ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Плазмообразующие среды и их физико-химические свойства из "Плазменная резка " Плазменно-дуговые процессы (в том числе и процесс плазменной резки) протекают при наличии газовой плазмообразующей среды. Состав среды может состоять из одно-, двух- или многокомпонентных газов, которые отличаются друг от друга своими физико-химическими свойствами, а также своей активностью по отношению к металлам. [c.43] Выбор среды определяется возможностью ее использования на существующем оборудовании, надежностью работы электрода и сопла плазмотрона, а также технологическими особенностями процесса. [c.43] Плазмообразующая среда должна обеспечивать наибольщую 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. [c.43] В качестве плазмообразующих газовых сред применяют аргон, азот, воздух, смеси аргона и азота с водородом, аммиак. Может быть использована в качестве плазмообразующей среды вода, которая превращается при высокой температуре столба дуги частично в пар, а частично диссоциирует на водород и кислород. Воду используют также как добавку к основному плазмообразующему газу в небольших количествах ее вводят в столб плазменной дуги в канале сопла или на его нижнем срезе. [c.43] Перечисленные газы и их смеси проявляют себя по-разному в электро-дуговом 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. [c.43] 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 / = 24,58 эВ, /2 = 54,1 эВ [46]. Двух- и трехкратная ионизация атомов требует затрат энергии, достигающей сотен электронвольт, а полная ионизация — тысяч электронвольт. Чем меньше потенциал ионизации газа, тем быстрее при меньшей температуре (меньшей приложенной энергии) достигается высокая степень ионизации X. Для водорода (/1 = 13,59 эВ) наивысшая степень ионизации 1 достигается при 24 000 К для гелия (/1=24,58 эВ). 1 — при 50 000 К. [c.44] 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 исполь-зоваиии таких газов в плазме содержится большее количество энергии при сравнительно низких температурах диссоциации и ионизации (рис. 2.8). [c.44] Чем выше объемное теплосодержание, тем эффективнее плазмообразующая среда. Плазмообразующие газы отличаются напряженностью (Е) электрического поля дуги. В зависимости от состава газа в дуге при заданном токе (/) может выделиться на 1 см ее длины большая или меньшая энергия (/ ). [c.44] Плазмообразующие газы характеризуются теплопроводностью, которая зависит от температуры плазмы (рис. 2.9). Газы, обладающие более высокой теплопроводностью, являются наилучшими преобоазователями энергии дуги в тепло. [c.44] Теплопроводность плазмы обусловлена движением частиц. Главную роль в переносе тепла от более горячих участков плазмы к холодным играют электроны (благодаря их большой тепловой скорости). [c.45] Гелий — одноатомный инертный газ, хорошо защиш,ает вольфрамовый электрод от окисления, но в отличие от аргона обладает большой теплопроводностью (при температуре 10 ООО К всего в два раза меньшей, чем у меди). В связи с этим в случае применения его в чистом виде для плазменной резки происходит быстрый нагрев и разрушение сопла. Гелий обеспечивает высокую напряженность поля дугового столба (примерно в четыре раза более высокую, чем у аргоновой плазмы). Теплосодержание гелиевой плазмы (так же как и аргоновой) очень низкое. Для ионизации молекулы гелия требуется высокая температура. Гелий в отличие от аргона является наилучшим преобразователем энергии дуги в тепло и применяется в смеси с аргоном. [c.46] Азот (или воздух, содержащий 78 % азота) является наиболее подходящим двухатомным газом для стабилизации плазменой дуги. Он при температуре примерно 12 000 К почти полностью диссоциирует выше 20 ООО К азот практически полностью ионизирован. При температуре 10 000 К азотная плазма имеет теплосодержание в пять раз большее, чем аргоновая. Однако при использовании азота вольфрамовый электрод менее стоек, чем в случае применения аргона и гелия. При использовании воздушной плазмы вольфрам вообще не годится и требуется циркониевый или гафниевый электрод. Напряженность поля столба дуги в азоте и воздухе более высокая, чем в аргоне. Поэтому при использовании этих газов эффективность преобразования электрической энергии в тепловую также значительно выше. [c.46] Воздух (и особенно кислород) в дополнение к сказанному является сильным окислителем металлов, что ставит его по значимости в процессах плазменной резки выше азота. При использовании воздуха по сравнению с азотом скорость резки углеродистых и низколегированных сталей при тех же параметрах дуги возрастает более, чем в 1,5 раза. [c.46] 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 по 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. [c.46] Для того чтобы в заметной степени произошла реакция, при которой вода распадается на водород и кислород, необходима температура порядка 4000—5000 С. Процесс диссоциации воды происходит с поглощением тепла. Согласно принципу Ле Шателье — Брауна, повышение температуры должно сдвигать равновесие процесса вправо, т. е. в сторону образования водорода и кислорода. [c.47] Чем выше температура, тем сильнее равновесие сдвинуто вправо. [c.47] 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 металлл дополнительного тепла. [c.47] Анализ рассмотренных плазмообразующих сред показывает, что ни один из газов не может обеспечить самостоятельно весь комплекс положительных свойств идеального плазмообразующего газа. [c.47] 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. [c.47] Выбор плазмообразующей среды определяется используемой аппаратурой, маркой и толщиной разрезаемого металла. Плазмообразующая среда оказывает сундественное влияние на изменение фазового состава металла, прилегающего к поверхности реза, на его химический состав и механические свойства. [c.47] Вернуться к основной статье