Aspectos tecnológicos de las líneas de investigación del...
12
1 Aspectos tecnológicos de las líneas de investigación del Grupo de Descargas Eléctricas de la FRVT L. Prevosto Grupo de Descargas Eléctricas – Departamento Ingeniería Electromecánica, Facultad Regional Venado Tuerto (UTN), Laprida 651, Venado Tuerto (2600), Santa Fe, Argentina Director: Dr. Héctor J. Kelly (FCEN–UBA, INFIP–CONICET) Integrantes: Dr. Fernando O. Minotti (FCEN–UBA, INFIP–CONICET), Dra. Beatriz R. Mancinelli (UTN–FRVT), Ing. Jorge F. Amigo (UTN–FRVT), Dr. Leandro Prevosto (UTN–FRVT), Sr. Marcelo Risso, Sr. Damián Infante, Sr. Ezequiel Cejas
Transcript of Aspectos tecnológicos de las líneas de investigación del...
1
Aspectos tecnológicos de las líneas de
investigación del Grupo de Descargas
Eléctricas de la FRVT
L. Prevosto
Grupo de Descargas Eléctricas – Departamento Ingeniería
Electromecánica, Facultad Regional Venado Tuerto (UTN), Laprida
651, Venado Tuerto (2600), Santa Fe, Argentina
Director: Dr. Héctor J. Kelly (FCEN–UBA, INFIP–CONICET)
Integrantes: Dr. Fernando O. Minotti (FCEN–UBA, INFIP–CONICET), Dra. Beatriz R. Mancinelli
(UTN–FRVT), Ing. Jorge F. Amigo (UTN–FRVT), Dr. Leandro Prevosto (UTN–FRVT), Sr. Marcelo
Risso, Sr. Damián Infante, Sr. Ezequiel Cejas
Temperaturas y densidades típicas en arcos de plasma a presión
atmosférica. Plasmas térmicos
Reproducido de M. Boulos et al, Thermal Plasmas, Fundamentals and Applications, Vol. 1 (Plenum Press, 1994).
2
La tecnología de las antorchas de plasma de arco transferido
La patente básica del corte por plasma data del año 1955. La patente fue un sub-producto de los estudios
conducidos por Gage sobre la estabilidad direccional en arcos de soldadura tipo TIG. Originalmente esta
tecnología se usó para cortar aluminio y acero inoxidable. Actualmente la tecnología del corte por plasma
ocupa un lugar muy importante en la industria y se espera que siga sí por un largo tiempo.
Velocidad de corte en aceros de baja aleación. 1 – antorcha de
plasma de 65 A, 2 – antorcha de plasma de 200 A, 3 – antorcha de
plasma de 400 A, 4 – láser de 5 kW y 5 – soplete químico. [V. A.
Nemchinsky et al, J. Phys. D: Appl. Phys. 39, R423 (2006). ]
Para bajas corrientes (20 - 40 A)
usualmente el propio gas de trabajo actúa
como refrigerante. Los caudales de gas
que escapan por el orificio de la tobera (1
mm de diámetro) rondan normalmente 10
- 30 Nl/min. A través de un sistema de
alimentación de gases se inyecta en la
tobera el gas de trabajo a alta presión
(0.45 - 0.7) MPa. Se utilizan
generalmente gases moleculares, y en
particular, para el corte de acero de baja
aleación, oxígeno.
3
Algunos resultados del Grupo en la faz tecnológica del corte por
plasma: calidad del corte
Ventana libre de rebabas para una corriente
de 30 A. Para th = 2 mm se usó 20 A,
mientras que los puntos (■) y (□)
corresponden a una corriente de 40 A.
Suma de los ángulos de la caras del
corte en función de la velocidad de
corte para th = 6.35 mm y una
corriente de 30 A.
Altura promedio de las
rebabas adheridas en la
parte inferior de la chapa
(th = 6.35 mm y una
corriente de 30 A).
4
Calidad del corte
Fotografías típicas de las superficies de algunos de
los cortes realizados con alta calidad.
(a) th = 6.35 mm, i = 30 A, p = 0.6 MPa, vcut = 9.4
mm s-1, z = 3 mm, VCA = -130 V
(b) th = 4.8 mm, i = 30 A, p = 0.6 MPa, vcut = 14
mm s-1, z = 3 mm, VCA = -130 V
(c) th = 3.2 mm, i = 30 A, p = 0.55 MPa, vcut = 21.1
mm s-1, z = 2 mm, VCA = -125 V
(d) th = 2 mm, i = 20 A, p = 0.45 MPa, vcut = 23.5
mm s-1, z = 2 mm, VCA = -120 V.
Vista de la cara
inferior de la chapa
donde se muestra
la adhesión de
rebabas (th = 6.35
mm y una corriente
de 30 A). Se indica
en cada caso la
velocidad de corte
empleada.
5
Protocolo de operación
Material Corriente
(A)
Presión de operación
absoluta (MPa)
Espesor de chapa
(mm)
Velocidad de corte
(mm s-1)
Distancia
stand-off (mm)
Acero al
carbono
de baja
aleación
40 6.5 6.35 16 3
30 6 6.35 10 3
6 4.8 14 3
5.5 3.2 21 2
20 4.5 2 23.5 2
Protocolo de operación de una antorcha de 30 A
Esquema de la antorcha optimizada de alta
densidad de energía.
6
Se estudiaron dos diseños de tobera de sección convergente-recta de marcadas diferencias en su relación de aspecto,
para evaluar la influencia de la longitud de la tobera sobre las propiedades físicas del plasma. En ambos casos el
radio de la sección cilíndrica de la tobera fue RN = 0.5 mm mientras que la longitud se varió en un factor dos, LN =
4.5 y 9 mm.
En la figura se presentan dos típicas señales de corriente iónica correspondiendo a LN = 4.5 mm operada a 0.7 MPa y
LN = 9.0 mm operada a 1.1 MPa. Las señales corresponden a diferentes disparos del arco, pero por propósitos
comparativos fueron graficadas en una única escala temporal. Los valores registrados de caudal fueron 0.71 g s-1 para
el caso de la tobera más corta mientras que únicamente 0.40 g s-1 fueron medidos en la tobera más larga.
[L. Prevosto et al, Journal of Physics: Conference Series 166, 012021 (2009)]
Relación de aspecto de la tobera 7
Correlación generalizada para la estimación de la temperatura del
plasma en la salida de la tobera
,0T
TexitT
.23
00
5.05.0
0
)1( IdhPrelh
.44.0exp3.16.1 2300
2/12/100
IdhPTT relexit
.23
00
5.05.0
0
)1( IdhPrelh
Las referencias cubren antorchas de arco
transferido entre 12 y 200 A y tres diferentes
gases (aire, nitrógeno y oxígeno)
(unidades SI)
[L. Prevosto et al, Journal of Physics: Conference Series 296, 012005 (2011)]
8
El doble arco
[L. Prevosto et al, J. Appl. Phys. 105, 123303 (2009)] [L. Prevosto et al, J. Appl. Phys. 105, 013309 (2009)]
9
El doble arco “no destructivo”
[L. Prevosto et al, J. Appl. Phys. 110, 083302 (2011)]
10
La tecnología de las antorchas de plasma de arco no transferido
Las antorchas estándar de arco no-transferido estabilizadas por
vórtice de gas emplean un cátodo central de cobre con un
inserto de tungsteno es su punta como emisor termoiónico, y un
ánodo anular de cobre que oficia de tobera. Ambos electrodos
requieren en general refrigeración interna por circulación de
agua. El gas de trabajo se inyecta con vorticidad en el espacio
entre los dos electrodos para mantener la raíz anódica del arco
en un movimiento continuo sobre la superficie interna de la
tobera. Típicamente la intensidad de corriente en este tipo de
antorchas está en el rango de unos pocos cientos de amperios
hasta 1000 A o más. Debido a que el gas es forzado a fluir a lo
largo del arco dentro de la tobera, el gas se calienta y emerge
del ánodo como un jet de plasma parcialmente ionizado de alta
velocidad (en la línea central la velocidad del plasma puede ser
tan alta como 1000 m s-1) y alta temperatura (12000 K en la
línea central). El diámetro del ánodo es típicamente del orden
de 5 a 8 mm, dependiendo de la corriente de la descarga. Las
antorchas de arco no transferido encuentran múltiples
aplicaciones industriales: la quema de residuos patológicos, el
rociado de metales o compuestos sobre diferentes sustratos
(“thermal spraying”) y la síntesis de nanocompuestos.
11
El objetivo general de la línea de investigación sobre antorchas de arco no transferido es el desarrollo y producción
de la tecnología del corte térmico del concreto y materiales relacionados a través de la utilización de plasmas
térmicos. El proyecto abarca desde la elección del sistema de generación y estabilización del plasma, pasando por la
construcción del modelo de antorcha elegido para la aplicación de esta tecnología, el estudio de los resultados de los
cortes obtenidos en diferentes materiales, hasta la caracterización experimental y numérica del plasma producido en
estos equipos con el fin de analizar la relación existente entre los parámetros del plasma y los resultados obtenidos.
El corte térmico del concreto y materiales relacionados a través
de la utilización de antorchas de plasma de arco no transferido
12
