Тепловые процессы и материалы при плазменном нагреве
Процессы поверхностного упрочнения требуют применения концентрированного источника нагрева с плотностью теплового потока на поверхности материала 103
- 106
Вт/см2
. Основным фактором, отличающим плазменный нагрев от лазерного нагрева, является механизм взаимодействия источника энергии с материалом. При лазерном нагреве световой поток излучения, направленный на поверхность материала, частично отражается от нее, а частично проходит в глубь материала излучение. Излучение, проникающее в глубь материала, практически полностью поглощается свободными электронами проводимости в приповерхностном слое толщиной 0,1 - 1 мкм [1]. Поглощение приводит к повышению энергии электронов, и вследствие этого, к интенсификации их столкновений между собой и передаче энергии кристаллической решеткой металла. Тепловое состояние металла характеризующееся двумя температурами: электронной Те и решеточной Тi , причем Те» Тi. С течением времени (начиная со времени релаксации tР ~ 10-9с) разность температур Те- Тi становится минимальной и тепловое состояние материала можно охарактеризовать общей температурой Тм. Дальнейшее распределение энергии вглубь материала осуществляется путем теплопроводности.
Нагрев поверхности материала плазменной струей осуществляется за счет вынужденного конвективного и лучистого теплообмена:
(2.1.)
q = q
k
+
qл
Для приближенных расчетов тепловых потоков в поверхности используется модель лучистого и конвективного теплообмена основанная на
теории пограничного слоя [2], Плотность конвективного теплового потока определяется из выражения:
(2.2.)
где λ – коэффициент теплопроводности,
Н - энтальпия единицы массы,
Кт - термодиффузионный коэффициент,
у - координата, нормальная к обрабатываемой поверхности.
В общем виде конвективный нагрев поверхности обусловлен переносом энергии плазменной струи под действием теплопроводности, диффузии. На практике используют более простое выражение:
(2.3.)
где α–коэффициент теплопроводности
Тплаз - температура плазменной струи на внешней границе
пограничного слоя,
Тпов - температура поверхности.
Связь между α и параметрами плазменной струи выражается через критериальные зависимости (число Нуссельта, Прандля, Рейнольдса и т.д.) выбор для различных случаев взаимодействия плазмы с поверхностью приведен в работах. [2].
Согласно данных работ [3] доля лучистого переноса энергии от плазменной струи к поверхности металла составляет 2-8% от общего баланса энергии. В случае использования импульсной плазменной струи доля лучистого теплообмена возрастает до 20-30%. Лучистый поток к единице площади поверхности в нормальном направлении определяется следующим образом [4]
(2.4.)
где ξ
1
-
интегральная поглощательная способность поверхности,
ξ
2
-
степень
черноты плазмы
σс
-
постоянная Стефана-Больцмана
Т -температура плазмы
Учитывая, что теплообмен между струей и поверхностью в основном определяется конвективной составляющей теплового потока, то пренебрегая лучистым теплообменом (за исключением импульсной плазменной струи)
можно рассчитать тепловой поток по выражению Фея-Риддела [5]
(2.5.)
или
(2.6)
где Рг - усредненное число Прандля,
(ρµ)ω
, (ρµ)s
- плотность и коэффициент динамической вязкости плазмы при
температурах, соответственно, поверхности тела и внешней границы
пограничного слоя,
Lе - число Льгоса - Семенова,
Ld - энергия диссоциации, умноженная на весовую долю атомов,
соответствующую температуре струи,
- градиент скорости в критической точке, равный ~ U
плазм / d сопла
hs-
полная энтальпия плазменной струи.
При нагреве поверхности металла плазменной дугой (плазмотрон прямого действия), эффективность нагрева возрастает за счет электронного тока q
е
(2.7.)
q = q
k
+ qл
+ qе
Дополнительная тепловая мощность за счет электронного тока рассчитывается из выражения:
(2.8.)
Эффективный КПД плазменно-дугового нагрева на 10-30 % выше, чем при использовании плазменной струи и может достигать 70=85 % [3,6]. Энергетический баланс плазменного нагрева при атмосферном давлении выглядит следующим образом: 70 % - конвективный теплообмен;