Моделирование параметров плазмы двухструйного плазмотрона с промежуточным электродом

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрены физические процессы, происходящие при воздействии плазменного потока дуги двухструйного плазмотрона на промежуточный электрод – вращающуюся вокруг своей оси со скоростью 10 тыс. об/мин металлическую заготовку диаметром 5 см. Нагреваемая поверхность металлической заготовки оплавляется, за счет центробежных сил происходит отрыв материала от заготовки в виде капель, после их охлаждения в среде инертного газа получается порошок сферических металлических частиц (PREP-процесс). Этот порошок применяется в аддитивных технологиях. Представлена трехмерная стационарная модель двухструйного плазмотрона с дугой, замыкающейся через промежуточный электрод – вращающуюся металлическую заготовку (приэлектродные процессы не учитываются). Рассмотрено влияние величины тока дуги и расхода плазмообразующего газа на эффективность нагрева заготовки. Представлены как распределенные (температура, скорость плазмы и др.), так и интегральные (мощность в заготовку, мощность потерь на излучение и др.) результаты расчета. Показано, что зависимость мощности в заготовку от расхода плазмообразующего газа имеет «насыщение», т.е. при превышении определенного расхода мощность в заготовку перестает увеличиваться. В этом случае увеличение тока дуги – наиболее эффективный способ увеличения мощности в заготовку.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. К. Петреня

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: d.ivanov@spbstu.ru
Россия, Санкт-Петербург

В. Я. Фролов

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: d.ivanov@spbstu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Д. В. Иванов

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Автор, ответственный за переписку.
Email: d.ivanov@spbstu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Zdujić M., Uskoković D. Production of Atomized Metal and Alloy Powders by the Rotating Electrode Process // Powder Metall Met. Ceram. 1990. V. 29. P. 673.
  2. Кадыров А.А. Разработка плазменной технологии для получения металлических порошков, используемых в аддитивных технологиях. Дис. … канд. техн. наук. СПб.: СПбПУ, 2020. 116 с.
  3. Ничипоренко О.С., Найда Ю.И., Медведовский А.Б. Распыленные металлические порошки. Киев: Наукова думка, 1980. 238 с.
  4. Фролов В.Я., Клубникин В.С., Петров Г.К., Юшин Б.А. Техника и технологии нанесения покрытий. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 387 с.
  5. Электротехнологические промышленные установки / Под ред. Фролова В.Я. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 572 с.
  6. Рутберг Ф.Г., Сафронов А.А., Попов С.Д., Суров А.В., Наконечный Г.В. Многофазные электродуговые плазмотроны переменного тока для плазменных технологий // ТВТ. 2006. Т. 44. № 2. С. 205.
  7. Сафронов А.А., Васильева О.Б., Дудник Ю.Д., Кузнецов В.Е., Ширяев В.Н. Исследование работы высоковольтных плазмотронов со стержневыми электродами // ТВТ. 2018. Т. 56. № 6. С. 871.
  8. Colombo V., Ghedini E., Boselli M., Sanibondi P., Concetti A. 3D Static and Time-dependent Modelling of a DC Transferred Arc Twin Torch System // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. 194005.
  9. Boselli M., Gherardi M., Colombo V. 3D Modelling of the Synthesis of Copper Nanoparticles by Means of a DC Transferred Arc Twin Torch Plasma System // J. Phys. D: Appl. Phys. 2019. V. 52. 444001.
  10. Zhang Z., Sun Q., Wang C., Shui T., Xia W. Numerical Simulation and Experimental Study on a DC Multi-cathode Arc Plasma Generator // Plasma Chem. Plasma Proc. 2023. https://doi.org/10.1007/s11090-023-10377-0.
  11. Фролов В.Я., Юшин Б.А., Кадыров А.А. Способ получения металлического порошка. Патент на изобретение РФ № 2769116. Кл. МПК-6: B22F9/10; B22F9/14. 28.03.2022.
  12. Frolov V.Ya., Ivanov D.V., Kadyrov A.A., Yushin B.A. Numerical Simulation of Cooling of Fine Metal Powder in Various Gaseous Environment // Materials. Technologies. Design. 2023. V. 5. № 4(14). P. 115.
  13. Boulos M.I., Fauchais P.L., Pfender E. Handbook of Thermal Plasmas. Springer Int. Publ., 2023. 1973 p.
  14. ANSYS Fluent Theory Guide // 2022. https://ansyshelp.ansys.com
  15. Фролов В.Я., Иванов В.Н., Иванов Д.В. Математические модели плазменных электротехнологических процессов // Электричество. 2018. № 7. С. 54.
  16. Ivanov D.V., Zverev S.G. Mathematical Simulation of Plasma Processes in a Radio Frequency Inductively Coupled Plasma Torch in ANSYS Fluent and COMSOL Multiphysics Software Packages // IEEE Trans. Plasma Sci. 2022. V. 50. № 6. P. 1700.
  17. Дресвин С.В., Иванов Д.В. Физика плазмы. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. 544 с.
  18. Теория столба электрической дуги / Отв. ред. Энгельшт В.С., Урюков Б.А. Новосибирск: Наука, 1990. 376 с. (Низкотемпературная плазма. Т. 1).
  19. Иванов Д.В., Зверев С.Г. 3D Model of Plasma Processes in Radio Frequency Inductively Coupled Plasma Torch of 30 kW, 5.28 MHz for Powder Treatment // Вестн. Башкирск. ун-та. 2023. Т. 28. № 3 С. 222.
  20. Petrenya Y.K., Frolov V.Y., Kriskovets D.S., Yushin B.A., Ivanov D.V. The Influence of Electric Arc Plasma Turbulence on Heat Transfer Processes Involving Powder Materials // Energies. 2023. V. 16. P. 5632.
  21. Крисковец Д.С., Фролов В.Я., Юшин Б.А. Analysis of the Turbulence Influence in the Electric ARC Plasma Flow by the Laboratory Study Method // Вестн. Башкирск. ун-та. 2023. Т. 28. № 3. С. 242.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Геометрия и расчетная сетка: (а) – разрез плазмотрона ПН-ПА1 (уплотнения не показаны), (б) – расчетная сетка (разрез в центральном сечении).

Скачать (43KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Температура плазмы в базовом режиме работы (I = 200 А, G = 0.8 г/с): (а) – трехмерное распределение (в тыс. К); (б) – двухмерное распределение в центральном сечении.

Скачать (24KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Скорость плазмы в базовом режиме работы (I = 200 А, G = 0.8 г/с): (а) – трехмерное распределение (в м/с); (б) – двухмерное распределение в центральном сечении.

Скачать (24KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Двумерные распределения параметров плазмы в центральном сечении в базовом режиме работы (I = 200 А, G = 0.8 г/с): (а) – избыточное газостатическое давление; (б) – z-составляющая плотности тока.

Скачать (25KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Усредненные радиальные зависимости температуры (а) и скорости (б) плазмы в выходном сечении плазмотрона при расходе аргона G = 0.8 г/с и различных значениях тока дуги: 1 – 150 А, 2 – 200, 3 – 250.

Скачать (31KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Распределения температуры (а), скорости (б) и избыточного давления (в) плазмы вдоль оси плазмотрона при расходе аргона G = 0.8 г/с и токах дуги: 1 – 150 А, 2 – 200, 3 – 250, 4 – граница плазмотрона.

Скачать (27KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Двумерные распределения температуры (а) и скорости (б) плазмы в центральном сечении при малом расходе плазмообразующего газа (I = 200 А, G = 0.1 г/с).

Скачать (24KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Двумерные распределения температуры (а) и скорости (б) плазмы в центральном сечении при большом расходе плазмообразующего газа (I = 200 А, G = 1.5 г/с).

Скачать (25KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Усредненные радиальные зависимости температуры (а), (б) и скорости (в), (г) плазмы в выходном сечении плазмотрона при токе дуги 200 А и различных значениях расхода аргона: 1 – 0.1 г/с, 2 – 0.3, 3 – 0.5, 4 – 0.8, 5 – 1.0, 6 – 1.2, 7 – 1.5.

Скачать (59KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Распределения температуры (а), (б), скорости (в), (г) и избыточного давления (д), (е) плазмы вдоль оси плазмотрона при токе дуги I = 200 А и различных значениях расхода аргона: 1 – 0.1 г/с, 2 – 0.3, 3 – 0.5, 4 – 0.8, 5 – 1.0, 6 – 1.2, 7 – 1.5, 8 – граница плазмотрона.

Скачать (82KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024