Плазменная горелка (ПГ) является преобразователем энергии электрического тока в тепловую энергию плазменной струи (см. рисунок 1). Максимальная температура плазменного факела горелки составляет около 6000 градусов.

 

Принцип действия ПГ основан на использовании струи ионизированного газа - плазмы, которая содержит электрически заряженные частицы и способного проводить электрический ток.

Плазменный газ образуется за счет разложения рабочей жидкости, которая заправляется в горелку, под действием значительного повышения температуры в электрической дуге между катодом 1 и соплом 2 (рисунок 2). Энергия плазменной струи зависит от тока дуги, напряжения и расхода плазменного газа.
Напряжение на электрод-катод 1 относительно заземленного сопла-анода 2 подается от источника питания.

 

Возбуждение электрической дуги производят кратковременным прижатием рабочего конца электрода-катода 1 к соплу-аноду 2. При отпускании кнопки происходит разрыв контакта электрод-катод 1 - сопло-анод 2, и между ними возбуждается электрическая дуга. Энергия, выделяемая на электроде-катоде 1 и сопле-аноде 2 при протекании тока в дуге, разогревают их, и тепло через теплопроводные элементы конструкции передается рабочей жидкости, находящейся внутри горелки.

Рабочая жидкость превращается в пар, создается избыточное давление, под действием которого пар проходит в разрядную камеру и далее выходит через отверстие сопла-анода 2, стабилизируя при этом дугу и одновременно охлаждая электрод-катод1 и сопло-анод 2.
Оптимальный зазор между электродом-катодом 1 и соплом-анодом 2 подбирают для конкретного режима работы горелки.
Требуемый режим использования аппарата устанавливается путем изменения выходного тока источника питания.

Плазменная горелка может быть использована для выполнения многих операций, где требуется высокая температура воздействия на материал. Ниже приводятся самые распространенные области применения ПГ.
- резка заготовок и деталей из чугуна, стали и сплавов из цветных металлов. Возможность обработки тугоплавких материалов органического и неорганического происхождения (кварцевое стекло, базальт, кварц, гранит, мрамор, бетон и пр.);
- пайка мягкими и твердыми припоями с низкой и высокой температурой плавления;
- сварка-пайка изделий из цветных металлов;
- сварка конструкционных, легированных, нержавеющих сталей, а также цветных металлов и их сплавов;
- плавление небольшого количества металла в тиглях;
- поверхностная термообработка.

 

Гибридная лазерно-плазменная сварка – это способ сварки, при котором формирование сварочной ванны происходит при одновременном действии луча лазера и плазменной струи.
При плазменной обработке источником тепла служит плазменная струя – поток ионизированных частиц, обладающих высокой энергией.
Плазменной струей принято называть сжатый дуговой разряд с интенсивным плазмообразо-ванием. Плазменная дуга может быть прямого и косвенного действия. В первом случае анодом слу-жит изделие, и столб дуги в этих случаях часто называют "проникающей дугой", а также дугой прямого действия. Если анодом служит сопло, которое конструктивно может совпадать с каналом плазменной головки, то источник теплоты становится независимым от изделия со струёй плазмы, выделенной из столба дуги в виде факела. Такую дугу называют дугой косвенного действия или просто плазменной струей.

Преимущества плазменной сварки состоят в следующем :
1. По сравнению с аргонодуговой плазменная сварка отличается более стабильным горением дуги, при этом обеспечивается более равномерное проплавление кромок.
2. По проплавляющей способности плазменная дуга занимает промежуточное положение между электронным лучом и дугой, горящей в аргоне.
3. Способ дуги и струя плазмы имеют цилиндрическую форму, поэтому площадь поверхно-сти металла, через которую осуществляется теплопередача, не зависит от расстояния между элек-тродом горелки и изделием.
4. Благодаря цилиндрической форме столба дуги плазменно-дуговая сварка менее чувстви-тельна к изменению длины дуги, чем аргонодуговая. Плазменная сварка позволяет иметь практиче-ски постоянный диаметр пятна и дает возможность стабилизировать проплавление основного метал-ла.
Плазменная сварка, также как и многие другие методы сварки, наряду с преимуществами имеет и свои недостатки:
1. Недостаточная плотность мощности в зоне обработки.
2. Невозможность достичь стабилизации дуги при высоких скоростях сварки.
 

 

 Для реализации данного устройства необходимо создание установки, схема которой приведена на рисунке 1.

Возбуждение электрической дуги производят кратковременным прижатием рабочего конца электрода-катода 1 к соплу-аноду 2. При отпускании кнопки происходит разрыв контакта электрод-катод 1 - сопло-анод 2, и между ними возбуждается электрическая дуга. Энергия, выделяемая на электроде-катоде 1 и сопле-аноде 2 при протекании тока в дуге, разогревают их, и тепло через теплопроводные элементы конструкции передается рабочей жидкости, находящейся внутри горелки.

Плазматрон, плазмотрон, плазменный генератор - газоразрядное устройство для получения «низкотемпературной» (Т » 10⁴ К) плазмы. 

Дуговой Плазматрон постоянного тока состоит из следующих основных узлов: одного (катода) или двух (катода и анода) электродов, разрядной камеры и узла подачи плазмообразующего вещества; разрядная камера может быть совмещена с электродами - так называемыми Плазматрон с полым катодом. (Реже используются дуговые Плазматрон, работающие на переменном напряжении; при частоте этого напряжения » 10⁵ Гц их относят к ВЧ плазматронам.) Существуют дуговые Плазматрон с осевым и коаксиальным расположением электродов, с тороидальными электродами, с двусторонним истечением плазмы, с расходуемыми электродами (рис. 1) и т.д. Отверстие разрядной камеры, через которое истекает плазма, называется соплом Плазматрон (в некоторых типах дуговых Плазматрон границей сопла является кольцевой или тороидальный анод). Различают две группы дуговых Плазматрон- для создания внешней плазменной дуги (обычно называется плазменной дугой) и плазменной струи. В Плазматрон 1-й группы дуговой разряд горит между катодом Плазматрона и обрабатываемым телом, служащим анодом. Эти Плазматроны могут иметь как только катод, так и второй электрод - вспомогательный анод, маломощный разряд на который с катода (кратковременный или постоянно горящий) «поджигает» основную дугу. В Плазматроны 2-й группы плазма, создаваемая в разряде между катодом и анодом, истекает из разрядной камеры в виде узкой длинной струи.

Стабилизация разряда в дуговых Плазматронах осуществляется магнитным полем, потоками газа и стенками разрядной камеры и сопла. Один из распространённых способов магнитной стабилизации плазменноструйных Плазматрон с анодом в форме кольца или тора, коаксиального катоду, состоит в создании (с помощью соленоида) перпендикулярного плоскости анода сильного магнитного поля, которое вынуждает токовый канал дуги непрерывно вращаться, обегая анод. Поэтому перемещаются по кругу анодные и катодные пятна дуги, что предотвращает расплавление электродов (или их интенсивную эрозию, если они выполнены из тугоплавких материалов).

К числу способов газовой стабилизации, теплоизоляции и сжатия дуги относится так называемая «закрутка» - газ подаётся в разрядную камеру по спиральным каналам, в результате чего образуется газовый вихрь, обдувающий столб дуги и генерируемую плазменную струю: слой более холодного газа под действием центробежных сил располагается у стенок камеры, предохраняя их от контакта с дугой. В случаях, когда не требуется сильного сжатия потока плазмы (например, в некоторых Плазматрон с плазменной дугой, используемых для плавки металла; см. Плазменная печь), стабилизирующий газовый поток не закручивают, направляя параллельно столбу дуги, и не обжимают соплом (катод располагают на самом срезе сопла). Очень часто стабилизирующий газ одновременно является и плазмообразующим веществом. Применяют также стабилизацию и сжатие дуги потоком воды (с «закруткой» или без неё).

Плазма дуговых Плазматрон неизбежно содержит частицы вещества электродов вследствие их эрозии. Когда этот процесс по технологическим соображениям полезен, его интенсифицируют (Плазматрон с расходуемыми электродами); в др. случаях, напротив, минимизируют, изготовляя электроды из тугоплавких материалов (вольфрам, молибден, спец. сплавы) и (или) охлаждая их водой, что, кроме того, увеличивает срок службы электродов. Более «чистую» плазму дают ВЧ плазматроны.

Плазматрон с плазменной струёй обычно используют при термической обработке металлов, для нанесения покрытий, получения порошков с частицами сферической формы, в плазмохимической технологии и пр.; Плазматрон с внешней дугой служат для обработки электропроводных материалов; Плазматрон с расходуемыми электродами применяют при работе на агрессивных плазмообразующих средах (воздухе, воде и др.) и при необходимости генерации металлической, углеродной и т.д. плазмы из материала электродов (например, при карботермическом восстановлении руд).

Мощности дуговых Плазматронов 10²-10⁷ Вт; температура струи на срезе сопла 3 000-25 000 К; скорость истечения струи 1-10⁴ м/сек; промышленное КПД 50-90%; ресурс работы (определяется эрозией электродов) достигает несколько сотен ч, в качестве плазмообразующих веществ используют воздух, N₂, Ar, H₂, NH₄, O₂, H₂O, жидкие и твёрдые углеводороды, металлы, пластмассы.

Высокочастотный Плазматрон включает: электромагнитную катушку-индуктор или электроды, подключенные к источнику высокочастотной энергии, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества. Различают индукционные, ёмкостные, факельные (см. Факельный разряд), Плазматрон на коронном разряде и с короной высокочастотной, а также сверхвысокочастотные (СВЧ) Плазматрон (рис. 2). Наибольшее распространение в технике получили индукционные ВЧ плазматроны, в которых плазмообразующий газ нагревается вихревыми токами. Т. к. индукционный высокочастотный разряд является безэлектродным, эти Плазматрон используют для нагрева активных газов (O₂, Cl₂, воздуха и др.), паров агрессивных веществ (хлоридов, фторидов и др.), а также инертных газов, если к плазменной струе предъявляются высокие требования по чистоте. С помощью индукционных Плазматрон получают тонкодисперсные и особо чистые порошковые материалы на основе нитридов, боридов, карбидов и др. химических соединений. В плазмохимических процессах объём разрядной камеры таких Плазматронов может быть совмещен с реакционной зоной. Мощность Плазматрона достигает 1 МВт, температура в центре разрядной камеры и на начальном участке плазменной струи ~ 10⁴ К, скорость истечения плазмы 0-10³ м/сек, частоты - от нескольких десятков тыс. Гц до десятков МГц, промышленное КПД 50-80%, ресурс работы до 3000 ч. В СВЧ плазматроне рабочие частоты составляют тысячи и десятки тыс. МГц; в качестве питающих их генераторов применяются магнетроны. ВЧ плазматроны всех типов, кроме индукционных, применяются (70-е гг. 20 в.) главным образом в лабораторной практике. В ВЧ плазматроне, как и в дуговых, часто используют газовую «закрутку», изолирующую разряд от стенок камеры. Это позволяет изготовлять камеры ВЧ плазматрона из материалов с низкой термостойкостью (например, из обычного или органического стекла).

Для пуска Плазматрон, т. е. возбуждения в нём разряда, применяют: замыкание электродов, поджиг вспомогательного дугового разряда, высоковольтный пробой межэлектродного промежутка, инжекцию в разрядную камеру плазмы и др. способы. Основные тенденции развития Плазматрон: разработка специализированных Плазматрон и плазменных реакторов для металлургической, химической промышленностей, повышение мощности в одном агрегате до 1-10 МВт, увеличение ресурса работы и т.д.