Установка индукционного плазменного нагрева мощностью 60 кВт

Введение

          В последнее время с использованием низкотемпературной плазмы производится большое количество уникальных технологических процессов. К ним можно отнести: сварку и резку тугоплавких металлов и других материалов; нанесение защитных, керамических термобарьерных и  электроизоляционных покрытий на различные материалы; получение нанодисперсных порошков металлов и их соединений для металлургии; сфероидизацию порошков тугоплавких веществ; термическое обезвреживание высокотоксичных и радиоактивных органических отходов; синтез химических соединений; накачку мощных газовых лазеров; плазменную проходку крепких горных пород; расплавление и рафинирование металлов; а также использование плазмы в двигателях космических аппаратов и др. Все они нуждаются в устройстве, генерирующем и поддерживающем плазму, в качестве которого используется плазматрон [1]-[3].

          Одним из перспективных видов плазматронов является индукционный плазматрон, который имеет ряд преимуществ по сравнению с другими генераторами плазмы, а именно: высокая температура плазмы 8000…11000 °К, позволяющая обрабатывать и плавить самые тугоплавкие материалы; отсутствие загрязнений, вносимых в плазменный поток; возможность получать плазму в атмосфере любых газов, в том числе и в окислительной атмосфере (кислород, хлор); больший ресурс работы, связанный с отсутствием изнашиваемых деталей; возможность создания индукционных плазменных установок мощностью несколько тысяч киловатт [4], [5].

Все применения высокочастотного индукционного (ВЧИ) плазматрона можно условно разбить на три группы: первая группа – использование плазмы в качестве источника термического воздействия (выращивание кристаллов, сфероидизация частиц, плазменное напыление и т. д.); вторая группа – использование плазмы для проведения плазмохимических реакций (изготовление оптических волноводов, синтез ультрадисперсных керамических и металлических порошков, синтез особо чистого кварцевого стекла и наноматериалов и т. д.); третья группа – спектрохимический анализ элементов [6].

Целью настоящей работы является создание и запуск установки индукционного плазменного нагрева с системами измерений для проведения на ней научно-исследовательских работ (НИР) и лабораторных работ по курсу «Электротехнологические установки и системы».

Запуск ВЧИ-плазматрона

          Для успешного осуществления поставленной задачи выполнены следующие основные этапы работы: подведение электрической энергии; создание технологического блока; установка индуктора и разрядной камеры; организация водяного охлаждения установки; установка системы подачи плазмообразующего газа; установка системы калориметрирования; запуск установки и тестирование систем измерения.

Установка имеет следующие основные параметры: источник питания – высокочастотный ламповый генератор с колебательной мощностью 60 кВт и с частотой тока 1,76 МГц. Набор индукционных плазмотронов с цилиндрической водоохлаждаемой разрядной камерой с внутренним диаметром 50 мм и длиной 300 мм. От индуктора камера отделена кварцевой трубой. Скорость плазменного потока определяется расходом и природой плазмообразующего газа.  Возможно использование широкого спектра плазмообразующих газов. Установка работает при атмосферном давлении газов.

Рисунок 1 – Внешний вид ВЧИ-плазматрона в работе

          Зажигание плазмы осуществляется внесением заземленного графитового электрода внутрь разрядной камеры, используя аргон в качестве плазмообразующего газа с наименьшим потенциалов инонизации. Затем, при зажженной плазме, осуществляется плавная замена аргона на другой газ, например, на воздух. На рис. 1 и 4 представлены фотографии работающего плазмотрона с первой и второй разрядными камерами соответственно. На рис. 2 и рис. 3 представлены, соответственно, конструкция второй разрядной камеры и система измерений, смонтированная в составе установки. В первых тестах были проведены измерения мощностей, выделяемых в индукторе Pинд и в разрядной камере Pрк. Изменения во времени этих мощностей представлены на рис. 5. Эти зависимости разделены пунктирными линиями на четыре основных этапа.

          На рис. 5 приняты следующие обозначения: 1 этап – зажигание плазмы на аргоне, 2 этап – замена аргона на воздух, 3 этап – увеличение режима генератора и 4 этап – увеличение расхода газа.

Рисунок 5 – Изменение во времени мощностей, выделяемых в элементах плазматрона

          Максимальный режим работы генератора во время тестов получен следующий: напряжение на аноде лампы генератора Ua = 9,5 кВ; ток анода лампы генератора Iа = 7,5 А; ток сетки лампы генератора Ig = 1,4 A. Достигнутый режим работы в тестах свидетельствует об оптимальной настройке генератора установки, о хорошей работе индукционного плазматрона и первичной системы измерений.

Пример работы ВЧИ-плазматрона

Заключение

          Таким образом, на кафедре электротехнологической и преобразовательной техники в лаборатории индукционной плавки в холодном тигле создана и успешно запущена новая установка плазменного нагрева и плавления веществ при использовании максимальной мощности источника питания. Показана работоспособность установки и систем измерения. Установка готова для проведения НИР и лабораторных работ. В дальнейшем планируется оснащение установки новыми системами измерений и технологическими системами, например, системами дозирования и сбора материала, а также проводить экспериментальные исследования по плазменному напылению, сфероидизации порошков и др. Настоящая статья и новости развития плазменного оборудования и технологий представлены на сайте лаборатории индукционной плавки в холодном тигле (ИПХТ).

Литература

         1. Конюшная Ю. П. Открытия советских ученых. –Ч. 1. –М.: Изд-во МГУ, 1988. – 478 с.        

         2. Рыкалин Н. Н., Сорокин Л. М. Металлургические ВЧ-плазматроны. Электро- и газодинамик. –Л.:Энергия. 1987. –301 с.

         3. Дресвин С. В., Бобров А. А., Лелёвкин В. М. и др. ВЧ- СВЧ-плазматроны. – Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1992. –319 с. –(Низкотемпературная плазма; Т. 6).

         4. Дашкевич И. П. Высокочастотные разряды – промышленное применение. –Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990. –80 с.

         5. Слухоцкий А. Е., Рыскин С. Е. Индукторы для индукционного нагрева. –Л.:Энергия. 1974. –204 с.

         6. Полеводов Б. С. Теория процессов в плазме: Текст лекций. –Л.: ЛЭТИ, 1988. –48 с.

Лабораторная работа

"Исследование теплообмена плазменного потока с плоской преградой"

         На базе описанной выше установки реализована лабораторная работа по курсу «Электротехнологические установки и системы.

         Целью лабораторной работы является определение энергетического баланса при работе лампового генератора на нагрузку в виде индукционного плазмотрона с водоохлаждаемой решеткой с использованием метода калориметрических измерений. Калориметрические измерения проводятся при помощи цифровой информационно-измерительной системы в режиме реального времени процесса, элементы которой были описаны выше.

         На рисунках ниже показан внешний вид ВЧИ-плазматрона, зафиксированный в процессе проведения лабораторной работы.

         Ниже можно ознакомиться с видеоматериалами лабораторной работы        

         Ежегодно лабораторную работу выполняют более 25 студентов, которые для более детального ознакомления с ВЧИ-плазмой разбиваются на бригады по 4 человека.