. ред. М.Ф. Жукова. Новосибирск: АН СССР, Сибирское отд. Институт Теплофизики, 1979. - С. 103-104]. Основним недоліком цього способу є неможливість впливу на стовп дуги через співпадання напрямків магнітної індукції і струму в стовпі дуги Найбільш близьким до пропонованої корисної моделі є керування параметрами потоку плазми шляхом накладання на стовп дуги бігучого поперечного магнітного поля [див. наприклад, книгу Пащенко В. М. "Генерування потоків плазми та керування їх енергетичнопросторовими параметрами" - К.: Гнозіс, 2014. - С. 185-192, рис. 4.30-4.37]. Цей спосіб вибрано за прототип. Плазмовий струмінь формується в дуговому просторі між двома електродами катодом та анодом в результаті нагрівання плазмоутворювального газу електричною дугою. Плазмовий потік має характерний розподіл енергетичних параметрів за перерізом, який визначається принципом стабілізації дуги, умовами її обтікання плазмоутворювальним газом, конфігурацією дугового каналу тощо. Плазмовий потік витікає через сопловий отвір дугового каналу у вихідному електроді в навколишнє середовище. Поперечне зовнішнє магнітне поле, створене за допомогою електромагнітної системи є фактором зовнішнього впливу на параметри газового потоку та умови змішування. Поперечне зовнішнє магнітне поле створюють багатополюсним електромагнітом, в якому послідовно, з деяким часовим інтервалом, подають напругу на наступну пару взаємно протилежних полюсів, яка зміщена на певний кут відносно попередньої пари. При цьому створюється обертове магнітне поле, максимум індукції якого рухається в напрямку активації наступної пари полюсів. Обертове поперечне магнітне поле впливає на частину стовпа дуги, яка потрапляє в зону його дії, переміщуючи температурний максиму газового потоку по колу в межах дугового каналу. При цьому вирівнюються температурні та швидкісні характеристики потоку, що сприяє, наприклад, збільшенню ефективного об'єму зони нагрівання дисперсного матеріалу в процесі створення покриттів або рівномірному розподілу питомого теплового потоку в межах плями нагрівання в процесах модифікації поверхні. Недоліком є те, що створене магнітне поле, відповідно до закону Ампера, має діяти тільки на стовп дуги, у якому напрямок струму перпендикулярний до напрямку індукції магнітного поля. Таким чином, радіальна кінцева ділянка дуги, яка суттєво впливає на структуру потоку плазми, що формується, не є об'єктом керування, бо напрямок струму зазвичай збігається з напрямком магнітної індукції магнітного поля. Відсутність стабільного і прогнозованого переміщення радіальної ділянки дуги, а, відповідно, і плями її прив'язування на стінці електрода, погіршує ресурсні характеристики вихідного електрода та створює умови для збереження теплової асиметричності потоку плазми. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу керування параметрами потоку плазми шляхом впливу як на стовп дуги, так і на її радіальну ділянку. Поставлена задача вирішується тим, що в способі керування параметрами потоку плазми дугових плазмотронів, що включає накладання на стовп дуги зовнішнього магнітного поля для впливу на електричну дугу плазмотрона, змінюють конфігурацію зовнішнього магнітного поля. Новим є те що зовнішнє обертове магнітне поле має аксіальну та радіальну складові магнітної індукції, які одночасно діють на всі кінцеві ділянки стовпа електричної дуги незалежно від їх просторової орієнтації. Спосіб керування параметрами потоку плазми дугових плазмотронів ілюструється кресленнями, де: - на Фіг. 1 зображено схему формування потоку плазми; - на Фіг.2 та Фіг. 3 - розріз по А-А та В-В Фіг. 1 відповідно. Плазмовий струмінь формують в дуговому каналі, який утворений простором між двома електродами 1 та 2 в результаті нагрівання плазмоутворювального газу електричною дугою 3. Для стабілізації дуги на осі дугового каналу застосовують вихрове подавання плазмоутворювального газу через закручувальний пристрій плазмотрона. Плазмовий потік витікає через сопловий отвір дугового каналу у навколишнє середовище. Зовнішнє магнітне поле, створене за допомогою електромагнітної системи 4, накладають на електричну дугу плазмотрона. Поле є фактором зовнішнього впливу на параметри газового 1 UA 113950 U 5 10 15 20 25 30 35 40 потоку та умови змішування. Зовнішнє магнітне поле формують багатополюсним електромагнітом, у якому послідовно, з деяким часовим інтервалом, подають напругу на наступну пару взаємно протилежних полюсів, яка зміщена на певний кут відносно попередньої пари. При цьому створюють обертове магнітне поле. Рознесення у просторі котушок діючої пари полюсів електромагніту призводить до того, що напрямок індукції магнітного поля в кожний момент часу складає деякий кут із поздовжньою віссю плазмотрона і, відповідно, із стовпом дуги. Таким чином наявні дві складові магнітного поля, яке накладають на електричну дугу аксіальна та радіальна. Радіальна складова магнітної індукції поля постійно змінює свій просторовий напрямок, рухаючись по колу, а напрямок аксіальної складової залишається незмінним при будь-якій задіяній парі полюсів електромагніту. Аксіальна складова поля, відповідно до закону Ампера, діє на радіальну ділянку дуги, змушуючи її обертатися у поперечному перерізі дугового каналу. А радіальна складова поля діє на стовп дуги і змушує його рухатись по колу у зміщеному до стінки положенні. Спосіб був реалізований на плазмотроні посередньої дії із вихровим подаванням плазмоутворювального повітря і автогазодинамічною фіксацією довжини дуги під час плазмового нанесення покриття. Загальна потужність розпилювача становила 20-25 кВт. Струм дуги не перевищував 200 А. Наносився порошок на основі міді марки ПГ-19М-01. Продуктивність напилення становила 4-6 кг/год. Застосовувалась магнітна система, яка створювала магнітне поле із максимальним значенням індукції 55 мТл. Враховуючи конструкцію електромагніту аксіальна складова індукції становила 25-27 мТл, а радіальна-45-48 мТл. Розподіл енергетичних параметрів у межах плазмового потоку, який визначає умови нагрівання та прискорення дисперсного матеріалу, коригувався застосовуванням зовнішнього обертового магнітного поля із складною просторовою орієнтацією вектора магнітної індукції. Результатом вирівнювання температурних та швидкісних параметрів плазмового потоку стало збільшення об'єму зони нагрівання та прискорення дисперсного матеріалу, що у свою чергу призвело до суттєвого прирощення маси матеріалу у плямі напилення при напиленні на нерухому основу. Збільшення кількості матеріалу, який прийняв участь у формуванні покриття призводить до підвищення ефективності процесу нанесення покриття, комплексним показником якої є коефіцієнт використання матеріалу (КВМ). При достатньо високих вихідних значеннях КВМ (75-80 %), застосування способу керування параметрами потоку плазми дугових плазмотронів, дозволяє підвищити КВМ до 85-90 % (див. табл.). Ще одним, додатковим ефектом застосування такого способу впливу на електричну дугу плазмового розпилювача, стало зменшення рівня питомої ерозії вихідного електрода за рахунок розподілу теплового потоку в області прив'язування електричної дуги на більшу площу. -6 -6 Значення питомої ерозії зменшилось на 25-30 % (з (0,9-1,0) 10 г/Кл до (0,65-0,7) 10 г/Кл). Без застосування магнітного поля прив'язування дуги було локалізоване на досить обмеженій ділянці електрода. Прирощення маси матеріалу плями напилення при застосуванні біжучого магнітного поля (порошок ПГ-19М-01) № 1 2 3 4 5 6 7 8 Грануляція порошку, мкм 63-100 100-160 Витрата порошку, кг/год. КВМ, % 4 4,5 5,5 6 4 4,5 5,5 6 85 84 86 87 87 88 90 92 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 Спосіб керування параметрами потоку плазми дугових плазмотронів шляхом накладання на стовп дуги зовнішнього обертового магнітного поля, який відрізняється тим, що зовнішнє обертове магнітне поле має аксіальну та радіальну складові магнітної індукції, які одночасно діють на всі кінцеві ділянки стовпа електричної дуги незалежно від їх просторової орієнтації. 2 UA 113950 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3