Высокочастотный индукционный плазмотрон для получения наноматериалов

обеспечивающими повышение их долговечности в 1,5—2,0 раза по сравнению с кристаллизаторами, изготовленными по базовой технологии, использующей более дорогостоящую медь М 1р.

Основные результаты:

1. Разработана методика формирования рациональной по эксплуатационным характеристикам структуры медных заготовок стенок сборных кристаллизаторов, которая устойчива к микроскопической деформации и снижает неравномерность деформаций при перераспределении дислокационных скоплений в развитую субструктуру

2. Установлено, что рациональная микроструктура стенки кристаллизатора формирует-

ся в процессе холодной кузнечной протяжки поковки при суммарной относительной деформации 20—25 % и количестве проходов кузнечного бойка 10—12. Данной микроструктуре соответствует точка перегиба на кривой «структурная энтропия — относительная степень деформации».

3. Благодаря созданной микроструктуре стенки кристаллизаторы из бескислородной меди М-ЭЛП обладают физико-механическими свойствами, обеспечивающими повышение их долговечности в 1,5—2,0 раза по сравнению с кристаллизаторами, изготовленными по базовой технологии, которая использует более дорогостоящую медь М1р.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Паршин, В.М. Сооружение литейно-прокат-ных комплексов— решение проблемы производства конкурентоспособной продукции |Текст] / В.М. Паршин // Сталь,- 1999. № 6,- С. 26-28.

2. Патент 2141884 РФ. Способ изготовления заготовок рабочих стенок для кристаллизаторов МНЛЗ / С.М. Чумаков, М.В. Филатов, В.В. Климов и др. // Опубл.: БИ,- 1997. № 29.

3. Патент 2253540 РФ. Способ изготовления изделий из бескислородной меди для кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок [Текст] / Н.Б. Абрамова, Л.П. Соломин, О.Н. Ап-

текарева // Опубл. в БИ,— 2005. N° 16.

4. Абрамова, Н.Б. Надежность бойков для холодной кухнечной протяжки медных поковок [Текст] / Н.Б. Абрамова, О.Н. Аптекарева, В.Н. Востров // Металлообработка,- 2010. № 3(57).- С. 26-32.

5. Колбасников, Н.Г. Структура, энтропия, фазовые превращения и свойства металлов [Текст] / Н.Г. Колбасников, С.Ю. Кондратьев // СПб.: Наука, 2006,- 363 с.

6. Пластичность и разрушение [Текст] / Под ред. В.Л. Колмогорова // М.: Металлургия, 1977.— 336 с.

УДК 537.52

В.Я. Фролов, A.B. Лопота, Д.В. Иванов

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Основная проблема плазменного получения наноматериалов связана с обеспечением испарения большого количества порошкового материала (5—10 кг/ч), что требует больших энергетических затрат. Для снижения затрат был разработан комбинированный плазмотрон. В нем, чтобы поддержать существование индуктивно связанной плазмы, используется дуговой плазмотрон постоянного тока [1]. Такой плазмотрон позволяет снизить энергетические затраты на 30 %.

Целью представляемой работы была разработка высокочастотного индукционного (ВЧИ) плазмотрона, обеспечивающего загрузку исходного сырья (порошка ТЮ2) с расходом не менее 5 кг/ч.

Для установления основных геометрических параметров плазмотрона и мощности генерируемого факела проводился анализ магнитногазо-динамических процессов в плазме путем математического моделирования.

В основе используемой математической модели плазменных процессов в ВЧИ плазмотроне

лежат следующие допущения: плазма находится в состоянии локального термодинамического равновесия, ламинарна, она является оптически тонкой. Принятые допущения позволяют рассматривать плазму как сплошную среду.

ВЧИ плазмотроны обычно обладают свойством осевой симметрией, поэтому при математическом описании процессов в таких плазмотронах удобно использовать цилиндрическую систему координат, потому что при этом полную картину плазменных процессов можно получить, рассматривая изменение параметров плазмы (температура, скорость и др.) только в двух направлениях: вдоль оси плазмотрона и в направлении его радиуса.

Основные уравнения, входящие в модель плазмы, выражают фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса, массы) и для элементарного объема в двумерной цилиндрической системе координат записываются следующим образом [2—4]:

уравнение баланса энергии

уравнение неразрывности дг гдг

В уравнения (1)—(3) входят параметры плазмы (Т— температура, и2, иг, иФ — соответственно осевая, радиальная и тангенциальная составляющие скорости, р — давление), теп-лофизические свойства плазмы (р — плотность, ср — теплоемкость, У — теплопроводность, | — вязкость, а — электропроводность, итс! ~ удельная мощность излучения), электромагнитные величины (Е — напряженность электрического поля, ЕВг, ЕВг, ЕВ(? — осевая, радиальная и тангенциальная составляющие электромагнитной силы).

Так как плазма в ВЧИ плазмотроне существует в электромагнитном поле, то система уравнений (1)—(3) дополняется системой электромагнитных уравнений Максвелла, описывающей электромагнитные процессы, происходящие в плазме:

р с.

дТ_

дг

ЗТ_

дг

- аЕ1 игас1 + — д

яД] Д А

дг I г дг

д

уравнения движения для трех составляющих скорости

о.

до. до7

—- + —-

д

д

др + д дг дг

ди,

I—2 V дг

+ - —

д

ф-

д

+ РВг+ р&;

г

диг дъг оф -- + —-—21

дг дг 2

др + д дг дг

дъг

I—-

V дг У

+-—

д

ф-

дог д

+ 2)

/

ф 5иф ифигЛ

диф

к

д_

дг

д^Ф

I—-

д

д

+ -—

д

д

/

ф-

д^ф

д

ф

го \Е = -

дВ

д(

го! Н = 1,

АЬЕ = ЬЦ е

=

Систему уравнений Максвелла удобно свести к одному уравнению относительно напряженности электрического поля. Это уравнение с использованием комплексного метода приводится к следующему виду:

а2

дг2

г дг

д3ф. д

\г

где Ёу — комплексное действующее значение тангенциальной составляющей напряженности электрического поля; у —мнимая единица; |а0 — магнитная постоянная; ю — круговая частота; ю = 2тс/, f — частота тока индуктора.

Итак, (1)—(4) представляют собой систему уравнений, которую необходимо решить совместно с целью получения распределений искомых величин — параметров плазмы, а именно: температуры, скорости, давления, электромагнитных величин. В качестве расчетной области берется

40 20 0 20 40

Рис. 1. Геометрия разрабатываемого ВЧИ плазмотрона

канал плазмотрона и область плазменной струи — область существования плазмы. На каждой границе расчетной области на основе простейших физических соображений задаются граничные условия для каждой искомой величины.

Как уже было сказано, в систему (1)—(4), описывающую поведение плазмы, входят ее теп-лофизические свойства. Для основных газов, которые используются в ВЧИ плазмотронах, зависимости этих свойств от температуры (обычно при атмосферном давлении) приведены в научных публикациях [5, 6].

Система нелинейных дифференциальных уравнений (1)—(4) решается методом контрольного объема [7,2—4].

Геометрия разрабатываемого ВЧИ плазмотрона представлена на рис. 1.

С целью подбора режима работы ВЧИ плазмотрона, обеспечивающего мощность плазменной струи, достаточную для испарения исходного порошка ТЮ2 с расходом не менее 5 кг/час, была проведена серия расчетов, при которых мощность варьировалась в пределах 20—40 кВт, расход плазмообразующего газа (аргона) — в пределах 0,5—4 г/с.

Результаты расчета представлены на рис. 2, 3, из которых видно, что требуемые условия обеспечиваются при мощности 30 кВт и расходе газа 3 г/с.

В этом режиме мощность плазменной струи (мощность на выходе плазмотрона) составляет 20 кВт. Эта мощность достаточна для испарения исходного порошка ТЮ2 с расходом не менее 5 кг/ч. При этом наиболее эффективно данный режим обеспечивается на частоте 5,28 МГц.

Из рассмотрения результатов расчетов видно, что максимальная температура (~ 10000 К) наблюдается в зоне выделения энергии примерно на одинаковом расстоянии от оси и стенки (см. рис. 2, а). Это объясняется следующим образом. В результате воздействия электромагнитного поля в плазме наводится кольцевой ток. Несмотря на то, что максимальная напряженность электрического поля расположена на стенке плазмотрона, максимальная плотность тока плазмы формируется на некотором расстоянии от стенки. Это объясняется тем, что условием прохождения тока является наличие электропроводимости плазмы, которая имеет место при температуре не меньше 6000 К, что, в свою очередь, возможно лишь на некотором расстоянии от стенки. Вблизи оси плазмотрона плотность тока падает, что объясняется поверхностным эффектом, т. е. вытеснением переменного электромагнитного поля из глубины электропроводящей среды на ее поверхность.

На выходе плазмотрона температура плазмы снижается до 7—8 тыс. К.

На входе плазмотрона наблюдается зона рециркуляционного течения плазмы (лобовой вихрь — см. рис. 2, б). Передняя граница лобового вихря четко совпадает с границей плазмы, задняя граница находится примерно в середине индуктора. В зоне лобового вихря линии потока замкнуты, т. е. некоторое количество плазмы постоянно вращается в этой зоне, не выходя из нее. Холодный газ, идущий от входа, отбрасывается к стенке плазмотрона и не проникает в эту зону. Главную роль в образовании зоны обратного течения плазмы играет электромагнитная сила . Несмотря на то, что в зоне лобового вихря некоторое количество плазмы находится постоянно, в то время как остальная часть плазмы движется от входа к выходу, максимальная температура достигается не в этой зоне, а в зоне выделения энергии.

40 20 0 20 40

20 0 20 40 г, мм

20 0 20 40 г, мм

Рис. 2. Распределения температуры (а), тыс. К, и функции потока ¡), 10 3 кг/с, плазмы: мощность в плазме — 30 кВт, расход газа — 3 г/с

40 20 0 20 40

40 20 0 20 40

40 20 0 20 40 '".мм

40 20 0 20 40 ;;мм

Рис. 3. Распределения осевой (а) и радиальной (б) скорости плазмы, м/с: мощность в плазме — 30 кВт, расход газа — 3 г/с

Рис. 4. Вид в разрезе ВЧИ плазмотрона для получения наноматериалов

Холодный газ, отброшенный лобовым вихрем к стенке плазмотрона, постепенно нагревается плазмой, становится электропроводящим, а потому на него начинает действовать электромагнитная сила. В результате примерно в середине индуктора поданный газ начинает проникать в плазму. Однако основная масса газа протекает вдоль стенки, минуя плазму.

Максимальная осевая скорость плазмы на выходе плазмотрона составляет 30 м/с (см. рис. 3, а). Внутри плазмотрона осевая скорость меньше, чем на выходе, что объясняется наличием рециркуляционного течения, направленного к входу плазмотрона (его максимальная по модулю скорость составляет 10 м/с). Радиальная скорость отрицательна в области индуктора (см. рис. 3,6), здесь она обусловлена действием электромагнитной силы Гг. В области входа радиальная скорость положительна, так как лобовой

1 50

вихрь отбрасывает холодный газ к стенке плазмотрона и сам замыкается, двигаясь вдоль стенок плазмотрона к зоне индуктора.

На основе проведенных исследований был разработан ВЧИ плазмотрон для получения наноматериалов, обеспечивающий испарение исходного порошка ТЮ2 с расходом не менее 5 кг/ч. Общий вид данного плазмотрона в разрезе представлен на рис. 4.

Он состоит: из разрезной металлической камеры У, изготовленной из медной трубы, в которой фрезеруются каналы водоохлаждения, они прикрываются медными накладками и запаиваются; кварцевой трубы 2, установленной на съемные фланцы 4\ индуктора 3. Витки индуктора помещены внутрь фторопластовой трубки, которая исключает возникновение межвитковых пробоев индуктора при зажигании плазмы. Водяное охлаждение разрезной металлической камеры подводится через штуцеры 5. Снизу к фланцу разрезной металлической камеры присоединяется газоформирователь 6 со штуцером 7, через который подается плазмообразующий газ. Внутренняя кварцевая трубка ¿'предназначена для формирования в пристеночной области плазмотрона потока газа с высокой скоростью, защищающего стенки плазмотрона от теплового потока, создаваемого плазмой.

Кольцо 9 имеет продольные прорези, предназначенные для формирования газового потока. Меняя наклон прорезей относительно оси кольца, можно создавать газовые потоки с различной степенью тангенциальной закрутки. Второе назначение кольца 9 — центровка внутренней кварцевой трубы 8. Снизу к газоформирователю 6 присоединяется переходной фланец У0для пристыковки дугового плазмотрона постоянного тока с повышенным диаметром сопла, который создает ламинарный поток плазмы, предназначенный для поджига ВЧИ плазмы. Съемные фланцы 4, фланец разрезной металлической камеры 2, фланцы газоформирователя 6 и переходной фланец имеют одинаковые отверстия для болтового соединения, что позволяет при необходимости собирать плазмотрон без разрезной водоохлаждаемой камеры 2 или/и без газоформирователя 6.

Плазмотрон работает следующим образом. Плазменная струя, созданная плазмотроном переменного тока, истекает в внутреннюю часть ВЧИ плазмотрона. Созданное протекающим

по индуктору током высокой частоты электромагнитное поле индуцирует в плазменной струе кольцевой ток, приводящий к выделению в ней тепловой мощности, в результате чего зажигается ВЧИ плазма. Водяное охлаждение разрезной металлической камеры отводит энергию, выделяемую при протекании по камере индукционного тока, а также тепловые потери плазмы, передаваемые в стенку камеры. После зажигания ВЧИ плазмы электропитание плазмотрона постоянного тока отключается, и струя дугового плазмотрона гаснет. При этом подачу плазмообразующего газа через дуговой плазмотрон в камеру ВЧИ плазмот-

СПИСОК J

1. Frolov, V. Experimental investigations of the gybrid plasma torch with reverse vortex stabilization [Текст] / V. Frolov, D. ivanov, S. Zverev, 1. Matveev // Proc. 18th Symposium on Physics of Switching Arc.— Brno: Editors V. Anbrecht and M. Bartlova, 2009. P. 154-157.

2. Дресвин, C.B. Основы математического моделирования плазмотронов. Ч. 1. Уравнение баланса энергии. Метод контрольного объема. Расчет температуры плазмы [Текст]: учеб. пособие / C.B. Дресвин, Д.В. Иванов,— СПб: Изд-во Политехи. ун-та, 2004,— 227 с.

3. Дресвин, C.B. Основы математического моделирования плазмотронов. Ч. 2. Электромагнитные задачи в плазмотронной технике [Текст]: учеб. пособие / C.B. Дресвин, Д.В. Иванов,— СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2006,— 296 с.

рона можно оставить, так как этот поток газа необходим в ряде режимов его работы.

Разработан ВЧИ плазмотрон со следующими параметрами: частота тока индуктора — 5,28 МГц, внутренний диаметр канала плазмотрона — 56 мм, мощность в плазме — 30 кВт, расход плазмообразующего газа (аргон) — 3 г/с, обеспечено испарение исходного порошка ТЮ2 с расходом не менее 5 кг/ч.

Данная статья была написана при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям в рамках работ по Государственному контракту №02.513.11.3483 от 08 октября 2009 г.

4. Дресвин, C.B. Основы математического моделирования плазмотронов. Ч. 3. Уравнения движения плазмы. Методика расчета скорости плазмы в плазмотронах [Текст]: учеб. пособие / C.B. Дресвин, Нгуен Куок Ши, Д.В. Иванов,— СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2006,— 132 с.

5. Энгелынт, B.C. Теория столба электрической дуги / B.C. Энгелынт, В.Ц. Гурович, Г.А. Десятков [и др.].— Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990,— 376 с. (Низкотемпературная плазма. Т. 1).

6. Boulos, M.I. Thermal Plasmas: Fundamentals and Applications [Текст] / M.l. Boulos, P. Fauchais, E. Pfen-der.— New York: Plenum Press, 1994,— Vol. 1,— 452 p.

7. Патанкар, С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости [Текст]: пер. с англ. / С. Патанкар — М.: Энергоатомиз-дат, 1984,- 152 с.

УДК 661

A.B. Лопота, В.Я. Фролов, Д.В. Иванов, Б.А. Юшин

РАЗРАБОТКА УЛОВИТЕЛЯ ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Проблема сбора и улавливания наноматери-алов представляет собой достаточно сложную техническую задачу. Это обусловлено как малыми размерами частиц, так и особенностями конструкций оборудования (реакторы, кристаллизаторы), в которых получают наноматериалы.

Такие известные способы сбора наномате-риалов [1], как электрические фильтры, центробежные камеры и т. п., выпускаемые серийно,

зачастую не могут быть использованы при конструировании нового оборудования из-за технической сложности их стыковки. Так, например, электрический фильтр обладает объемной конфигурацией осадительных электродов, а также большими размерами секций, необходимых для сбора наноматериалов с минимальными потерями [2, 3]. Использование центробежной силы в устройствах типа «циклон» требует специаль-