Моделирование параметров плазмы двухструйного плазмотрона с промежуточным электродом

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Рассмотрены физические процессы, происходящие при воздействии плазменного потока дуги двухструйного плазмотрона на промежуточный электрод – вращающуюся вокруг своей оси со скоростью 10 тыс. об/мин металлическую заготовку диаметром 5 см. Нагреваемая поверхность металлической заготовки оплавляется, за счет центробежных сил происходит отрыв материала от заготовки в виде капель, после их охлаждения в среде инертного газа получается порошок сферических металлических частиц (PREP-процесс). Этот порошок применяется в аддитивных технологиях. Представлена трехмерная стационарная модель двухструйного плазмотрона с дугой, замыкающейся через промежуточный электрод – вращающуюся металлическую заготовку (приэлектродные процессы не учитываются). Рассмотрено влияние величины тока дуги и расхода плазмообразующего газа на эффективность нагрева заготовки. Представлены как распределенные (температура, скорость плазмы и др.), так и интегральные (мощность в заготовку, мощность потерь на излучение и др.) результаты расчета. Показано, что зависимость мощности в заготовку от расхода плазмообразующего газа имеет «насыщение», т.е. при превышении определенного расхода мощность в заготовку перестает увеличиваться. В этом случае увеличение тока дуги – наиболее эффективный способ увеличения мощности в заготовку.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Ю. К. Петреня

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: d.ivanov@spbstu.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

В. Я. Фролов

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: d.ivanov@spbstu.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

Д. В. Иванов

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Author for correspondence.
Email: d.ivanov@spbstu.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

References

  1. Zdujić M., Uskoković D. Production of Atomized Metal and Alloy Powders by the Rotating Electrode Process // Powder Metall Met. Ceram. 1990. V. 29. P. 673.
  2. Кадыров А.А. Разработка плазменной технологии для получения металлических порошков, используемых в аддитивных технологиях. Дис. … канд. техн. наук. СПб.: СПбПУ, 2020. 116 с.
  3. Ничипоренко О.С., Найда Ю.И., Медведовский А.Б. Распыленные металлические порошки. Киев: Наукова думка, 1980. 238 с.
  4. Фролов В.Я., Клубникин В.С., Петров Г.К., Юшин Б.А. Техника и технологии нанесения покрытий. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 387 с.
  5. Электротехнологические промышленные установки / Под ред. Фролова В.Я. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 572 с.
  6. Рутберг Ф.Г., Сафронов А.А., Попов С.Д., Суров А.В., Наконечный Г.В. Многофазные электродуговые плазмотроны переменного тока для плазменных технологий // ТВТ. 2006. Т. 44. № 2. С. 205.
  7. Сафронов А.А., Васильева О.Б., Дудник Ю.Д., Кузнецов В.Е., Ширяев В.Н. Исследование работы высоковольтных плазмотронов со стержневыми электродами // ТВТ. 2018. Т. 56. № 6. С. 871.
  8. Colombo V., Ghedini E., Boselli M., Sanibondi P., Concetti A. 3D Static and Time-dependent Modelling of a DC Transferred Arc Twin Torch System // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. 194005.
  9. Boselli M., Gherardi M., Colombo V. 3D Modelling of the Synthesis of Copper Nanoparticles by Means of a DC Transferred Arc Twin Torch Plasma System // J. Phys. D: Appl. Phys. 2019. V. 52. 444001.
  10. Zhang Z., Sun Q., Wang C., Shui T., Xia W. Numerical Simulation and Experimental Study on a DC Multi-cathode Arc Plasma Generator // Plasma Chem. Plasma Proc. 2023. https://doi.org/10.1007/s11090-023-10377-0.
  11. Фролов В.Я., Юшин Б.А., Кадыров А.А. Способ получения металлического порошка. Патент на изобретение РФ № 2769116. Кл. МПК-6: B22F9/10; B22F9/14. 28.03.2022.
  12. Frolov V.Ya., Ivanov D.V., Kadyrov A.A., Yushin B.A. Numerical Simulation of Cooling of Fine Metal Powder in Various Gaseous Environment // Materials. Technologies. Design. 2023. V. 5. № 4(14). P. 115.
  13. Boulos M.I., Fauchais P.L., Pfender E. Handbook of Thermal Plasmas. Springer Int. Publ., 2023. 1973 p.
  14. ANSYS Fluent Theory Guide // 2022. https://ansyshelp.ansys.com
  15. Фролов В.Я., Иванов В.Н., Иванов Д.В. Математические модели плазменных электротехнологических процессов // Электричество. 2018. № 7. С. 54.
  16. Ivanov D.V., Zverev S.G. Mathematical Simulation of Plasma Processes in a Radio Frequency Inductively Coupled Plasma Torch in ANSYS Fluent and COMSOL Multiphysics Software Packages // IEEE Trans. Plasma Sci. 2022. V. 50. № 6. P. 1700.
  17. Дресвин С.В., Иванов Д.В. Физика плазмы. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. 544 с.
  18. Теория столба электрической дуги / Отв. ред. Энгельшт В.С., Урюков Б.А. Новосибирск: Наука, 1990. 376 с. (Низкотемпературная плазма. Т. 1).
  19. Иванов Д.В., Зверев С.Г. 3D Model of Plasma Processes in Radio Frequency Inductively Coupled Plasma Torch of 30 kW, 5.28 MHz for Powder Treatment // Вестн. Башкирск. ун-та. 2023. Т. 28. № 3 С. 222.
  20. Petrenya Y.K., Frolov V.Y., Kriskovets D.S., Yushin B.A., Ivanov D.V. The Influence of Electric Arc Plasma Turbulence on Heat Transfer Processes Involving Powder Materials // Energies. 2023. V. 16. P. 5632.
  21. Крисковец Д.С., Фролов В.Я., Юшин Б.А. Analysis of the Turbulence Influence in the Electric ARC Plasma Flow by the Laboratory Study Method // Вестн. Башкирск. ун-та. 2023. Т. 28. № 3. С. 242.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Geometry and computational grid: (a) – section of PN-PA1 plasma torch (seals are not shown), (b) – computational grid (section in the central section).

Download (43KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Plasma temperature in the basic operating mode (I = 200 A, G = 0.8 g/s): (a) – three-dimensional distribution (in thousand K); (b) – two-dimensional distribution in the central section.

Download (24KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Plasma velocity in the basic operating mode (I = 200 A, G = 0.8 g/s): (a) – three-dimensional distribution (in m/s); (b) – two-dimensional distribution in the central section.

Download (24KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Two-dimensional distributions of plasma parameters in the central section in the basic operating mode (I = 200 A, G = 0.8 g/s): (a) – excess gas-static pressure; (b) – z-component of the current density.

Download (25KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Averaged radial dependences of the plasma temperature (a) and velocity (b) in the plasma torch outlet section at an argon flow rate of G = 0.8 g/s and different arc current values: 1 – 150 A, 2 – 200, 3 – 250.

Download (31KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Distributions of the plasma temperature (a), velocity (b) and excess pressure (c) along the plasma torch axis at an argon flow rate of G = 0.8 g/s and arc currents: 1 – 150 A, 2 – 200, 3 – 250, 4 – plasma torch boundary.

Download (27KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Two-dimensional distributions of the plasma temperature (a) and velocity (b) in the central section at a low flow rate of the plasma-forming gas (I = 200 A, G = 0.1 g/s).

Download (24KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Two-dimensional distributions of temperature (a) and velocity (b) of plasma in the central section at a high flow rate of plasma-forming gas (I = 200 A, G = 1.5 g/s).

Download (25KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Averaged radial dependences of temperature (a), (b) and velocity (c), (d) of plasma in the output section of the plasma torch at an arc current of 200 A and different argon flow rates: 1 – 0.1 g/s, 2 – 0.3, 3 – 0.5, 4 – 0.8, 5 – 1.0, 6 – 1.2, 7 – 1.5.

Download (59KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Distributions of temperature (a), (b), velocity (c), (d) and excess pressure (d), (e) of plasma along the plasma torch axis at an arc current of I = 200 A and different values of argon flow rate: 1 – 0.1 g/s, 2 – 0.3, 3 – 0.5, 4 – 0.8, 5 – 1.0, 6 – 1.2, 7 – 1.5, 8 – plasma torch boundary.

Download (82KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences