Determination of voltage drop across the anode area arc plasma processing of metals

Y. D Schitcyn; Щицын Ю. Д; D. S Belinin; Белинин Д. С; S. D Neulybin; Неулыбин С. Д; I. A Gilev; Гилев И. А; A. I Panov; Панов А. И

doi:10.15593/.v17i2.3227

Determination of voltage drop across the anode area arc plasma processing of metals

Authors: Schitcyn Y.D¹, Belinin D.S¹, Neulybin S.D¹, Gilev I.A¹, Panov A.I¹
Affiliations:
1. Perm National Research Polytechnic University
Issue: Vol 17, No 2 (2015)
Pages: 5-12
Section: ARTICLES
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mm/article/view/3227
DOI: https://doi.org/10.15593/.v17i2.3227
Cite item

Abstract
Full Text
About the authors
References
Statistics

Abstract

Heat input to the electrode of the plasma torch and the product is determined by the near-electrode processes and heat transfer from the compressed arc. Processes occurring at the electrodes and electrode regions are complex and not sufficiently studied so far. In the present study attempted to estimate the magnitude of the voltage drop across the anode portion of the arc plasma torch at work on the current reverse polarity. Received a large amount of experimental data. This was carried out comparative studies of heat input to the anode of the plasma torch of different designs. The results of determining the voltage drop across the anode portion of arc plasma processing of metals. Asked to determine the rationale for the voltage drop across the anode portion of the arc using the measurement of heat input to the anode of the plasma torch. The magnitude of the voltage drop across the anode portion of the arc for the currents in the range of 50-300 A. The assumption that the anode material has virtually no effect on the anode voltage drop. The obtained values of the anode voltage drop ( u a) suitable for determining the heat transfer during the estimations of work anode plasma torches and heating efficiency of the product.

Keywords

plasma torch, plasma arc, the anode, the anode section, voltage drop, heat input, heat transfer, calorimetry.

Full Text

Тепловложение в электрод плазмотрона и изделие определяется приэлектродными процессами и теплопередачей от сжатой дуги [1-3]. Процессы, происходящие на электродах и в приэлектродных областях, сложны и недостаточно изучены до сих пор. Для плазменных процессов, выполняемых на токе прямой полярности, анодом является изделие, на токе обратной полярности - электрод плазмотрона. Теплопередача в изделие определяет эффективность процесса обработки, теплопередача в электрод плазмотрона - ресурс работы последнего. Зная падение напряжения на анодном участке дуги, можно определить теплопередачу в анод [4]: где - тепловая мощность, передаваемая аноду, Вт; - ток дуги, А; - анодное падение напряжения, В; - работа выхода электрона из материала анода, эВ. Однако определить реальное тепловложение в анод по предлагаемому выражению сложно, поскольку точные значения не определены. Величина по разным источникам, может быть в пределах 3-12 В. Исследователи отмечают малую зависимость от материала анода. Падение напряжения на анодном участке дуги можно определить по результатам оценки баланса теплообмена на электроде-аноде [5]. Тепловой баланс на электроде-аноде плазмотрона складывается из следующих составляющих (рис. 1). Подвод энергии к аноду плазмотрона осуществляется: - энергией электронов (работа выхода); - кинетической энергией электронов дуги за счет соударения с поверхностью анода; - теплоотдачей от дуги излучением. Потери энергии с поверхности анода состоят: - из тепла, отводимого теплопроводностью через анод ql; - тепла, отдаваемого анодом в окружающую среду излучением и конвекцией. Внутренний источник тепловыделения отсутствует. Процессы теплообмена на аноде плазмотрона (и на изделии) сосредоточены практически на его торцевой части [6]. Существенно снижается роль радиационного и конвективного теплообмена с окружающей обстановкой, в том числе и с внутренней поверхностью плазмообразующего сопла [7]. Излучение с поверхности анода при (температура плавления меди) при не превышает кВт/см2, что является пренебрежимо малой величиной. В действительности, температура анода вблизи рабочей зоны не превышает 623 К [4, 8]. По причине низкой температуры анода, сосредоточенности активного пятна вблизи осевой части торца анода, с учетом структуры газовых потоков в плазмотроне можно отметить малое влияние конвективного теплообмена на общий тепловой баланс на аноде [9]. В итоге уравнение теплового баланса на аноде предельно упрощается: Таким образом, измерив теплопередачу в анод, можно с достаточной для инженерных расчетов точностью определить В представленной работе сделана попытка оценить величину падения напряжения на анодном участке дуги при работе плазмотрона на токе обратной полярности. Для этого были проведены сравнительные исследования тепловложения в анод плазмотрона разной конструкции. Использовался медный водоохлаждаемый анод (рис. 2, а) и медный анод с глухо заделанным вольфрамовым прутком (рис. 2, б). В качестве изделия использовался водоохлаждаемый медный имитатор [1, 4]. Измерение тепловложения в электрод-анод плазмотрона проводили методом калориметрирования [1]. а б Рис. 2. Схема проведения исследований В процессе исследований ток дуги Iд изменялся в пределах 50-300 А, диаметр сопла dc = 3…6 мм, расстояние от электрода до изделия hэ-и = 5 мм, расход газа Qп = 2…5 л/мин, расстояние от сопла до изделия hс-и = 5…10 мм. Получен большой массив экспериментальных данных, полное представление которого в данной статье не представляется целесообразным. Ниже представлены сравнительные результаты исследований. Сравнение проводится при одинаковых параметрах режимов. Величина тепловложения в анод и соотношение падений напряжений на дуге и ее участках для вариантов рис. 2, а и б близки. Решающим фактором, определяющим теплопередачу в анод, являлся ток дуги, остальные параметры (диаметр плазмообразующего сопла, расход плазмообразующего газа, расстояние от плазмотрона до изделия) не оказали заметного влияния. Зная и можно определить падение напряжения на анодном участке дуги. Работа выхода электронов для меди составляет 3,2 эВ, для активированного вольфрама - 2,6-2,8 эВ [10]. Для диапазона токов 50-150 А находится в пределах 1,5-2,5 В, для токов 160-300 А - в пределах 3-4 В. Полученные значения вполне пригодны для определение теплопередачи при проведении оценочных расчетов работы анодов плазмотронов и эффективности нагрева изделия. Сделаем следующие выводы: 1. Предложено обоснование определения падения напряжения на анодном участке дуги при помощи измерения тепловложения в анод плазмотрона. 2. Определена величина падения напряжения на анодном участке дуги для токов в диапазоне 50-300 А. 3. Подтверждено предположение, что материал анода практически не влияет на анодное падение напряжения. 4. Полученные значения пригодны для определения теплопередачи при проведении оценочных расчетов работы анодов плазмотрона и эффективности нагрева изделия.

About the authors