29

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.

1 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]