Файл: Статья является результатом обобщения многолетнего опыта автора по разработке плазменного электродугового оборудования, а приведенные положения и выводы вытекают из успешных проектов и отражают лишь собственное мнение без претензии на бесспорность..pdf

О развитии плазмотронной техники
С.В. Петров, докт. техн. наук, Институт газа НАНУ
Статья является результатом обобщения многолетнего опыта автора по разработке плазменного электродугового оборудования, а приведенные положения и выводы вытекают из успешных проектов и отражают лишь собственное мнение без претензии на бесспорность. В данном случае речь пойдет о плазмотронной технике применительно к реализации так называемых родственных сварке процессов и технологий.
Оставляя в стороне многочисленные приложения плазмотронной техники, и не заглубляясь в историю начнем анализ с успешного развития в бывшем СССР процесса плазменного напыления с использованием в качестве плазмообразующего газа смеси воздуха с горючим углеводородным газом (метаном, пропан-бутаном). Он ознаменовался серийным выпуском аппаратуры вначале «Украина», затем «Киев – 7», которая получила широкое распространение. Серийное производство установки плазменного напыления «Киев – 7» мощностью 80 кВт в количестве 300 шт. в год было организовано с 1985 года на Барнаульском аппаратурно-механическом заводе. Ей предшествовала установка высокопроизводительного плазменного напыления «Украина», которая создавалась в начале 80-х годов совместно Институтом газа НАН Украины и
ДонНИИчерметом для нужд предприятий черной металлургии. При разработке «Киев -7» принимали участие ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины, Институт газа НАН Украины,
ВНИИавтогенмаш г. Москва. Основной элемент установки – плазмотрон ПУН – 1
(плазмотрон универсальный напылительный) разработан Институтом газа НАН Украины и ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины. Плазмотрон выполнен по трёхэлектродной схеме с одиночной удлиненной межэлектродной вставкой. На создание установки «Киев-7» с доведением её до промышленного образца ушло в общей сложности два года.
Параллельно ВИСП г. Киев создал комплектное оборудование для осуществления технологии нанесения плазменных покрытий, которое включало полуавтоматы для абразивоструйной обработки деталей модели 487 р и 2201П, плазменного напыления модели 15В-Б и 320 1 П, а также оплавления плазменных покрытий с нагревом токами высокой частоты модели 220 СМ. Уже более 25 лет эти плазменные комплексы для напыления защитных покрытий работают на различных предприятиях бывшего СССР. В развитие доказанных и проверенных на практике технологии и оборудования плазменного напыления на базе установки «Киев – 7» в начале 90 – х годов прошлого столетия Институтом газа НАН Украины был разработан плазмотрон для сверхзвукового высокопроизводительного напыления мощностью 160 кВт, который по существу был развитием идеологии плазмотрона ПУН – 1. А ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины разработал под указанный плазмотрон проект установки плазменного напыления «Киев –
С». Был проведен большой объем испытаний, которые показали, что такая аппаратура гарантирует наилучшее качество газотермических покрытий, экономична, надежна и доступна для широкого потребителя. Однако тогда в период спада производства эта передовая разработка оказалась невостребованной.
Работающие технологии газотермического напыления постепенно сворачивались, устойчивость проявили плазменные технологии восстановления и реновации изношенных деталей.

Однако возрос интерес к плазменной технологии поверхностного упрочнения.
Это было связано с наиболее значимой проблемой по движного железнодорожного состава. На сети железных дорог всего бывшего СССР в начале 90 – х годов произошла вспышка катастрофического износа гребней колес и боковых поверхностей рельсов. Глубинные причины этого явления однозначно не были вскрыты, поскольку проблема бокового износа обостряется при неконтролируемом изменении целого ряда параметров пути и подвижного состава. Из-за нехватки колес вследствие повышенного их износа железная дрога находилась перед угрозой остановки движения. Оставляя в стороне многочисленные способы борьбы с повышенным износом колес и рельсов технология плазменного поверхностного упрочнения явилась радикальным средством наиболее быстрого и дешевого решения проблемы как вспышек повышенного износа, так и снижения прямых эксплуатационных расходов железных дорог. На базе плазмотрона ПУН – 1 научно-производственное предприятие ТОПАС разработало двух модульную установку высокопроизводительной поверхностной закалки
УВПЗ – 2М (Рис.1). Процессы плазменного напыления и поверхностного упрочнения предъявляют различные требования к плазмотрону. В первом случае генерируемая струя плазмы должна обеспечить эффективные разгон и разогрев напыляемого дисперсного материала. Во втором заданный из условий требуемых размеров и структуры упрочненной зоны термический цикл нагрева и охлаждения компактного материала.
Доработка плазмотрона была осуществлена исходя из известных критериальных зависимостей теплообмена, математического моделирования процесса упрочнения и экспериментальной оптимизации.. В 1996 году технология плазменного поверхностного упрочнения прошла опытную эксплуатацию в локомотивном депо Львов – Запад и Киев пассажирский. Сравнение плазменно упрочненных гребней со стандартными при одинаковых условиях эксплуатации подтвердили ожидаемое двухкратное снижение темпов их износа. После этого было принято решение о расширении масштабов использования технологии плазменного поверхностного упрочнения гребней колесных пар. С 1997 года был организован серийный выпуск установок УВПЗ – 2М. Колесо является главным элементом безопасности движения. Все установки плазменного поверхностного упрочнения работали в условиях типовых депо, поэтому оборудование и технология полностью обеспечивали гарантированное улучшение всех механических характеристик упрочненного колеса против стандартного.

Рис.1. Установка высокопроизводительной поверхностной закалки УВПЗ – 2М
Кроме того, на базе плазмотрона ПУН – 1 научно-производственное предприятие ТОПАС разработало аппаратуру плазменного напыления, построенную на унифицированной блочно модульной основе ТОПАС 40, ТОПАС 80, ТОПАС 160. Установка плазменного напыления ТОПАС 40 комплектовалась плазмотронами мощностью 40 кВт в ручном и машинном исполнениях для напыления внешних и внутренних поверхностей (Рис.2).
Плазмотрон выполнен с одиночной межэлектродной вставкой и рекуперативным охлаждением, может работать на до - и сверхзвуковом режимах. Для напыления могут использоваться порошковые и проволочные материалы. Установка плазменного напыления ТОПАС 80 со сверхзвуковым плазмотроном мощностью 80 кВт в машинном исполнении предназначена для эксплуатации в составе механизированных и автоматизированных комплексов. Установка плазменного напыления ТОПАС 160 со сверхзвуковым плазмотроном мощностью 160 кВт в машинном исполнении и предназначена для эксплуатации в составе механизированных и автоматизированных комплексов. Может быть использована во всех случаях, где необходимо высококачественное покрытие при высокой производительности, до 50 кг/час. Для реализации технологии плазменного напыления с использованием установок ТОПАС 40,
ТОПАС 80, ТОПАС 160 ОАО «УкрИСП», затем ООО «Оберт» г. Киев разработали полуавтоматы камерного типа с программным управлением, состоящие из камеры напыления и аспирационной установки. Управление полуавтоматами осуществляется с помощью систем ЧПУ.

Рис. 2. Плазмотроны для внутреннего и наружного напыления в установках плазменного напыления ТОПАС 40 в составе полуавтоматов для напыления ООО «Оберт»
В последние годы на базе плазмотрона ПУН – 1 наиболее высокий уровень аппаратурного исполнения реализован в установках плазменного напыления защитных покрытий
PLAZER 80 со сверхзвуковым плазмотроном мощностью 80 кВт и PLAZER 160 со сверхзвуковым плазмотроном мощностью 160 кВт (Рис.3)
Рис.3.Установка плазменного напыления PLAZER 160 со сверхзвуковым плазмотроном мощностью 160 кВт
Приведенный неполный перечень технологических плазменных установок в их развитии на базе плазмотрона ПУН -1 свидетельствует о том, что разработка новых аппаратурных модификаций является относительно простой инженерной задачей. Если двадцать лет тому назад на разработку уходили годы труда больших коллективов, то в современных условиях задача решается небольшой группой специалистов в течение нескольких месяцев. Значительно сложнее обстоит дело с разработкой принципиально новых плазменно дуговых устройств. Современные вызовы направляют внимание на решение новых сложных научно-технических проблем. Рассмотрим два подхода к решению двух разных задач с помощью плазменных технологий. Первый подход был реализован при создании комплекса для переработки опасных и вредных отходов с помощью электродуговой плазмы. Особое внимание было уделено плазмотрону, как главному наукоёмкому элементу технологической схемы, в которой требуется плазмотрон мощностью 120 кВт, работающий на воздухе и водяном пару. Основными требованиями к такому плазмотрону являются максимально возможный ресурс непрерывной работы,

высокая надежность и простота в эксплуатации. Кроме того такой плазмотрон должен одинаково эффективно работать на различных плазмообразующих средах – от чистого воздуха (кислорода) до чистого водяного пара в широком диапазоне регулирования вкладываемой электрической мощности. Вначале были выполнены приближенные оценочные расчеты с использованием известных критериев подобия, затем разработана специальная программа для расчета параметров. Основная проблема в том, что режим течения в канале плазмотрона турбулентный. А турбулентное течение наиболее сложная область физики и инженерии и во многих случаях не поддается математическому описанию. По существу на ламинарной модели было получено множество различных зависимостей с иллюстрациями вида, Рис.4.
Рис.4. Моделирование парового плазмотрона и плазмотрон мощностью 120 кВт
Однако, конструктора и технологи при разработке плазмотрона практические рекомендации от достаточно большого объёма выполненных расчетов не получили. В дальнейшем потребовалось несколько лет проб и ошибок, чтобы создать работающий промышленный паровой плазмотрон в первоначальном внешнем виде. Вся система энергообеспечения такого плазмотрона с компьютерным управлением (Рис.5) была разработана и изготовлена в считанные месяцы и осталась без изменений.
Рис.5. Плазменная аппаратура для установки переработки отходов с паровым плазмотроном

Второй подход был реализован при создании высокопроизводительного (50 кг/час) комплекса непрерывного производства поликристаллического кремния солнечного качества плазмохимическим пиролизом кремний содержащего газа прекурсора. Как и в предыдущем случае, особое внимание было уделено плазмотрону, как главному элементу технологической схемы, в которой требуется плазмотрон мощностью 150 кВт, работающий на водороде. Как альтернатива математического моделирования для предсказания и более реалистичного описания характеристик плазмотрона было использовано полное 3D моделирование, в котором за основу было взято коммерческую программу FLUENT ® для вычисления динамики течений (the computational fluid dynamics CFD). Расчеты выполнены в предположении локального термодинамического и термохимического равновесия. Получены полные поля температур, скоростей и тепловых потоков в плазмотроне и реакторе (Рис. 6)
Рис.6 Прямое численное моделирование турбулентного течения и теплообмена в водородном плазмотроне мощностью 150 кВт
На этой основе были разработаны плазмотрон и система управления (Рис.7)
Рис.7. Водородный плазмотрон с системой управления установкой непрерывного получения высокочистого поликристаллического кремния
Требования к плазмотрону применительно к производству солнечного кремния чрезвычайно высоки. В первую очередь это обеспечение высокой чистоты продукта и минимизация примесей. В электродуговых плазмотронах невозможно полностью

исключить эрозию материала электродов, но задача в том, чтобы снизить её до уровня, обеспечивающего содержание в полученном кремнии вольфрама и меди ≤ 5 ppbw. С использованием CFD 3D моделирования удалось обеспечить работу термоэмиссионного катода в режиме рециркуляции, а анода с диффузной привязкой разряда, что позволяет выполнить вышеуказанное условие. Известно, что водородная дуга по своей природе чрезвычайно неустойчива с вероятным самопроизвольным потуханием. Очевидно, что это свойство водородной дуги вступает в конфликт с требованием к реактору непрерывного производства кремния. Благодаря реалистичной картине процессов в плазмотроне и реакторе стало возможным спроектировать и изготовить плазмотрон, удовлетворяющий вышеуказанные и другие требования.
Преимущество систем плазменной обработки материалов это высокая энергетическая эффективность, низкие весогабаритные показатели оборудования, высокие скорости технологических процессов. Долгое время плазменная обработка считалась пригодной лишь для периодических процессов. Но сейчас ее начинают применять и в непрерывных процессах, причем сфера их использования постепенно расширяется. В научных кругах существует мнение, что в мире лет через 10-15 применение плазмы по своему масштабу будет больше, чем металлургия и химия вместе взятые. Сегодня плазмотроны мощностью до 500 кВт уже могут надежно работать около тысячи часов. Очевидно, такой ресурс вполне достаточен для того, чтобы использовать плазменную технологию в многотоннажных непрерывных производствах.
Несмотря на большое многообразие предлагаемых конструктивных решений, накопленный расчетный и экспериментальный материал долговременную промышленную живучесть продемонстрировало ограниченное число электродуговых плазмотронов. Они были созданы хотя и с учетом известных закономерностей, но с помощью интуиции разработчиков. Основная проблема, которая ставила в тупик не только разработчиков плазмотронов, но всех инженеров занятых устройствами с течением различных сред, это турбулентность с её очень сложными явлениями. Её появление вызывает радикальные изменения в течении, которые заполняют широкий ряд физических воздействий от желательных до вредных. Флуктуации всех параметров потока, связанные с турбулентностью, повышают напряжения Рейнольдса по усредненному течению. Для широкого практического использования при оценочном описании турбулентных величин наиболее удачной моделью турбулентности считается k-ε модель. В ней используется система двух нелинейных диффузионных уравнений - для массовой плотности турбулентной энергии k и скорости диссипации турбулентной энергии ε. При анализе основная проблема в выборе эмпирических констант k-ε модели для описания достаточно широкого класса сжимаемых турбулентных течений в присутствии дугового разряда. Вместе с тем, прямое численное моделирование с использованием доступных коммерческих программ позволяет более осознанно подойти к правильному выбору геометрии дугового канала, системы охлаждения и материалов плазмотрона.