Speaker
Description
На сегодняшний день практика применения низкотемпературной плазмы для обработки конструкционных материалов активно используется в промышленности. В частности, плазменные технологии применяются для синтеза и обработки порошковых материалов. Для этой задачи зачастую применяется нагрев исходного сырья в высокочастотном индукционном разряде и последующее диспергирование расплава, либо же его оплавление или испарение с дальнейшей переконденсацией в зависимости от вида технологии [1]. Для наиболее эффективной обработки порошковых материалов в индуктивно-связанной плазме необходимо глубинное понимание газодинамических процессов, протекающих в ней.
Количество теплоты, которое получит частица от нагревающего плазмоида при неизменной мощности, напрямую зависит времени ее нахождения ее в последнем. В свою очередь, на время нахождения частицы в плазмоиде влияют скорость и траектория ее движения. Известно, что вследствие скин-эффекта температурное распределение в индуктивно-связанной плазме неоднородно в поперечном сечении, и наиболее нагретые области в ней находятся ближе к поверхностному слою, а наиболее холодные – к приосевому. Таким образом, необходимо выбирать такую траекторию движения частиц порошка сквозь нагревающий плазмоид, чтобы его частицы проходили через наиболее горячую зону. Численные и натурные исследования по дестабилизации потоков газа с целью прохождения переносимых в нем частиц порошка сквозь наиболее нагретые области индуктивно-связанной плазмы подробно рассмотрены в [2].
В рамках данной работы рассматривается влияние расхода транспортного газа Ar, переносящего частицы корунда, на скорость их движения сквозь плазму и, соответственно, на время их нахождения в последней. В качестве объекта исследования выбрана кварцевая плазменная горелка (СТЕКО ЛТД, Санкт-Петербург, Россия) с четырехвитковым медным индуктором, представленная на рис. 1. Порошок корунда вводился в плазму через водоохлаждаемый зонд, срез которого был зафиксирован на уровне второго сверху витка индуктора. Таким образом, протяженность той части нагревающего плазмоида, сквозь которую проходят частицы корунда после выхода из порошкового зонда, в данной конфигурации составляет 140 мм.
При прохождении частиц корунда сквозь индуктивно-связанную плазму, они начинают светиться, что позволяет использовать их в роли трассирующих элементов. Для видеофиксации процесса прохождения частиц порошка сквозь плазму применялась высокоскоростная камера Memrecam HX-4. Временное разрешение съемки составило t = 1 мс. Полученный кадр представлен на рис. 2.
По времени прохождения видимой на кадре части плазмоида, составляющей 80 мм, определялась скорость движения частицы по формуле:
$\theta = \frac{80 \times 10^{-3}}{n \times 10^{-3}}$
где $\theta$ — скорость частицы, $n$ — количество кадров, за которое частицы преодолевают видимую часть плазмоида. Для уменьшения погрешности скорость оценивалась по движению 8 различных частиц для каждого значения расхода транспортного газа. Для анализа были выбраны 4 величины расхода транспортного газа – в 3, 4, 5 и 6 л/мин. Исходя из экспериментально измеренной скорости движения частиц и известной длины плазмоида, вычислялось время нахождения частиц в зоне нагрева. Результаты оценки представлены в табл. 1.
Результаты измерения продемонстрировали устойчивую закономерность уменьшения времени нахождения частицы порошка в области нагрева с ростом расхода транспортного газа. Данная информация позволит оптимизировать режимы обработки порошковых материалов в индуктивно-связанной плазме.
- Adamovich I., Baalrud S. D., Colombo V. [et al.]. The 2017 Plasma Roadmap: Low temperature plasma science and technology // Journal of Physics D: Applied Physics. 2017. V. 50(32).
- Nagulin K. Yu., Akhmetshin D. Sh., Gilmutdinov A. Kh., Ibragimov R. A. Three-dimensional modeling and schlieren visualization of pure Ar plasma flow in inductively coupled plasma torches // Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 2015. V. 30(2). P. 360-367.
