Реферат Плазменное бурение. Реферат по дисциплине Технология бурения взрывных скважин и шпуров. Буровые машины и механизмы. Тема Плазменное бурение

Название	Реферат по дисциплине Технология бурения взрывных скважин и шпуров. Буровые машины и механизмы. Тема Плазменное бурение
Дата	25.09.2022
Размер	170.94 Kb.
Формат файла
Имя файла	Реферат Плазменное бурение.docx
Тип	Реферат #695033

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ» (МГРИ)

Факультет технологии разведки и разработки
Кафедра горного дела

РЕФЕРАТ

по дисциплине: Технология бурения взрывных скважин и шпуров. Буровые машины и механизмы.

Тема: Плазменное бурение.
Выполнил: студент 2-ого курса

Группы ШПС-20, Скрипкина Наталья Сергеевна

Научный руководитель:

Ганин Игорь Павлович

Москва 2021 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА. ПЛАЗМОТРОН 5

ГЛАВА 2. СХЕМЫ ДУГОВЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ 6

ГЛАВА 3. СХЕМЫ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ 8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 10

РЕКОМЕНДЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 11

ВВЕДЕНИЕ

Плазменный способ разрушения материалов находит применение в промышленности. Принцип действия плазменного бурения: струя холодной плазмы с температурой от 5000 до 50000 ^oC используется для получения отверстий, резки, расплавления, сварки и др. Плазма индуцируется плазмотроном, его также называют электродуговой плазменной головкой.

На рисунке показана принципиальная схема плазмотрона.

1 — электрод;

2 — охлаждающая жидкость;

3 — столб дуги

4 — электрод;

5 — струя плазмы.
Получаемая струя плазмы имеет большой диапазон технологических свойств, зависящих от температуры и скорости истечения плазменной струи, параметров электрического тока, материала электродов, свойств подаваемого газа, а также от физических качеств обрабатываемого объекта.

Струя плазмы создается электрическим дуговым разрядом между изолированными электродами. Первый электрод изготавливается в виде стержня, второй — в виде диска с отверстием являющимся — соплом. Диаметр канала соответствует диаметру дуги. Через канал вдоль электрической дуги, со стороны первого электрода, подается газ по направлению к соплу. Проходя через столб электродуги, газ ионизируется, образуя струю плазмы выходящую из сопла в виде факела. Газ с меньшей степенью ионизации имеющий меньшую температур обволакивает столб электродуги, изолируя стенки канала и сопла от теплового воздействия плазмы.

Плазменными генераторами создается температура до 16650 ^oC, при такой температуре струей плазмы могут разрушаться любые породы. Плазма образуется при прохождении электрического тока через поток гелия или аргона, пропускаемого между электродами со скоростью 180-7330 м/с. Для получения плазмы достаточно напряжение используемого тока равное 10-500 В, при силе тока 100-1000 А. В дугу поступает от 60 до 80% подводимой энергии. Породе передается около 50% энергии плазмы, часть энергии уносится охлаждающей жидкостью. Таким образом, КПД плазменного бура составляет 30-40%.

ГЛАВА 1. ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА. ПЛАЗМОТРОН

Плазменная обработка, обработка материалов низкотемпературной плазмой, генерируемой дуговыми или высокочастотными плазматронами. При плазменной обработке изменяется форма, размеры, структура обрабатываемого материала или состояние его поверхности. Плазменная обработка включает: разделительную и поверхностную резку, нанесение покрытий, наплавку, сварку, разрушение горных пород (плазменное бурение).

Плазменная обработка получила широкое распространение вследствие высокой по промышленным стандартам температуры плазмы ( 10⁴ К), большого диапазона регулирования мощности и возможности сосредоточения потока плазмы на обрабатываемом изделии; при этом эффекты плазменной обработки достигаются как тепловым, так и механическим действием плазмы (бомбардировкой изделия частицами плазмы, движущимися с очень высокой скоростью -- так называемый скоростной напор плазменного потока). Удельная мощность, передаваемая поверхности материала плазменной дугой, достигает 10⁵--10⁶ Вт/см², в случае плазменной струи она составляет 10³--10⁴ Вт/см². В то же время тепловой поток, если это необходимо, может быть рассредоточен, обеспечивая «мягкий» равномерный нагрев поверхности, что используется при наплавке и нанесении покрытий.

Резка металлов осуществляется сжатой плазменной дугой, которая горит между анодом (разрезаемым металлом) и катодом плазменной горелки. Стабилизация и сжатие токового канала дуги, повышающее её температуру, осуществляются соплом горелки и обдуванием дуги потоком плазмообразующего газа (Ar, N₂, H₂, NH₄ и их смеси). Для интенсификации резки металлов используется химически активная плазма. Например, при резке воздушной плазмой O₂, окисляя металл, даёт дополнительный энергетический вклад в процесс резки. Плазменной дугой режут нержавеющие и хромоникелевые стали, Cu, Al и др. металлы и сплавы, не поддающиеся кислородной резке. Высокая производительность плазменной резки позволяет применять её в поточных непрерывных производственных процессах. Мощность установок достигает 150 кВт. Неэлектропроводные материалы (бетоны, гранит, тонколистовые органические материалы) обрабатывают плазменной струей (дуга горит в сопле плазменной горелки между её электродами). Нанесение покрытий (напыление) производится для защиты деталей, работающих при высоких температурах, в агрессивных средах или подверженных интенсивному механическому воздействию. Материал покрытия (тугоплавкие металлы, окислы, карбиды, силициды, бориды и др.) вводят в виде порошка или проволоки в плазменную струю, в которой он плавится, распыляется, приобретает скорость 100 -- 200 м/сек и в виде мелких частиц (20--100 мкм) наносится на поверхность изделия. Плазменные покрытия отличаются пониженной теплопроводностью и хорошо противостоят термическим ударам. Мощность установок для напыления 5--30 кВт, максимальная производительность 5 -- 10 кг напыленного материала в час. Для получения порошков со сферической формой частиц, применяемых в порошковой металлургии, в плазменную струю вводят материал, частицы которого, расплавляясь, приобретают под действием сил поверхностного натяжения сферическую форму. Размер частиц может регулироваться в пределах от нескольких мкм до 1 мм. Более мелкие (ультрадисперсные) порошки с размерами частиц 10 нм и выше получают испарением исходного материала в плазме и последующей его конденсацией.

Свойство плазменной дуги глубоко проникать в металл используется для сварки металлов. Благоприятная форма образовавшейся ванны позволяет сваривать достаточно толстый металл (10-- 15 мм) без специальной разделки кромок. Сварка плазменной дугой отличается высокой производительностью и, вследствие большой стабильности горения дуги, хорошим качеством. Маломощная плазменная дуга на токах 0,1--40 а удобна для сварки тонких листов (0,05 мм) при изготовлении мембран, сильфонов, теплообменников из Ta, Ti, Mo, W, Al.

Плазматрон, плазмотрон, плазменный генератор, газоразрядное устройство для получения «низкотемпературной» (Т >> 10⁴ К) плазмы. Плазматрон используются главным образом в промышленности в технологических целях, но устройства, аналогичные плазматрону, применяют и в качестве плазменных двигателей. Начало широкого использования плазматрона в промышленной и лабораторной практике (и появление самого термина «плазматрон») относится к концу 50-х -- началу 60-х гг. 20 в., когда были разработаны эффективные с инженерной точки зрения способы стабилизации высокочастотного разряда и дугового разряда, а также способы изоляции стенок камер, в которых происходят эти разряды, от их теплового действия. Соответственно, наиболее широкое распространение получили дуговые и высокочастотные (ВЧ) плазматроны.

ГЛАВА 2. СХЕМЫ ДУГОВЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ

Дуговой плазматрон постоянного тока состоит из следующих основных узлов: одного (катода) или двух (катода и анода) электродов, разрядной камеры и узла подачи плазмообразующего вещества; разрядная камера может быть совмещена с электродами -- так называемыми плазматронами с полым катодом. (Реже используются дуговые плазматроны, работающие на переменном напряжении; при частоте этого напряжения » 10⁵ Гц - их относят к ВЧ плазматронам.) Существуют дуговые плазматроны с осевым и коаксиальным расположением электродов, с тороидальными электродами, с двусторонним истечением плазмы, с расходуемыми электродами (рис. 1) и т.д. Отверстие разрядной камеры, через которое истекает плазма, называется соплом плазматрона (в некоторых типах дуговых плазматронов границей сопла является кольцевой или тороидальный анод). Различают две группы дуговых плазматронов -- для создания внешней плазменной дуги (обычно называется плазменной дугой) и плазменной струи. В плазматронах 1-й группы дуговой разряд горит между катодом плазматрона и обрабатываемым телом, служащим анодом. Эти плазматроны могут иметь как только катод, так и второй электрод вспомогательный анод, маломощный разряд на который с катода (кратковременный или постоянно горящий) «поджигает» основную дугу. В плазматронах 2-й группы плазма, создаваемая в разряде между катодом и анодом, истекает из разрядной камеры в виде узкой длинной струи.

Рис. 1. Схема дуговых плазматронов: а -- осевой; б -- коаксиальный; в с тороидальными электродами; г -- двустороннего истечения; д -- с внешней плазменной дугой; е -- с расходуемыми электродами (эрозионный); 1 -- источник электропитания; 2 -- разряд; 3 -- плазменная струя; 4 -- электрод; 5 -- разрядная камера; 6 -- соленоид; 7 -- обрабатываемое тело.

Стабилизация разряда в дуговых плазматронах осуществляется магнитным полем, потоками газа и стенками разрядной камеры и сопла. Один из распространённых способов магнитной стабилизации плазменноструйных плазматронов с анодом в форме кольца или тора, коаксиального катоду, состоит в создании (с помощью соленоида) перпендикулярного плоскости анода сильного магнитного поля, которое вынуждает токовый канал дуги непрерывно вращаться, обегая анод. Поэтому перемещаются по кругу анодные и катодные пятна дуги, что предотвращает расплавление электродов (или их интенсивную эрозию, если они выполнены из тугоплавких материалов).

К числу способов газовой стабилизации, теплоизоляции и сжатия дуги относится так называемая «закрутка» -- газ подаётся в разрядную камеру по спиральным каналам, в результате чего образуется газовый вихрь, обдувающий столб дуги и генерируемую плазменную струю: слой более холодного газа под действием центробежных сил располагается у стенок камеры, предохраняя их от контакта с дугой. В случаях, когда не требуется сильного сжатия потока плазмы (например, в некоторых плазматронах с плазменной дугой, используемых для плавки металла), стабилизирующий газовый поток не закручивают, направляя параллельно столбу дуги, и не обжимают соплом (катод располагают на самом срезе сопла). Очень часто стабилизирующий газ одновременно является и плазмообразующим веществом. Применяют также стабилизацию и сжатие дуги потоком воды (с «закруткой» или без неё).

Плазма дуговых плазматронов неизбежно содержит частицы вещества электродов вследствие их эрозии. Когда этот процесс по технологическим соображениям полезен, его интенсифицируют (плазматрон с расходуемыми электродами); в других случаях, напротив, минимизируют, изготовляя электроды из тугоплавких материалов (вольфрам, молибден, спец. сплавы) и (или) охлаждая их водой, что, кроме того, увеличивает срок службы электродов. Более «чистую» плазму дают ВЧ плазматроны (см. ниже).

Плазматроны с плазменной струёй обычно используют при термической обработке металлов, для нанесения покрытий, получения порошков с частицами сферической формы, в плазмохимической технологии и пр.; плазматроны с внешней дугой служат для обработки электропроводных материалов; плазматроны с расходуемыми электродами применяют при работе на агрессивных плазмообразующих средах (воздухе, воде и др.) и при необходимости генерации металлической, углеродной и т.д. плазмы из материала электродов (например, при карботермическом восстановлении руд).

Мощность дуговых плазматронов 10²--10⁷ Вт; температура струи на срезе сопла 3000--25000 К; скорость истечения струи 1--10⁴ м/сек; промышленное кпд 50--90%; ресурс работы (определяется эрозией электродов) достигает несколько сотен ч, в качестве плазмообразующих веществ используют воздух, N2, Ar, H₂, NH₄, O₂, H₂O, жидкие и твёрдые углеводороды, металлы, пластмассы.

ГЛАВА 3. СХЕМЫ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ

Высокочастотный плазматрон включает: электромагнитную катушку-индуктор или электроды, подключенные к источнику высокочастотной энергии, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества. Различают индукционные, ёмкостные, факельные плазмотроны, плазматроны на коронном разряде и с короной высокочастотной, а также сверхвысокочастотные (СВЧ) плазматроны (рис. 2). Наибольшее распространение в технике получили индукционные ВЧ плазматроны, в которых плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами. Т. к. индукционный высокочастотный разряд является безэлектродным, эти плазматроны используют для нагрева активных газов (O₂, Cl₂, воздуха и др.), паров агрессивных веществ (хлоридов, фторидов и др.), а также инертных газов, если к плазменной струе предъявляются высокие требования по чистоте. С помощью индукционных плазматронов получают тонкодисперсные и особо чистые порошковые материалы на основе нитридов, боридов, карбидов и др. химических соединений. В плазмохимических процессах объём разрядной камеры таких плазматронов может быть совмещен с реакционной зоной. Мощность плазматрона достигает 1 МВт, температура в центре разрядной камеры и на начальном участке плазменной струи 10⁴ К, скорость истечения плазмы 0--10³ м/сек, частоты -- от нескольких десятков тыс. Гц до десятков МГц, промышленное кпд 50--80%, ресурс работы до 3000 ч. В СВЧ плазматроне рабочие частоты составляют тысячи и десятки тыс. МГц; в качестве питающих их генераторов применяются магнетроны. ВЧ плазматроны всех типов, кроме индукционных, применяются (70-е гг. 20 в.) главным образом в лабораторной практике. В ВЧ плазматроне, как и в дуговых, часто используют газовую «закрутку», изолирующую разряд от стенок камеры. Это позволяет изготовлять камеры ВЧ плазматрона из материалов с низкой термостойкостью (например, из обычного или органического стекла).

Рис. 2. Схемы высокочастотных плазматронов: а -- индукционный; б ёмкостный; в -- факельный; г -- сверхвысокочастотный; 1 -- источник электропитания; 2 -- разряд; 3 -- плазменная струя; 4 -- индуктор; 5 -- разрядная камера; 6 -- электрод; 7 -- волновод

Для пуска плазматрона, т. е. возбуждения в нём разряда, применяют: замыкание электродов, поджиг вспомогательного дугового разряда, высоковольтный пробой межэлектродного промежутка, инжекцию в разрядную камеру плазмы и др. способы. Основные тенденции развития плазматронов: разработка специализированных плазматронов и плазменных реакторов для металлургической, химической промышленностей, повышение мощности в одном агрегате до 1 -- 10 МВт, увеличение ресурса работы и т.д.

Плазменная горелка, ручной дуговой плазматрон для нанесения покрытий, резки, сварки, наплавки и др. процессов плазменной обработки. По принципу действия различают две группы плазменных горелок: для работы плазменной дугой и для работы плазменной струёй. При механизированной обработке плазменная горелка закрепляется на специальной установке; для нанесения покрытий и наплавки она обычно оснащается устройством для подачи распыляемого или наплавляемого материала (в виде порошка или проволоки). Такая плазменная горелка называется плазменной головкой. Мощность плазменной горелки достигает 100 кВт, плазмообразующими газами служат Ar, Не, N₂, NH₄, воздух и их смеси. Для зажигания дугового разряда в начале работы необходимо замкнуть зазор между катодом и анодом плазменной горелки (плазменная струя) или между катодом и обрабатываемым металлом (плазменная дуга) или иным образом возбудить разряд плазмотрон горелка плазменная обработка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные технологии бурения скважин имеют самое широкое применение в производственной деятельности человека и в частности при поисках и разведке полезных ископаемых.

Наиболее передовыми в настоящий момент можно считать технологии бурения скважин комплексами со съемным керноприемником и опробованием месторождений методом отбора бурового шлама (технология ЯС). Совершенствование технологий поисково-разведочного бурения связано с созданием современных буровых инструментов, отличающихся высокими ресурсными показателями и механической скоростью проходки, разработкой современных гидрофицированных буровых агрегатов и пневмоударных механизмов, новых материалов и технологий тампонирования и промывки скважин, средств механизации и автоматизации бурового процесса, с развитием и использованием специальных технологий поисково-разведочного бурения, основанных на методах и средствах направленного бурения и кернометрии.

Все отмеченные тенденции указывают на интенсивное развитие и совершенствование буровых технологий, на все более расширяющийся их спектр возможностей. В настоящий момент практически нет технических задач геологоразведочного производства, которые невозможно было бы решить в тех или иных горно-геологических условиях, используя современные буровые технологии и соответствующую им буровую технику и инструмент.