Плазматрондардың типтері мен конструкциялары

Плазмалы қ ыздыру кондыргыларының жү мысы газды-разрядтық плазманы жылу тасығ ыш ретінде пайдаланылуғ а негізделген. Плазманың жеткілікті электр ө ткізгіштігі электр энергиясының электродтар арқ ылы ө ткізгіштік тогын ө ткізу кезінде (кондукциялы тә сіл) немесе айнымалы электр магнит ө рісімен қ озатын (индукциялы тә сіл) электрондык жә не ионды ауыстыру тогының кө мегімен жылу энергиясына тү рленуін қ амтамасыз етеді. Себебі плазманың қ ұ рылуы газдың диссоциация жэне иондануының эндотермиялық процестерімен байланысты болғ андық тан, плазма оны энергиясы сыйымдылық ты пирометаллургиялық процестерде, сонымен қ атар жоғ ары қ оспаланғ ан болат пен балқ ыманы балқ ыту, рудадан алынган металдың тікелей тотық сыздануы, ферробалқ ымаларды алу ү шін пайдаланылуғ а беретін жеткілікті жоғ ары энергиясының мө лшерімен сипатталады.

Плазматрон - қ оректендіру кө зінің электр энергиясын плазма ағ ыншасының (ағ ынының), яғ ни плазмалы генератордың жылу энергиясына тү рлендіруге арналғ ан қ ұ рылғ ы. Электр энергиясын жылу энергиясына тү рлендіру тэсілдеріне байланысты плазматрондар былай бө лінеді: догалы, индукциялы (жогары жиілікті) жэне электрондык

(аса жогары жиілікті).

Доғ алы плазматрондар кең інен қ олданысқ а ие болды, онда плазма температурасын 104 К дейін жеткізу дога баганасын арна қ абырғ аларымен (гидродинамикалық сыгылу), газды агынмен (аэродинамикалық сығ ылу) немесе сыртқ ы магнит ө рісімен (электр магниттік сыгылу) сыгылумен жү зеге асуы мү мкін.

Доганың газды агынмен сыгылуы кезінде (эдетге бү л плазматронның разрядты камерасына бірнеше артық қ ысыммен берілетін плазма қ алыптастырушы газ агыны) газдың бір бө лігі дога баганасы арқ ылы ө те отырып, қ ызады, иондалады жэне разрядты камера арнасынан (соплодан) плазмалы агынша тү рінде шыгады, ал газдың сыртқ ы қ абаты арнадагы ө зінің қ ысымымен доганы сыгады (аэродинамикалык ә сер), сонымен катар дога баганасының перифериясын қ атты суытады жэне оньщ тарылуын тудырады (термиялық сыгу эсері).

Дә л сол уақ ытта осы газ ағ ынының сыртқ ы қ абаты соплоның судыисуытатын қ абыргаларымен жанаса отырып, плазма агыны мен сопло арасында электр жэне жылу оқ шаулауын тудырады. Сопло шыгуда біршама кең ейетін плазмалы агыншаны сыгатындық тан (кедергі жасайтындық тан), доганың ө зіндік магнит ө рісінің эсерінен (сыгушы эсер) қ ысымның осьтік градиенті туындайды жэне агынша агысының жылдамдыгы дыбыс жылдамдыгының мэндеріне дейін (300 м/с-тан жогары) артады.

Плазматронның разрядты камерасындагы газ қ озгалысы аксиал жэне тангенциал (қ ү йынды) тү рде бола алады. Суық плазма тү зуші газ плазматрон осінің бойымен қ озгалу кезінде ө зекті электрод бойымен ө теді, оны суыта отырып, қ ызып жэне плазмалы ағ ыншага (бү л агынша сыртқ а екінші элекгродтың тесігі арқ ылы шыгады) ө те отырып, дога баганасын шаяды. Арна пішінін дү рыс таң даган кездеплазмалы агыншадағ ы газ қ озгалысының ламинарлы сипаты сақ талады.

Дога бағ анасы мұ ндай жағ дайларда плазматронның бойлык осінің жанына тұ рақ талады. Тангенциал беру кезінде (плазматрон осіне қ атысты) плазма тү зетін газ спираль бойымен қ озгала отырып, плазмалы агыншаны қ ұ райтын арна қ абыргаларынан плазмалы агыншаның қ ұ йынды сыгылуын тудыра отырып, дога мұ нарасын шаяды. Газ агыны агуының турбулентті сипаты догалы разряд пен плазма агыншаны тү зетін газ арасындагы жылу алмасуды кү шейтеді, соның салдарынан плазмалы агынньщ тү зілуі процесінің ПЭК артады. Плазма тү зуші газдың қ ұ йынды агысы доганың тірек дагының электрод бетімен ү здіксіз орын ауыстыруын тудырады, бұ л оның қ ызмет етуіне жагымды қ олайлы жагдай тудырады жэне плазматрон қ уатын арттыруга мү мкіндік береді.

Сыртқ ы магнит ө рісінің ә сері екі типті болуы мү мкін:

1) плазмалы агыншаның тұ рақ тануын жэне сыгылуын тудыратын кө лденең магнит ө рісінің эсері;

2) плазмалы доганың тангенциал орын ауыстыруын (айналуын) тудыратын кө лденең магнит ө рісінің эсері. Бү л ретте дога жартылай орын ауыстыруы мү мкін, мү нда доганың тірек дақ тарының бірі (мысалы, катодты дақ) қ озгалыссыз қ алады немесе доганың шең бер

бойымен толық орын ауыстыруы, сол кезде доганың екі тірек дагы да қ озгалады. Металлургиялық плазматрондардың кө бісі тікелей полярлы тұ рақ ты токта (12.5, а-сурет) доганың физикалық ерекшелігінің нэтижесінде жү мыс істейді, бү л дога анодында катодтагыга қ араганда, жылу кө бірек бө лінеді.

Тұ рақ ты ток плазматрондарының айнымалы ток плазматрондарынан маң ызды артық шылыгы доганың жануының тү рақ тылыгы болып табылады. Токтың нө л арқ ылы ө туі кезінде доганы сө ндіру мү мкін, сондық тан ә детте айнымалы токпен қ оректендіру кө зінің бос жү ріс кернеуі Ue* доганың жү мыс кернеуінен и д екі есе жогары болады.

Плазматрондарды тү рақ ты токпен қ оректендіру кезінде и д/и 6)|< = 0, 8-0, 9 қ атынасына қ ол жеткізуге болады. Сондық тан, доганың бірдей қ уаты кезінде тү рақ ты ток кө зінің белгіленген қ уаты айнымалы ток кезінің қ уатына Караганда аз болады. Бү дан басқ а, тү рақ ты ток кө зі ү ш фазалы желінің біркелкі жү ктелуін камтамасыз етеді. Материалдарды ө ң деу процестерінің кө бісі ү шін тұ рақ ты ток плазматрондарын мақ сатка сай қ олданган жө н. Айнымалы ток плазматрондары (1 а, б, в, г сурет) процестің технологиялық талаптарына сэйкес кө п жагдайларда қ олданылады.

Айнымалы ток доғ асының жануының тұ рақ тылығ ын арттыру мақ сатында кейбір плазматрондарды аралас етіп орындайды. Бұ л ретте тікелей эрекетгегі айнымалы токтың негізгі доғ асы электрод пен сопло арасында жанатын тұ рақ ты токтың қ уаты аз қ осалқ ы доғ асын ынталандырады

а - тұ рақ ты; б — айнымалы; в - аралас; г - жогары жиілікті

12 сурет-Ток тү ріне байланысты плазматрондарды жіктеу

Жоғ ары жиілікті плазматрондар жұ мысының принципі (1 г-сурет) плазмада айнымалы электр магнит орісінің энергиясын 40 МГц-ке дейінгі жиілікпен жұ туга негізделген. Индуктор жолагына термиялық тозімді электр откізбейтін материалдан, мысалы, кварцтан жасалғ ан қ ұ бырды орнатады. Қ ұ бырга плазма тү зетін газды жібереді жэне металды немесе графитті ө зекті аз уақ ытқ а енгізеді, ол индуктор орісінің эсерінен қ ызады да, қ оршаган газдың қ ызуы мен бастапқ ы иондалуын тудырады. Қ ұ быр арқ ылы ү рілетін газ сақ иналы разряд арқ ылы оте отырып, қ ызады жэне плазмалы агынша тү рінде агады, оның температурасы (1, 5-2)-104 К дейін жетеді, ал агу жылдамдыгы, догалы плазматрондардың плазмалы агыншасының агуына Караганда, он есе аз болады.

Догалы плазматрондарда дога жануының екі сызбасы мү мкін:

1) дога электродтар арасында жанады, олардың біреуінде плазмалы агынша агатын тесік болады. Бұ лар жанама эрекеттегі догалы плазматрондар деп аталады, олар жылудың автономды козі болып табылады;

2) дога плазматронның ішкі электроды мен қ ыздырылатын (міндетті тү рде электр откізгішгі) объект арасында жанады (1, а-сурет).

Бұ лар тікелей ә рекеттегі догалы плазматрондар деп аталады. Жанама эрекетгегі плазматрондарга Караганда, тікелей ә рекеттегі догасы барплазматроннан агатын плазмалы ағ ынша доғ аның бағ анасымен ү йлескен, сондық тан негұ рлым жоғ ары температура мен жылу қ уатына ие. Мұ ндай сызба металды жоғ ары температурага дейін қ ыздыруды талап ететін, дә лірек айтқ анда, ПДП-те жогары сапалы болатты жэне қ орытпаны қ орыту немесе қ айта балқ ыту процестері ү шін қ ажет.

Догалы плазматрон жұ мысының ресурсі катод қ ызмет мерзімімен анық талады. Эмиссиялық сипаттаманы жақ сарту ү шін иттрий, лантан немесе басқ а элементтермен қ оспаланғ ан вольфрам қ олданылады. Катодтың тозуы (материалдың балқ уы жэне буланып кетуі салдарынан) катодты дақ тағ ы жэне катод маң ындағ ы аймақ тагы электр физикалық процестер, Джоуль-Ленц заң ы бойынша катодтагы жылу генерациясын жэне шекті беттердегі жылу берілісі есебінен оның жылу жү мысына байланысты болады. Вольфрамды катодтың катодты дагындагы ток тыгыздыгы 10-100 кА/см2 жетеді. Катодтың белсенді бетімен жү мыс істеу процесінде қ оспалағ ан қ оспалар буланады, соның нэтижесінде электрондар шығ уының жү мысы артады, ал эмиссия тогының қ ажетті тыгыздыгы катодты дақ тың негү рлым жогары температурасы кезінде қ амтамасыз етіледі.

Балқ ыту температурасына жеткеннен жэне шет жақ тың ү стің гі бетінде сү йық фаза қ алыптасқ аннан кейін бү зылу процесі қ айтарымсыз жү реді жэне катодты ауыстыру қ ажеттілігі туындайды.