Магнитное управление потоками низкотемпературной плазмы в процессах нанесения газотермических покрытий
Исследована возможность управления пространственным расположением струи низкотемпературной плазмы путем наложения на начальный участок плазменного потока поперечного магнитного поля. Установлено, что основными параметрами, влияющими на угол отклонения струи, являются значения тока управляющего эле...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2006 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2006
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102663 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Магнитное управление потоками низкотемпературной плазмы в процессах нанесения газотермических покрытий / В.Н. Пащенко, С.П. Солодкий // Автоматическая сварка. — 2006. — № 6 (638). — С. 53-55. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102663 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Пащенко, В.Н. Солодкий, С.П. 2016-06-12T10:25:08Z 2016-06-12T10:25:08Z 2006 Магнитное управление потоками низкотемпературной плазмы в процессах нанесения газотермических покрытий / В.Н. Пащенко, С.П. Солодкий // Автоматическая сварка. — 2006. — № 6 (638). — С. 53-55. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102663 621.791.927.6 Исследована возможность управления пространственным расположением струи низкотемпературной плазмы путем наложения на начальный участок плазменного потока поперечного магнитного поля. Установлено, что основными параметрами, влияющими на угол отклонения струи, являются значения тока управляющего электромагнита и удельной энергии плазменной струи. Показано, что направление отклонения плазменного потока зависит от направлений магнитного потока в зоне взаимодействия и крутки газового потока. The paper studies the possibility of controlling the spatial position of a low-temperature plasma jet by superposition of a transverse magnetic field on the initial region of the plasma flow. It is established that the main parameters influencing the angle of the jet deviation, are the controlling electric magnet current and specific energy of the plasma jet. It is shown that the direction of plasma flow deviation depends on the directions of the magnetic flow in the interaction zone and direction of the gas flow twist. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Краткие сообщения Магнитное управление потоками низкотемпературной плазмы в процессах нанесения газотермических покрытий Magnetic control of low-temperature plasma flows in the processes of deposition of thermal coatings Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Магнитное управление потоками низкотемпературной плазмы в процессах нанесения газотермических покрытий |
| spellingShingle |
Магнитное управление потоками низкотемпературной плазмы в процессах нанесения газотермических покрытий Пащенко, В.Н. Солодкий, С.П. Краткие сообщения |
| title_short |
Магнитное управление потоками низкотемпературной плазмы в процессах нанесения газотермических покрытий |
| title_full |
Магнитное управление потоками низкотемпературной плазмы в процессах нанесения газотермических покрытий |
| title_fullStr |
Магнитное управление потоками низкотемпературной плазмы в процессах нанесения газотермических покрытий |
| title_full_unstemmed |
Магнитное управление потоками низкотемпературной плазмы в процессах нанесения газотермических покрытий |
| title_sort |
магнитное управление потоками низкотемпературной плазмы в процессах нанесения газотермических покрытий |
| author |
Пащенко, В.Н. Солодкий, С.П. |
| author_facet |
Пащенко, В.Н. Солодкий, С.П. |
| topic |
Краткие сообщения |
| topic_facet |
Краткие сообщения |
| publishDate |
2006 |
| language |
Russian |
| container_title |
Автоматическая сварка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Magnetic control of low-temperature plasma flows in the processes of deposition of thermal coatings |
| description |
Исследована возможность управления пространственным расположением струи низкотемпературной плазмы путем
наложения на начальный участок плазменного потока поперечного магнитного поля. Установлено, что основными
параметрами, влияющими на угол отклонения струи, являются значения тока управляющего электромагнита и
удельной энергии плазменной струи. Показано, что направление отклонения плазменного потока зависит от направлений магнитного потока в зоне взаимодействия и крутки газового потока.
The paper studies the possibility of controlling the spatial position of a low-temperature plasma jet by superposition of a
transverse magnetic field on the initial region of the plasma flow. It is established that the main parameters influencing
the angle of the jet deviation, are the controlling electric magnet current and specific energy of the plasma jet. It is shown
that the direction of plasma flow deviation depends on the directions of the magnetic flow in the interaction zone and
direction of the gas flow twist.
|
| issn |
0005-111X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102663 |
| citation_txt |
Магнитное управление потоками низкотемпературной плазмы в процессах нанесения газотермических покрытий / В.Н. Пащенко, С.П. Солодкий // Автоматическая сварка. — 2006. — № 6 (638). — С. 53-55. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT paŝenkovn magnitnoeupravleniepotokaminizkotemperaturnoiplazmyvprocessahnaneseniâgazotermičeskihpokrytii AT solodkiisp magnitnoeupravleniepotokaminizkotemperaturnoiplazmyvprocessahnaneseniâgazotermičeskihpokrytii AT paŝenkovn magneticcontroloflowtemperatureplasmaflowsintheprocessesofdepositionofthermalcoatings AT solodkiisp magneticcontroloflowtemperatureplasmaflowsintheprocessesofdepositionofthermalcoatings |
| first_indexed |
2025-11-27T03:04:10Z |
| last_indexed |
2025-11-27T03:04:10Z |
| _version_ |
1850795879890419712 |
| fulltext |
УДК 621.791.927.6
МАГНИТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПОТОКАМИ
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ В ПРОЦЕССАХ
НАНЕСЕНИЯ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
В. Н. ПАЩЕНКО, канд. техн. наук, С. П. СОЛОДКИЙ, инж. (НТУУ «Киевский политехнический институт»)
Исследована возможность управления пространственным расположением струи низкотемпературной плазмы путем
наложения на начальный участок плазменного потока поперечного магнитного поля. Установлено, что основными
параметрами, влияющими на угол отклонения струи, являются значения тока управляющего электромагнита и
удельной энергии плазменной струи. Показано, что направление отклонения плазменного потока зависит от на-
правлений магнитного потока в зоне взаимодействия и крутки газового потока.
К л ю ч е в ы е с л о в а : газотермическое нанесение пок-
рытий, низкотемпературная плазма, плазменный поток,
магнитное управление, плазменная струя, угол отклонения
Потоки низкотемпературной плазмы широко ис-
пользуются в технологиях инженерии поверхнос-
ти — при наплавке, напылении, закалке и др. Ра-
циональная организация упомянутых технологи-
ческих процессов невозможна без оперативного
управления пространственным положением рабо-
чего тела относительно объекта воздействия.
Особенно актуальна проблема взаимного прос-
транственного размещения фаз (газообразной и
твердой) в гетерофазном потоке при газотерми-
ческом нанесении покрытий. В настоящее время
преимущественно используют газодинамические
и механические способы формирования необходи-
мой исходной структуры газопорошкового потока
— подача порошка через систему каналов, мани-
пулирование параметрами транспортирующего
газа, варьирование местом и направлением ввода
дисперсного материала, сдувание или отсасыва-
ние основной несущей струи потоком дополни-
тельного вещества и пр. [1].
Между тем, наличие в потоке высокотемпера-
турного газа определенного (часто довольно зна-
чительного) количества движущихся заряженных
частиц позволяет (теоретически) для коррекции
направления их движения использовать электро-
магнитные поля. Последние достаточно широко
применяют в сварочных процессах с целью управ-
ления объектами, через которые протекает элект-
рический ток. Работы в указанном направлении
ведутся в ИЭС им. Е. О. Патона и НТУУ
«Киевский политехнический институт».
Новой областью применения магнитного уп-
равления могут быть потоки низкотемпературной
плазмы.
Содержание заряженных частиц в объеме вы-
сокотемпературного газа, в частности плазменной
струи, зависит от достигнутых температур. При
этом в реальных условиях распределение темпера-
туры по сечениям потока низкотемпературной
плазмы происходит неравномерно.
Температура на оси плазменной струи, как пра-
вило, в несколько раз превышает ее среднемассо-
вую температуру. Так, при среднемассовой темпе-
ратуре струи 2000…4000 К температура в приосе-
вой зоне может составлять (9…20)⋅103 К [2].
Косвенно это подтверждается результатами из-
мерений распределения температуры и энтальпий
по сечению плазменных струй воздуха и смеси
воздуха с углеводородными газами [3]. Согласно
проведенным измерениям температура на оси
плазменной струи составляет (3,5…4,0)⋅103 К на
дистанции 40 мм, а характер зависимости темпе-
ратуры от расстояния, измеряемого от среза сопла
плазмотрона, позволяет считать, что осевая темпе-
ратура будет равна (9…12)⋅103 К.
Такой уровень температуры предполагает на-
личие значительного количества ионизированных
компонентов плазмообразующего газа в пределах
начального участка плазменной струи. Термоди-
намические расчеты зависимости состава воздуш-
ной плазмы и плазмы продуктов сгорания углево-
дородных газов от температуры [4] свидетельству-
ют о существенном возрастании содержания
электронного газа при температуре более 7000 К.
Например, при 9000 К оно составляет 1 об. %, а
при 12000 К — 12 об. %. Одновременно
увеличивается содержание положительных од-
нократно ионизированных ионов N+, O+ (воздуш-
ная плазма), C+, H+, N+, O+ (плазма смеси воздуха
с углеводородными газами).
Наличие движущихся заряженных компонен-
тов плазмообразующей среды создает предпосыл-
ки для использования магнитных полей с целью
управления траекторией движения определенной
части потока низкотемпературной плазмы, а через
© В. Н. Пащенко, С. П. Солодкий, 2006
6/2006 53
нее — для коррекции пространственного положе-
ния всей плазменной струи.
Исследование влияния магнитного поля на по-
токи низкотемпературной плазмы проводили на
экспериментальной установке, состоящей из гене-
ратора низкотемпературной плазмы и магнитной
системы, совмещенной с сопловой частью плаз-
мотрона (рис. 1).
Эксперименты проводили на дуговом генера-
торе плазмы линейной схемы с вихревой подачей
плазмообразующего газа и автогазодинамической
стабилизацией длины дуги, использующем в ка-
честве плазмообразующего газа воздух или смесь
воздуха с углеводородными газами. Ток дуги
изменяли в диапазоне 130…200 А при общей
мощности плазмотрона 18…22 кВт. Расход
плазмообразующего газа составлял 3,5…5,0 м3/ч.
Управляющая магнитная система представляла
собой электромагнит постоянного тока в виде ка-
тушки, намотанной медным проводом на ферро-
магнитный П-образный сердечник. Электромаг-
нит неподвижно зафиксирован относительно соп-
ловой системы плазмотрона таким образом, чтобы
начальный участок плазменной струи находился
между полюсами электромагнита.
Направление потока и значение магнитной ин-
дукции задавали исходя из направления тока,его
значения в катушке и изменяли по заданной цик-
лограмме с помощью системы управления элект-
ромагнитом. Пространственное положение плаз-
менной струи фиксировали цифровой видеокаме-
рой с автоматической регулировкой яркости.
В качестве переменных параметров использо-
вали ток в электромагните Iэ.м, ток дуги IД и дав-
ление плазмообразующего газа pп.г. Диапазон из-
менения этих параметров в процессе эксперимен-
та определяли следующими факторами: возмож-
ностями магнитной системы — 5 < Iэ.м ≤ 15 А;
допустимым током термохимического катода
плазмотрона (верхний предел) и возможностями
источника питания (нижний предел) — 130 ≤ Iд
≤ 200 А; условиями устойчивого горения дуги в
пределах дугового канала, зависящими от расхода
плазмообразующего газа (2,5 м3/ч — нижний пре-
дел, соответствующий втягиванию дуги в узкую
часть дугового канала, и 5 м3/ч — верхний предел,
соответствующий выносу части дуги за пределы
канала). Изменению расхода при обработке ре-
зультатов поставлено в соответствие изменение
давления плазмообразующего газа в диапазоне 0,3
≤ pп.г ≤ 0,5 МПа.
Обработку результатов измерений (цифровые
снимки потока плазмы) проводили с помощью па-
кета прикладных программ «Photoshop 7» путем
наложения нескольких изображений и измерения
угла отклонения оси плазменного потока при воз-
действии магнитного поля относительно оси пото-
ка плазмы в отсутствие поля.
На рис. 2, а представлено изображение струи
плазмотрона под действием магнитного поля с
фиксированным направлением магнитной ин-
дукции. Изменение направления тока в электро-
магните управляющей системы приводит к откло-
нению струи плазмотрона в противоположную
Рис. 1. Схема расположения генерирующей и управляющей сис-
тем экспериментальной установки: 1 — плазмотрон; 2 — элект-
ромагнит; 3 — объект управления (струя низкотемпературной
нетоковедущей плазмы)
Рис. 2. Совмещенные снимки воздушной плазменной струи в отсутствие магнитного воздействия и при его наличии: а, б — направление
магнитной индукции соответственно справа налево и слева направо; в — попеременное изменение направления постоянного тока в
управляющем электромагните; 1 — выходной электрод плазмотрона; 2 — полюса электромагнита; 3 — плазменная струя
54 6/2006
сторону, практически на такой же угол (рис. 2, б).
На рис. 2, в представлен результат совмещения
трех изображений в отсутствие и при наличии по-
ля разной полярности.
Угол отклонения плазменной струи α (в одну
сторону от исходного положения) увеличивался с
повышением тока в электромагните и тока дуги и
уменьшался при повышении расхода плазмообра-
зующего газа (рис. 3).
Повышение тока электромагнита вызывает
возрастание магнитной индукции в зоне взаимо-
действия и в соответствии с формулой Лоренца
увеличение силы, которая действует на заряжен-
ную движущуюся частичку.
Увеличение тока дуги или уменьшение расхода
плазмообразующего газа (а также их одновремен-
ное изменение) при неизменных других парамет-
рах повышает удельную мощность на единицу
объема плазмообразующего газа. Соответству-
ющее этому повышение температуры плазмы при-
водит к увеличению содержания заряженных час-
тиц и скорости их движения, а значит, и эффектив-
ности воздействия магнитного поля на плазмен-
ный поток.
В исследованном диапазоне изменения пара-
метров режима работы плазмы суммарный угол
отклонения плазменной струи (в обе стороны от
среднего положения) составляет 11…12°.
Аппроксимация полученных эксперименталь-
ных кривых позволила получить эмпирическую
зависимость угла отклонения плазменной струи α
от упомянутых выше параметров режима работы
генератора плазмы в исследованных диапазонах:
α = 0,886
(Iэ.м)
0,41(Iд – 116,6)0,175
(27,14pп.г – 7,14)0,24 .
В связи со сложностью и многофакторностью
процессов, происходящих при магнитном воз-
действии на движущийся поток закрученного газа,
трудно составить полную физическую картину ха-
рактера движения частичек газового потока (в том
числе и нейтральных). Необходимы дополните-
льные исследования поведения плазменных струй
в поперечном магнитном поле при различных зна-
чениях крутки газового потока с учетом взаимного
положения магнитной системы и токоведущих
участков столба дуги, результаты которых позво-
лят выявить природу экспериментально установ-
ленных фактов.
Экспериментальное подтверждение возмож-
ности магнитного управления пространственным
положением плазменной струи наряду с альтерна-
тивными методами управления открывает допол-
нительные перспективы для организации, нап-
ример, процессов модификации поверхностных
слоев изделий или нанесения плазменных покры-
тий, в том числе сложной макроструктуры.
Выводы
1. Наложение на плазменную струю поперечного
магнитного поля приводит к отклонению направ-
ления движения газового потока.
2. Угол отклонения плазменной струи опреде-
ляется параметрами режима работы генератора
плазмы и управляющей магнитной системы и сос-
тавляет 5…6°.
3. Пространственная ориентация плоскости, в
которой наблюдается отклонение плазменной
струи, зависит от направлений магнитного потока
и крутки газового потока.
1. Пащенко В. М. Обладнання для газотермічного нанесення
покриттів: Навч. посіб. — К.: ІВЦ «Політехніка», 2001. —
416 с.
2. Сурис А. Л. Плазмохимические процессы и аппараты. —
М.: Химия, 1989. — 304 с.
3. Пащенко В. М., Солодкий С. П. Дослідження впливу гео-
метричних та режимних параметрів плазмотронів із
комбінованим підведенням енергії на температурні та
швидкісні поля плазмового струменя // Наук. вісті НТУУ
«КПІ». — 2005. — № 2 (40). — С. 72–79.
4. Карп И. Н., Марцевой Е. П., Пащенко В. Н. Математичес-
кое моделирование нагрева и движения частиц в плазмен-
ной струе // Хим. технология. — 1985. — № 6. — С. 27–33.
The paper studies the possibility of controlling the spatial position of a low-temperature plasma jet by superposition of a
transverse magnetic field on the initial region of the plasma flow. It is established that the main parameters influencing
the angle of the jet deviation, are the controlling electric magnet current and specific energy of the plasma jet. It is shown
that the direction of plasma flow deviation depends on the directions of the magnetic flow in the interaction zone and
direction of the gas flow twist.
Поступила в редакцию 15.12.2005,
в окончательном варианте 06.02.2006
Рис. 3. Зависимость угла отклонения плазменной струи от пара-
метров тока электромагнита (1), тока дуги (2) и давления плазмо-
образующего воздуха (3)
6/2006 55
|