работа диссерт. Разработка дугового плазмотрона для нанесения покрытий с учетом явлений неустойчивости плазменного потока
 Скачать 5.34 Mb.
|
|
ГЛАВА 1. Анализ состояния современных теории и практики технологии плазмотермического нанесения покрытий Плазменная техника и технология – это отрасль промышленности, которая разрабатывает методы получения низкотемпературной плазмы, где плазма используется в технологических процессах в качестве высокоинтенсивного источника тепла [1]. Классификация плазменных устройств по принципу работы и конструктивным признакам включает в себя дуговые устройства постоянного тока, переменного тока (однофазные, трехфазные), в различных средах, импульсные, а также безэлектродные высокочастотные, работающие на частоте от единиц килогерц до десятков мегагерц [1,2]. Покрытия, нанесенные термической плазмой, отличаются высокой плотностью и отличным сцеплением (адгезией) с поверхностью заготовки, а также широкая область применения покрытий обуславливает интерес к данной технологии. Повышению эффективности плазменного напыления посвящены работы М.Ф. Жукова, Ю.В. Цветкова, В.С. Клубникина, В.Я. Фролова, J.V.R. Heberlein, R.S. Lima [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]. Детальное внимание изучению вопросов стабильности плазменного потока и численному уделено в работах J.P. Trelles, V. Rat, Z. Duan, J. F. Coudert, J.J. Gonzales, C. Baudry [15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25]. В данных работах учёные сходятся в том, что стабильность плазменного потока зависит от движения точки привязки электрической дуги (см. рис. 1.1) и развитию неустойчивостей, приводящих к турбулизации течения. Рисунок 1.1. Изменение падения напряжение на дуге за счет движения точки привязки 14 Температура рабочего газа на входе плазмотрона, как правило, соответствует температуре окружающей среды (приблизительно 293 К) и при взаимодействии с электрической дугой значительно возрастает (до 25…30 тыс. К) за малый временной интервал (10 -5 …10 -3 с) со скоростью порядка 10 4 К/мм [26], что приводит к моментальному расширению газа и его ускорению. При этом изменение скорости составляет до двух порядков. Значительное ускорение, температурный градиент внутри канала плазмотрона и электромагнитная сила Лоренца являются основными причинами развития нестабильности потока, приводящей к турбулентности. Турбулентность усиливается на выходе плазмотрона, где плазменный поток взаимодействует с «холодной» (значит, и более плотной) средой (приблизительно 293 К). Согласно анализу, подробно описанному в [27], неустойчивости плазменного потока, возникающие в низкотемпературной плазме с электрическим током, можно разделить на две категории: силовые, связанные с флуктуацией импульса, и тепловые, связанные с флуктуацией джоулева тепловыделения и числа частиц. Флуктуации импульса соответствует случай, когда флуктуация проводимости, а, следовательно, и джоулева тепловыделения, приводит к флуктуациям давления, регистрация которых осуществлялась в экспериментальных исследованиях, описанных в главе 3. Рационально начинать анализ неустойчивости плазменного потока с неустойчивости простейшей модели – газодинамической [28]. Уравнения газодинамической модели (1.1, 1.2) неустойчивы для течений с ускорением границы раздела двух сред с высоким градиентом температуры, а как следствие, плотности плазмы (неустойчивость Релея-Тейлора) и относительно сдвиговых течений (неустойчивость Кельвина-Гельмгольца). 0 t (1.1) d dt grad p (1.2) 15 Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца обусловлена существованием сдвиговых перемещений. Кратко механизм неустойчивости можно описать следующим образом: рост поперечной скорости границы раздела → сужение трубок тока (газовая динамика) → снижение давления → рост скорости Инкремент начальной стадии развития неустойчивости Кельвина- Гельмгольца (1.3) пропорционален сдвиговой скорости , т.е. колебания для каждого элемента массы возрастают с увеличением 1 2 1 2 k , (1.3) где 1 , 2 – плотности; – относительная сдвиговая скорость. Неустойчивость Релея-Тейлора обусловлена разницей плотностей и инкремент неустойчивости имеет вид: 2 1 2 1 gk (1.4) В случае одновременного развития неустойчивости Релея-Тейлора с неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца инкремент имеет вид: 2 2 2 1 1 2 2 2 1 1 2 g k k (1.5) Также выделяют конвективную неустойчивость, которая связана с неравномерностью нагретого слоя, и возникает из-за разницы плотностей зависящих от температуры. Т.е. данный механизм развития неустойчивости аналогичен механизму неустойчивости Релея-Тейлора. Стабилизация гидродинамической неустойчивости возможна в плазме с магнитным полем при движении проводника в поперечном направлении к линиям индукции магнитного поля, т.к. возникают тормозящие пондеромоторные силы (магнитная вязкость). Условие существенного влияния магнитного поля на стабильность плазменного потока имеет вид: Re 1 m , 0 0 0 Re m L , (1.6) где 0 – характерная скорость; 0 L – характерный размер; 0 1 – магнитная вязкость. 16 Другой механизм развития колебаний давления связан с флуктуацией амперовой силы за счет проводимости или за счет флуктуаций параметра Холла. В средах с переменной проводимостью σ=σ(Т) возникает перегревная неустойчивость, связанная с флуктуацией внутренней энергии (температуры), приводящей к возмущению джоулева тепловыделения, усиливающего флуктуацию внутренней энергии. Эта неустойчивость может возникать в отсутствии магнитного поля и проявляться как при растущей, так и при падающей зависимостях проводимости от температуры. Углубленные исследования развития перегревной неустойчивости в рамках краевой задачи показывают, что критерии возникновения перегревной неустойчивости зависят от характера изменения проводимости в зависимости от температуры плазмы и граничных условий. Существует широкий класс неустойчивостей в низкотемпературной плазме более подробно описание данных явлений представлено в работе [29]. Несмотря на весьма продолжительную историю технологии плазменного напыления, которая произрастает из электротехники и впервые была использована для переработки материалов в 1950 г. [30], вопрос проектирования конструкции плазмотрона, обеспечивающей высокие производительность и коэффициент полезного действия, остается открытым. Необходимость разработки новых конструкций плазмотронов, обеспечивающих более равномерное и последовательное плавление и ускорение напыляемого материала, требует совершенствования методов численного моделирования плазменных процессов и организации дополнительных экспериментальных исследований по выявлению природы физических явлений процесса генерирования термической плазмы. 1.1 Возникновение турбулентности в потоках термической плазмы Приведенный выше анализ развития неустойчивостей, развивающихся в низкотемпературной плазме, демонстрирует, что в отличие от течений сред с постоянными свойствами, нестационарные процессы в плазме самого различного происхождения являются скорее правилом, чем исключением. Указанное 17 обстоятельство значительно усложняет поиск критерия (или критериев), характеризующего переход от ламинарного течения к турбулентному. Основные признаки возникновения турбулентности, являющиеся общими для вязкой жидкости и плазмы [27,31,32]: спектры пульсационных полей различных величин: скорости, температуры, давлении, потенциала и др. – непрерывные; коэффициенты корреляций пульсаций любых величин в двух точках потока, или в одной точке, но в разные моменты времени, стремятся к нулю при увеличении пространственного или временного сдвига; характеристики течения обнаруживают чувствительную зависимость от малого изменения начальных условий. В лаборатории Санкт-Петербургского Политехнического Университета имени Петра Великого были получены зависимости пульсаций напряжения от времени (см. рис. 1.2) для дугового плазмотрона с межэлектродными вставками, из которой так же можно убедиться в наличии турбулентных пульсаций, которые носят квазипериодический характер. Придерживаясь статистического описания турбулентности, более подробное описание представлено в книге [33], пульсации в плазме можно разделить на поперечные и продольные, что является главным отличием от описания турбулентности в жидкости, где из-за не сжимаемости последней возможно лишь наличие поперечных (вихревых) пульсаций. Наличие теплового поля с большим градиентом температуры и свойств материала, типично для взаимодействия дуговых разрядов с окружающей средой, приводят к различным типам гидродинамических, тепловых и электромагнитных неустойчивостей. Эти неустойчивости влияют на динамику дуги, а также на развитие струи (например, поперечную нестабильность потока на периферии струи). 18 Рисунок 1.2. Зависимость падения напряжения на дуге от времени Таким образом, для адекватного анализа динамики потока струи дуги постоянного тока требуется сочетание описания не только области находящейся за плазмотроном, но и дуги внутри горелки. Турбулентность потока часто является прямым следствием эволюции неустойчивости жидкости/газа. Наиболее важным фактором возникновения турбулентности в струе плазмотрона постоянного тока является возникновение поперечных потоков (Кельвина-Гельмгольца) неустойчивости, которые появляются на границе раздела между параллельными потоками газа с заметно отличающимися скоростями и/или свойствами плазмы (например, плотность и/или вязкость), как в случае плазменной струи на границе выхода из сопла плазмотрона в окружающую среду, что подтверждается результатами экспериментальных исследований (см. главу 3) при анализе данных с емкостного микрофона. Плазма, генерируемая в плазмотронах постоянного тока, является примером термической плазмы, которая характеризуется, кроме прочего, высокой 19 плотностью электронов (10 21 …10 24 м -3 ) и высокой частотой столкновения составляющих (молекул, атомов, ионов и электронов) [26]. Высокая частота столкновений приводит к состоянию близкому к локальному термодинамическому равновесию (ЛТР). Необходимо отметить, что состояние ЛТР нарушается вблизи границ взаимодействия плазмы со стенками плазмотрона (вблизи катода и анода), а также при взаимодействии с холодным рабочим или/и атмосферным газом. Термическая плазма из-за относительно высоких плотностей и давлений, а, следовательно, малой длины свободного пробега частиц, описывается надлежащим образом жидкостными моделями. Наиболее часто используемые модели термической плазмы зависят от приближения ЛТР и моделирования плазменного потока, как потока с изменяющимися свойствами, соответствующими электромагнитному реактивному потоку, находящемуся в химическом равновесии, в котором внутренняя энергия характеризуется единой температурой. Точное моделирование турбулентных течений осложняется из-за полуэмпирических моделей, характеризующихся большим диапазоном масштабов длины и времени, что и представляет собой наиболее серьезную проблему. Наиболее точным подходом при численном описании турбулентных течений является подход прямого численного моделирования (ПЧМ). Использование моделей турбулентности для моделирования плазменных потоков значительно сложнее, чем для большинства других промышленных применений из-за присущих им характеристик. Точное описание турбулентности потока добавляет значительно более высокую степень сложности для моделирования потока плазмы. Существует достаточное количество статей об использовании осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса моделей турбулентности для анализа тепловых струй потока плазмы, такие как работа Хуанг [34] и др. в двумерном моделировании струи с использованием двухжидкостной модели для описания захвата холодного газа из окружающей среды в плазменную струю, так же имеется работа Ли и Чен 20 [35] трехмерного моделировании соударения плазменной струи с использованием k-ε модели турбулентности (которое достаточное хорошо описывает турбулентность в открытом пространстве). Нестационарные трехмерные модели больше подходят для описания сути и динамики трехмерного потока струи плазмотрона постоянного тока. 1.2 Методы стабилизации плазменного потока Широкое применение технологии плазмотермического нанесения покрытий привело к интенсивному изучению физических процессов стабилизации электрической дуги. В результате разработано множество способов стабилизации, которые можно разбить на три основные группы: газовая, магнитная и водяная. Одной из наиболее распространенных и простых в реализации является газовая стабилизация, при которой наружный «холодный» слой плазмообразующего газа захолаживает в пристеночной области столб дуги и сжимает его. При этом в зависимости от направления подачи газа различают аксиальную и вихревую стабилизации. Схемы наиболее распространенных типов стабилизации электрической дуги в канале плазмотрона представлены на рис. 1.3. Как было отмечено ранее, наложение магнитного поля может оказывать существенное влияние на стабильность плазменного потока, т.к. турбулентность становится анизотропной из-за выделенного направления индукции магнитного поля поперечного движению проводников, что приводит к омической диссипации и возникновению пондеромоторных тормозящих сил. Данное обстоятельство привело к идее использования метода магнитной стабилизации плазменного потока. И так, метод магнитной стабилизации основан на взаимодействии направленного магнитного поля, расположенного в поперечном направлении перемещению электрической дуги. Данный метод стабилизации имеет самую низкую эффективность из представленных в данной работе методов стабилизации, а соленоид, встраиваемый в конструкцию плазмотрона, значительно её усложняет. 21 Методы газовой стабилизации (аксиальная и вихревая стабилизации) являются одними из наиболее эффективных, охлаждая и одновременно сжимая плазменный поток. Наиболее эффективным методом стабилизации является вихревая стабилизация, наиболее часто используемая в технологиях плазменного напыления и резки металлов, которая впервые была применена в 1909 г. Шенхером [3]. Дуга Шенхера горела в трубке, в которую по касательной к трубке подавался стабилизирующий газ – воздух. Рисунок 1.3. Схемы стабилизации электрической дуги Отдельно стоит выделить конструкцию гибридного газо-водяного плазмотрона (см. рис. 1.4) с вынесенным анодом, вращение которого повышает эксплуатационные характеристики плазмотрона, однако, отдельного рассмотрения данная конструкция заслуживает за счет обеспечения наиболее стабильных характеристик электрической дуги, снижая коэффициент пульсаций напряжения на дуге до 0,1 [36, 37]. Применительно к данной конструкции, кроме вынесенного анода, используется метод водяной стабилизации, который заключается в применении завихренных потоков жидкости, образуя при этом пар. Впервые данный метод стабилизации был использован Гердиеном и Лотцем в 1922 г., где в электрическую дугу в узкой диафрагме осуществлялась тангенциальная подача воды [3]. Несмотря на явное преимущество данной конструкции, обеспечивающей стабильность характеристик плазменного потока, существенным недостатком данного метода стабилизации является интенсивная эрозия катода. 22 Плазмотроны с подобной водяной стабилизацией характеризуются высокими значениями напряжения на дуге, высокой температурой и скоростью плазменного потока [38]. Таким образом, основная область применения подобных плазмотронов – напыление покрытий с большой площадью обрабатываемой поверхности, обработка порошка и напыление материалов с высокой температурой плавления. Рисунок 1.4. Гибридный газо-водяной плазмотрон 1.3 Характеристики плазмотрона ПН-В1 В лаборатории Санкт-Петербургского политехнического университета с целью стабилизации длины дуги в канале разработан плазмотрон с межэлектродными вставками ПН-В1. Внешний вид плазмотрона представлен на рис. 1.4. Плазматрон выполнен по схеме электродугового плазменного устройства с секционированными межэлектродными вставками. На входе плазматрона установлен катод с гафниевой вставкой, а на выходе цилиндрический анод. Между ними установлены секции межэлектродной вставки. Сжатый воздух подается со стороны катода тангенциально. Это обеспечивает стабильное горение плазменной струи. На выходе анода в струю подаются металлические либо керамические гранулы. Изначально при холостом ходу источника питания между 23 катодом и входной секцией плазматрона включается устройство поджига дуги и возбуждается вспомогательная дуга постоянного тока между катодом и входным соплом. Она предназначена для образования основной дуги. Поджиг дежурной (вспомогательной) электрической дуги осуществляется с помощью осциллятора. Основная дуга (между катодом и анодом) возбуждается при касании факела вспомогательной дуги поверхности анода. После зажигания основной дуги подается транспортирующий газ в количестве, необходимом для нормального ведения процесса, устанавливается требуемый ток дуги, подается порошковый материал и производится напыление покрытий. Окончание процесса напыления покрытий производят в следующей последовательности: прекращают подачу исходного порошкового материала; выключают источник питания; прекращают подачу транспортирующего газа; отключают плазмообразующий газ. Конструкция плазматрона состоит из: термохимического катода с устройством тангенциальной подачи плазмообразующего газа в нашем случае воздуха, входную секцию, секции межэлектродной вставки, анод и устройство ввода порошка в плазменную струю. Путем изменения геометрии и числа секции межэлектродной вставки обеспечивают различные мощности плазматронов. Воздушно – дуговой плазматрон выполнен в виде цилиндрической конструкции с устройствами ввода охлаждающей воды, плазмообразующего газа и порошкового материала, подаваемого вместе с транспортирующим газом. Он состоит из трех основных блоков: катодного, дугового и анодного, соединенных между собой накидными гайками. На выходе плазматрона можно крепить до трех устройств ввода порошка, что позволяет вводить разные материалы одновременно и увеличивать производительность процесса напыления. Катодный блок плазматрона состоит из электродного узла, корпуса, входной секции. Крепление катодного узла осуществляется накидной гайкой. На катодном блоке установлены два штуцера. Штуцер, установленный в корпусе, 24 предназначен для ввода плазмообразующего газа. Штуцер электродного узла служит для отвода охлаждающей воды из плазматрона и подачи электропитания на катод плазматрона. Клемма, выполненная на корпусе необходима для подключения высоковольтного провода, необходимого для зажигания электрической дуги. Рисунок 1.4. Плазмотрон ПН-В1 Электродный узел состоит из: катододержателя, изолятора, завихрителя, катода и катодной гайки. Герметизация электродного узла осуществляется специальными прокладками. Основным элементом электродного узла является катод, представляющий собой сменную деталь. Для увеличения срока службы катода предусмотрено его интенсивное охлаждение сильно турбулизированным 25 потоком охлаждающей воды. Для этого в катододержателе установлена разделительная втулка. Конструктивно зазор между торцевыми поверхностями катода и разделительной втулки составляет 1…1,5 мм. Через каждые сто часов работы плазматрона этот зазор необходимо контролировать, и при необходимости закручивать разделительную втулку. Эксплуатация катода допускается до величины линейного износа гафниевой вставки, данный режим работы соответствует времени непрерывной работы плазматрона на токе до 200 А (соответствует номинальному режиму работы дугового плазмотрона) не менее 6 часов, либо числу включений, которое составляет не менее 250 включений. Блок дугового канала состоит из кожуха межэлектродной вставки (МЭВ), накидных гаек, секций МЭВ, шайб, и специальных уплотнительных резиновых колец. На кожухе МЭВ имеется также посадочное место под наружное уплотнительное кольцо. Изоляция секций МЭВ друг от друга осуществляется путем установки специальных уплотнительных колец и изоляционных шайб. Сборку блока дугового канала целесообразно проводить в совокупности со сборкой всего плазматрона. Сменными деталями блока дугового канала являются секции МЭВ, шайбы, а так же уплотнительные прокладки. Срок службы секций МЭВ составляет не менее 200 часов работы, прокладок - не менее 150 часов [39]. Анодный блок с устройством ввода порошка конструктивно состоит из анода, анодного корпуса, устройства ввода порошка и специального уплотнительного резинового кольца. Штуцер, распложенный на анодном корпусе, предназначен для подключения шланга подачи охлаждающей воды и электропитания, подключаемого к анодной части плазматрона. Надежность и долговечность воздушно-дугового плазматрона зависит от условий охлаждения. Обычно применяют водяное охлаждение под давлением 0,01…0,2 МПа. Наиболее предпочтительно охлаждение очищенной водой по замкнутому циклу, с применением компрессорной станции и теплообменника. Технические характеристики дугового плазмотрона с межэлектродными вставками ПН-В1 представлены в таблице 1.1. В таблице представлены характеристики для номинального режима работы дугового плазмотрона. 26 Таблица 1.1 Рабочие параметры плазмотрона ПН-В1 Параметр Значение Номинальная мощность, кВт 40 Ток дуги, А 200 Вид тока постоянный Плазмообразующий газ воздух Расход плазмообразующего газа, г/с 0,5…2 Охлаждение водяное принудительное Расход охлаждающей воды, г/с 100 Давление транспортирующего газа, МПа 0,01…0,2 Расход транспортирующего газа, г/с 0,1 Расход порошковых материалов не более, 3…12 кг/ч Скорость плазменной струи, м/с До 500 Число вводов порошка 1 Количество межэлектродных вставок 6 диаметр плазматрона, мм 54 длина плазматрона, мм 220 радиус катода, мм 16 диаметр гафниевой вставки, мм 3 1.4 Выводы и постановка задачи исследования Выполненное исследование в области технологии плазменного нанесения покрытий показало, что в представленных выше работах физико-математическое описание процесса осуществлялось с привлечением программных продуктов: ANSYS CFX, Fluent, Tport, OpenFOAM и т.д., моделирование плазмотрона постоянного тока с МЭВ в программном пакете Comsol Multiphysics реализовано не было. Приведенные материалы об устойчивости плазменного потока, факторов на неё влияющих (их взаимное влияние) и возможности компенсации для 27 стабилизации детально не рассмотрены. Влияние теплообменных процессов при ламинарном и турбулентном потоках на конструктивные элементы плазмотрона и обрабатываемый материал не указаны. Расширение области применения технологии плазмотермического нанесения покрытий приводит к необходимости разработки принципиально новых конструкций плазмотронов, способных обеспечивать генерацию плазменного потока с устойчивыми характеристиками для улучшения качества наносимого покрытия и повышению коэффициента полезного действия технологического процесса. Развитие вычислительных ресурсов позволяет осуществлять численное моделирование мультифизических задач. В связи с вышеизложенным была выбрана цель исследования: разработка дугового плазмотрона для нанесения покрытий с учетом явлений неустойчивости плазменного потока с установлением закономерности турбулизации потока на участках конструкции плазмогенерирующего устройства. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: 1. Анализ состояния современных теории и практики технологии плазменного нанесения покрытий. 2. Анализ физических явлений неустойчивости плазменного потока на стадиях генерирования плазмы. 3. Анализ явлений неустойчивости плазменного потока на выходе плазмотрона с учетом турбулизации генерируемого потока плазмы. 4. Разработка нестационарной математической модели дугового плазмотрона с осевой подачей плазмообразующего газа. 5. Разработка нестационарной математической модели дугового плазмотрона с вихревой стабилизацией. 6. Исследование устойчивости плазменного потока. 7. Экспериментальные исследования дугового плазмотрона с межэлектродными вставками для нанесения покрытий. |