Aspectos tecnológicos de las líneas de investigación del Grupo de Descargas Eléctricas de la FRVT

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Rubén López Rey
hace 8 años
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1 Aspectos tecnológicos de las líneas de investigación del Grupo de Descargas Eléctricas de la FRVT 1 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

Tuerto (2600), Santa Fe, Argentina Director: Dr. Héctor J. Kelly (FCEN UBA, INFIP CONICET) Integrantes: Dr. Fernando O.

2 Temperaturas y densidades típicas en arcos de plasma a presión atmosférica. Plasmas térmicos 2 Reproducido de M. Boulos et al, Thermal Plasmas, Fundamentals and Applications, Vol. 1 (Plenum Press, 1994).

La tecnología de las antorchas de plasma de arco transferido 3 La patente básica del corte por plasma data del año 1955.

3 La tecnología de las antorchas de plasma de arco transferido 3 La patente básica del corte por plasma data del año 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. 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 Nl/min. A través de un sistema de alimentación de gases se inyecta en la tobera el gas de trabajo a alta presión ( ) MPa. Se utilizan generalmente gases moleculares, y en particular, para el corte de acero de baja aleación, oxígeno. 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). ]

Originalmente esta tecnología se usó para cortar aluminio y acero inoxidable.

4 Algunos resultados del Grupo en la faz tecnológica del corte por plasma: calidad del corte 4 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. Altura promedio de las rebabas adheridas en la parte inferior de la chapa (th = 6.35 mm y una corriente de 30 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.

Para th = 2 mm se usó 20 A, mientras que los puntos ( ) y ( ) corresponden a una corriente de 40 A.

5 Calidad del corte 5 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, v cut = 9.4 mm s -1, z = 3 mm, V CA = -130 V (b) th = 4.8 mm, i = 30 A, p = 0.6 MPa, v cut = 14 mm s -1, z = 3 mm, V CA = -130 V (c) th = 3.2 mm, i = 30 A, p = 0.55 MPa, v cut = 21.1 mm s -1, z = 2 mm, V CA = -125 V (d) th = 2 mm, i = 20 A, p = 0.45 MPa, v cut = 23.5 mm s -1, z = 2 mm, V CA = -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.

2 mm, i = 30 A, p = 0.55 MPa, v cut = 21.1 mm s -1, z = 2 mm, V CA = -125 V (d) th = 2 mm, i = 20 A, p = 0.45 MPa, v cut = 23.

Protocolo de operación de una antorcha de 30 A 6 Protocolo de operación Material Corriente (A) Presión de operación absoluta (MPa) Espesor de chapa (mm) Velocidad de corte (mm s -1 )

6 Protocolo de operación de una antorcha de 30 A 6 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 Esquema de la antorcha optimizada de alta densidad de energía.

Distancia stand-off (mm) Acero al carbono de baja aleación 40 6.5 6.35 16 3 30 6 6.

7 Relación de aspecto de la tobera 7 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 R N = 0.5 mm mientras que la longitud se varió en un factor dos, L N = 4.5 y 9 mm. En la figura se presentan dos típicas señales de corriente iónica correspondiendo a L N = 4.5 mm operada a 0.7 MPa y L N = 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, (2009)]

En la figura se presentan dos típicas señales de corriente iónica correspondiendo a L N = 4.5 mm operada a 0.7 MPa y L N = 9.0 mm operada a 1.1 MPa.

8 Correlación generalizada para la estimación de la temperatura del plasma en la salida de la tobera 8 T exit T 0 1/ 2 1/ exp 0.44 P h d I. 0 rel 0 0 (unidades SI) T T exit T 0, ( 1) h P h d I 0 rel 0 0. ( 1) h P h d I 0 rel 0 0. Las referencias cubren antorchas de arco transferido entre 12 y 200 A y tres diferentes gases (aire, nitrógeno y oxígeno) [L. Prevosto et al, Journal of Physics: Conference Series 296, (2011)]

9 El doble arco 9 [L. Prevosto et al, J. Appl. Phys. 105, (2009)] [L. Prevosto et al, J. Appl. Phys. 105, (2009)]

10 El doble arco no destructivo 10 [L. Prevosto et al, J. Appl. Phys. 110, (2011)]

11 La tecnología de las antorchas de plasma de arco no transferido 11 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.

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.

12 El corte térmico del concreto y materiales relacionados a través de la utilización de antorchas de plasma de arco no transferido 12 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 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

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