Большая техническая энциклопедия
0 1 3 5 8
D N
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я
ПА ПЕ ПИ ПЛ ПН ПО ПР ПС ПУ ПЬ ПЯ

Плазменный нагрев

 
Плазменный нагрев представляет в некоторой степени конкуренцию по отношению к электронно-лучевому нагреву в части достигаемых мощностей и температур, а также в связи с возможностью нагревания без применения вакуума.
Конструкция холодных контейнеров. а - многоэлементный контейнер для периодического плавления и кристаллизации тугоплавких неметаллических материалов. б - модификация контейнера для материалов с теплопроводностью в твердом состоянии выше 6 Вт / м-град.. в - контейнер для непрерывного плавления и кристаллизации. 1 - Трубчатый водоохлаждаемый элемент. 2 - водоохлажда-емое дно. 3 - изолирующий кварцевый цилиндр. 4 - изолирующее кольцо из микалепса. 5 - индуктор высокочастотного генератора. б - гарниссаж. 7 - расплав. 8 - затравка. 9 - бункер с шихтой. Плазменный нагрев аналогичен газоплазменному с той лишь разницей, что энергия создается за счет электрического разряда. Поэтому основным узлом этого вида нагрева является плазмотрон-газоразрядное устройство для создания низкотемпературной плазмы. Мощность дуговых плазмотронов 102 - т - 107 Вт; температура струи на выходе из сопла 2500 - т - 3000 С; скорость истечения струи 1 - 4 - 104 м / с; КПД - 50 - 90 %; Ресурс работы составляет несколько сотен часов. В качестве плазмообразующих веществ используют воздух, азот, аргон, водород, нитрид водорода, кислород, воду, а также жидкие и твердые углеводороды, металлы, пластмассы.
Ведь плазменный нагрев и ценен в основном тем, что в противоположность пламенному нагреву позволяет поддерживать либо окислительные, либо восстановительные, либо нейтральные условия. Более удовлетворительные результаты дает способ стабилизации плазмы в магнитных полях. Поскольку плазма представляет собой поток проводящего электрический ток газа между электродами, на нее может оказывать действие магнитное поле и, изменяя соответствующим образом конфигурацию поля, можно придавать разряду нужную форму. Подробно такое взаимодействие рассматривается в магнитной гидродинамике.
Схемы плазменных горелок. Наиболее целесообразно плазменный нагрев использовать для напыления тугоплавких неметаллических материалов, которые вводятся в плазму в виде порошка. Этим методом можно получать многослойные покрытия из одного или нескольких порошков. Качество покрытий зависит от подготовки поверхности, вида применяемого порошка и материала основания. Подготовка поверхности заключается в очистке и обезжиривании.
Схемы обработки с плазменным нагревом. Достоинствами плазменного нагрева являются чрезвычайно быстрый прогрев заготовки на значительную глубину и удаление большей части металла без участия режущего инструмента. Плазменный нагрев особенно эффективен при черновой обработке по корке с наличием песка и при срезании больших припусков. Производительность при черновой обработке повышается в 4 - 10 раз, а при получистовой - в 2 - 3 раза по сравнению с обычным резанием.
Установки плазменного нагрева применяются в металлургической и химической промышленности, сварке и резке, физических исследованиях, а также в некоторых технологических процессах, например, получении мелкодисперсных порошков и выращивании монокристаллов.
Кристаллическая структура и некоторые карбидов и диборидов. Применение плазменного нагрева позволяет осуществить напрвленную кристаллизацию сплавов тугоплавких систем. Разработаны приемы, позволяющие регулировать длину, направление роста и кристаллографическую ориентацию растущих из расплава фаз. Характер формируемой структуры эвтектики при напрвленной кристаллизации определяется температурным градиентом и скоростью кристаллизации.
Характеристика источника для питания сварочной дуги.| Характеристика источника для питания плазмы. Особенности плазменного нагрева выдвигают особые требования к источнику питания.
Схема плазменного генератора.
Гибкость плазменного нагрева обусловлена использованием большой мощности дуги при небольшом количестве подаваемого материала или без него, например в случае плазменного упрочнения - закалки.
Параметры плазменно-частотных металлургических печей, разработанных DAIDO Steel.| Плазменно-частотные металлургические печи, разработанные DAIDO Steel с использованием переменного тока промышленной частоты и электромагнитного перемешивания расплава. Для прямого и косвенного плазменного нагрева используют как постоянный, так и переменный ток. В [3] отмечается, что КПД прямого нагрева выше, чем КПД косвенного; кроме того, меньше и затраты аргона. Следует также добавить, что верхний электрод плазмотрона ( катод при прямой полярности) может быть выполнен в двух вариантах: нерасходуемый вольфрамовый ( легированный торием) водоохла-ждаемый катод и расходуемый катод, выполненный из графитовой трубы. Использование графитового электрода не всегда допустимо по соображениям качества выплавляемого металла.
Параметры плазменно-частотных металлургических печей, разработанных DAIDO Steel.| Плазменно-частотные металлургические печи, разработанные DAIDO Steel с использованием переменного тока промышленной частоты и электромагнитного перемешивания расплава. Для прямого и косвенного плазменного нагрева используют как постоянный, так и переменный ток. В [3] отмечается, что КПД прямого нагрева выше, чем КПД косвенного; кроме того, меньше и затраты аргона. Следует также добавить, что верхний электрод плазмотрона ( катод при прямой полярности) может быть выполнен в двух вариантах: нерасходуемый вольфрамовый ( легированный торием) водоохла-ждаемый катод и расходуемый катод, выполненный из графитовой трубы. Использование графитового электрода не всегда допустимо по соображениям качества выплавляемого металла.
При плазменном нагреве основное количество теплоты выделяется в столбе плазменной дуги.
При плазменном нагреве частицы порошка выносятся из сопла потоком горючего газа и напыляются на поверхность детали. При этом обеспечивается возможность нанесения более тугоплавких покрытий и повышение их свойств. Плазмой напыляют самофлюсующие твердосплавные, жаростойкие и керамические материалы с размерами частиц 20 - 150 мкм. При напылении окиси алюминия я двуокиси циркония размер частиц должен составлять 40 - 70 мкм, вольфрама-20 - 100 мкм. Суммарная толщина слоя покрытия обычно не превышает 0 2 - 0 3 мм.
В металлургии плазменный нагрев получает применение как метод, обеспечивающий концентрированный и интенсивный ввод энергии при минимальном загрязнении обрабатываемых материалов.
Схема плазматрона с независимой дугой. В металлургии плазменный нагрев применяют либо в печах с огнеупорной футеровкой, либо в печах с медным водоохлаждаемым кристаллизатором.
Работы по плазменному нагреву проводятся также в Институте металлургии им.
Схема установки с высокочастотным плазменным нагревом. 1 - кристалл. 2 - индуктор. 3 - плазма. Начало активного использования плазменного нагрева относится к шестидесятым годам прошлого века, когда были созданы эффективные способы стабилизации плазмы.
Наиболее характерным источником плазменного нагрева является выделенная из дуги струя газоразрядной плазмы. Рабочий дуговой разряд возбуждается между стержневым электродом и наконечником. Газ, прошедший через столб дуги, образует плазменную струю, которая с характерным шумом вырывается из выходного отверстия формирующего канала.
Обработка резанием с плазменным нагревом ( в дальнейшем для сокращения называемая плазменно-механическая обработка - ПМО) представляет собой комбинированный процесс, при котором механическая энергия и энергия низкотемпературной плазмы совместно используются для повышения эффективности процесса резания при изготовлении деталей машин из современных труднообрабатываемых материалов. Широко применяют три основных способа ПМО резанием: 1) с высокотемпературным плазменным нагревом; 2) с низкотемпературным нагревом; 3) без расплавления поверхности заготовки.

При фрезеровании с плазменным нагревом возможны две схемы взаимного расположения пятна нагрева и зуба режущего инструмента. Первая схема предусматривает, как и при точении, перемещение пятна нагрева по отношению к заготовке одновременно с зубом фрезы со скоростью, равной скорости резания. Во второй схеме пятно нагрева перемещается перед фрезой в направлении и со скоростью подачи. Для реализации первого способа нагрева металла необходимо подвести электрический ток, газ и воду к плазмотрону, вращающемуся вместе с фрезой, а также обеспечить зажигание и гашение дуги с частотой, равной частоте вращения шпинделя станка. Решение этих задач из-за технических трудностей пока не найдено, что не позволяет осуществлять первую схему нагрева в реальных производственных условиях. Поэтому в настоящее время практическое воплощение имеет лишь вторая схема, при которой пятно нагрева медленно перемещается по обрабатываемой поверхности заготовки впереди фрезы в направлении подачи.
Схема торцового фрезерования при нагреве заготовки плазменной дугой, совершающей возвратно-качательное движение. При фрезеровании с плазменным нагревом необходимо обеспечить надлежащий уровень нагрева обрабатываемого материала по всей ширине контакта фрезы с заготовкой. В связи с этим возникает задача увеличения ширины пятна нагрева по сравнению с обычными размерами последнего, обеспечиваемыми стандартными плазмотронами.
При резании с плазменным нагревом обрабатываемого материала контактные давления на задней поверхности режущего лезвия существенно уменьшаются по сравнению с давлением при резании без нагрева. Снижаются также и нагрузки, действующие на переднюю поверхность. Это содействует снижению эквивалентных напряжений для задней поверхности режущего лезвия. В этом же направлении действует снижение тк, связанное с повышением температуры контактных слоев обрабатываемого материала в условиях ПМО, о чем свидетельствуют данные расчетов и экспериментов.
Области теплового воздействия плазменной дуги и системы координат в зоне нагрева. Вся сфера теплового воздействия плазменного нагрева на металл может быть условно разделена на пять областей ( рис. 16): область /, расположенную непосредственно под источником тепловыделения ( пятно нагрева); область 2 подхода к режущей кромке инструмента; область 3 - в стружке; область 4, расположенную под площадкой контакта с задней поверхностью инструмента; область 5, лежащую за пределами зоны резания. Каждая область имеет свою специфику происходящих в ней тепловых процессов и распределения температур.
Одним из новейших применений высокочастотного плазменного нагрева является нагрев в производстве полупроводниковых материалов.
Вторая схема фрезерования с плазменным нагревом имеет несколько вариантов. Такой вариант наладки целесообразен при фрезеровании торцовых поверхностей листовых заготовок из труднообрабатываемых материалов. Соотношение между величинами t и / определяется исходя из необходимости гарантировать удаление фрезой термически измененного слоя металла.
Результаты экспериментов по дефосфоризации в плазменно-частотной печи производительностью. 1 - 1 2 кг / ч. 2 - 1 2 кг / ч. 3 - 0 72 кг / ч. 4 - 0 66 кг / ч. В качестве флюса использовались шлаки Na2COs ( 1, 2 и 39 % Fe2O3 - 39 % СаО - 11 % CaF2 - ll % Na2CO3 ( 3, 4. Таким образом, использование комбинации частотного и плазменного нагрева позволяет достичь нового результата - более высокого качества металла, чем при использовании этих способов нагрева в отдельности. В недавнем прошлом наиболее мощная промышленная плазменно-частотная печь для металлургических приложений была смонтирована в Японии ( DAIDO Steel); она имеет емкость шахты 2 т металла.
Параметры электродуговых плазмотронов в плазменно. Плазменно-частотное оборудование позволяет совместить преимущества частотно-индукционного, электродугового и плазменного нагрева.
Определена целесообразность предварительного точения с плазменным нагревом упомянутых материалов, однако при этом выявлена необходимость автоматического управления силой тока дуги при значительных колебаниях припуска, поскольку при неравномерном нагреве имели место колебания механических свойств металла, что, в свою очередь, вызывало трудности в получении заданной шероховатости поверхности перед ультразвуковой дефектоскопией заготовок. Обращено внимание на необходимость разработки мероприятий по сокращению времени наладки и координированного управления положением плазмотрона и режущего инструмента при изготовлении деталей сложной формы.
Материалы первой группы получают при плазменном нагреве пластические деформации на значительной части срезаемого слоя. Однако последние не вызывают появления существенных термических напряжений при охлаждении этого слоя на участке между пятном нагрева и зоной резания. Поэтому здесь, как и при обработке заготовок из жаропрочных материалов, ведущее место в разупрочнении занимает температура подогрева.

Следовательно, применение черновых операций с плазменным нагревом при соответствующем подборе режимов резания и параметров плазменной дуги открывает перспективу улучшения эксплуатационных характеристик деталей путем формирования благоприятной картины распределения остаточных напряжений.
Фрезерование торцовыми и концевыми фрезами с плазменным нагревом обрабатываемого материала целесообразно осуществлять инструментом, оснащенным пластинками из сплава Т15К6, а также пластинками из безвольфрамовых сплавов КНТ-16 и ТН-20. При получистовом и чистовом точении с плазменным нагревом с высокими скоростями резания, как свидетельствуют опыт зарубежных фирм и некоторые отечественные исследования, успешно применяется инструмент, оснащенный пластинками из минералокерамики.
Наконец, повышение температуры заготовки при плазменном нагреве в местах контакта влияет на трение режущих поверхностей инструмента с обрабатываемым материалом. Если при обычном резании средняя температура контактных площадок инструмента ( особенно на задней поверхности резца) часто оказывается близкой к упомянутому выше диапазону, соответствующему максимуму коэффициента трения, то при ПМО вследствие дополнительного нагрева металла температуры на контактных поверхностях инструмента, как правило, выше 600 С. Это позволяет предположить, что при ПМО коэффициент трения между обрабатываемым и инструментальным материалами ниже, чем при обычном резании. Следует также иметь в виду и то, что удельные нормальные силы, действующие на контактных площадках резца со стружкой и поверхностью резания, при ПМО ниже, чем при обычном резании, так как прочность металла заготовки вследствие нагревания снижается. Комбинация двух упомянутых выше факторов - коэффициента трения и нормальной нагрузки - приводит к тому, что удельные силы трения на поверхностях инструмента при ПМО существенно ниже, чем при обычном резании. Естественным результатом этого является снижение интенсивности изнашивания и повышение стойкости инструмента при ПМО резанием.
Нами была сделана попытка расширить применение методов прямого индукционного и плазменного нагрева, рассмотренных в предыдущих главах, для решения других проблем ядерного топливного цикла, в частности для выделения летучих веществ из рудных минералов и концентратов.
На ПО Ижорский завод используют строгание с плазменным нагревом. Совместно с ЛПИ и ВНИИЭСО внедрили строгание с плазменным нагревом плоских поверхностей кованых заготовок размерами 3000x1400x500 мм из стали 12Х18Н10Т под последующий прокат. Тяжелый продольно-строгальный станок 7228 был оснащен двумя источниками питания АПР-403 и двумя плазмотронами ПВР-402, закрепленными в манипуляторах, установленных на вертикальных суппортах станка. Токоподвод смонтирован на боковой стенке станины под столом станка. В схему источников питания были внесены изменения, обеспечивающие постоянное горение дежурной дуги при прерывистом резании.
Температурное поле в зоне резания, вызванное плазменным нагревом. Основным фактором, позволяющим интенсифицировать процесс резания при плазменном нагреве, является тепловое разупрочнение обрабатываемого материала и изменение условий трения на контактных поверхностях инструмента. Важно сопоставить плазменный способ нагрева с другими способами и выяснить, какими теплофизическими особенностями он обладает. Ответ на этот вопрос может быть получен при сравнительном анализе температурных полей в зоне резания, вызванных тем или иным видом нагрева без учета теплоты собственно процесса резания. Температурное поле, рассчитанное методом источников, в зоне резания при нагреве заготовки из стали 12Х18Н9Т плазмотроном эффективной мощностью Wr 12 кВт с коэффициентом сосредоточенности теплового потока дуги k0 6 см 2 при расстоянии от кромки инструмента L 60 мм приведено на рис. 26, а.
Существенными недостатками рассмотренных выше вариантов фрезерования с плазменным нагревом являются также невозможность регулирования интенсивности теплового источника с целью изменения температуры подогрева фрезеруемого металла и малые скорости плазменной резки ( особенно при значительных толщинах листа), ограничивающие производительность процесса. Так, например, по данным работы 2 ], применяя для плазменной резки стальных листов толщиной 80 мм плазмотрон ПВР-402, можно достичь скорости подачи не выше 400 мм / мин, что ограничивает производительность процесса фрезерования.
Печь постоянного тока с керамическим тиглем.| Плазменная печь для плавки в кристаллизатор. Некоторое развитие получили печи комбинированного нагрева, в которых плазменный нагрев сочетается с пламенным и индукционным.
Несмотря на уникальные возможности получения высоких и сверхвысоких температур, плазменный нагрев, однако, во многом ограничивает условия кристаллизации. Во-первых, поток газов, образующих плазму, не позволяет создать требуемую атмосферу кристаллизации и полностью исключает кристаллизацию в вакууме.
В то же время ряд факторов серьезно сдерживает расширение области применения плазменного нагрева.
Рассмотрим - описание технических ограничений процесса черновой обточки заготовок из сталей с плазменным нагревом. Исходными данными для описания ограничений являются пять групп параметров.
Процесс чистовой обработки проводится на тех же станках, но уже без использования плазменного нагрева. Для плазменно-механической обработки используются стандартные станки, оснащенные плазменной установкой мощностью 150 кВА с рабочим током 200 - 500 А, напряжением 100 - 270 В. В качестве плазмообразующего газа в плазматроне используют воздух.
Осциллограммы изменения силы PZ при попутном цилиндрическом фрезеровании образцов из никеля ( 5 мм. Sz0 31 мм / зуб. и160 м / мин. Из выражения ( 117) видно, что сила резания при фрезеровании с плазменным нагревом достаточно сложным образом зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, обусловленных как его природой, так и влиянием термического цикла воздействия плазменной дуги. Сложность и недостаточная изученность последнего влияния на изменение физико-механических характеристик поверхностного слоя металла заготовки не позволяют пока воспользоваться формулой ( 117) для количественной оценки сил резания при фрезеровании, значения которых могут быть получены экспериментальным путем.

Рассмотрены вопросы эффективности и области применения современного метода обработки металлов - резания с плазменным нагревом. Приведены основные закономерности для расчета мощности и других параметров плазмотронов и наладки процесса в целом. Даны необходимые сведения по технологии, режимам обработки, приспособлениям, инструментам, по организации рабочего места и технике безопасности.
В последние годы для плавления особо тугоплавких металлов и сплавов получает применение так называемый плазменный нагрев. В плазменных горелках выделенное в дуге тепло не излучается непосредственно на поверхность нагрева, а используется для получения потока ионизированного газа ( плазмы) с очень высокой температурой ( 5000 - 20 000 К и более) и сверхзвуковыми скоростями. Интенсивность теплоотдачи от потока плазмы к нагреваемым телам чрезвычайно высока.
Второй вариант технологического процесса требует замены и переналадки режущих инструментов, периодического отключения системы плазменного нагрева и отвода плазмотрона с манипулятором. На одном станке могут потребоваться различные системы охлаждения - внутреннего ( для резцов) при ПМО и наружного ( для зоны резания) при других переходах, в которых нагрев не применяется. Однако здесь не требуется переустанавливать и транспортировать заготовку, что имеет преимущества перед первым вариантом не только по времени, расходуемому на эти операции, но и по точности взаимного расположения обработанных поверхностей на различных частях заготовки.
Verneuil method - Вернейля с дуговым нагревом Verneuil method with arc heating - Вернейля с плазменным нагревом Verneuil method with plasma heating - вертикального вытягивания крист.
На поведение металла при резании в процессе ПМО оказывают влияние пластические деформации, возникающие при плазменном нагреве и последующем охлаждении металла в зоне его подхода к режущей кромке инструмента.
 
Loading
на заглавную 10 самыхСловариО сайтеОбратная связь к началу страницы

© 2008 - 2014
словарь online
словарь
одноклассники
XHTML | CSS
Лицензиар ngpedia.ru
1.8.11