Использование электрической дуги в технологических процессах (К проблеме повышения эффективности энергетического оборудования при обработке твердых материалов ) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

КАЗАХСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Ш.Ч. Чокина

«: од

На правах рукописи ' р ; ; г;

* »; ! •• г I IV/»- и

МУКАЖАНОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

УДК 537.527

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

(К проблеме повышения эффективности энергетического оборудования при обработке твердых материалов )

01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

А ВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Алматы 1996

Работа выполнена в Алматинском энергетическом институте Министерс образования Республики Казахстан

Научные консультанты: Академик инженерной академии наук РК, д-р техн. наук, профессор Болотов А.В. Член-корреспондент НАН РК, д-р техн. наук, профессор Алшмов У.Б.

Ведущая организация Московский энергетический институт

Официальные оппоненты: Академик HAH Республики Киргизии

д-р физико-математических наук, профессор Жееибаев Ж.Ж. Член-корреспондент HAH PK. д-р физико-математических наук, профессор Харин С.Н.

д-р техн. наук, профессор Джаугаштин К.Е.

Защита состоится 2.8 июм.я ¿74 г. на заседании

специализированного совета Д.27.08.01. при Казахском научи исследовательском институте энергетики имени Щ.Ч. Чскина по адрес 480012, г.Алматы, ул. А.Баитурсунова, 85.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической бпблиога института

Автореферат разослан "_"_ 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д 27.08.01, U

с.н.с.,к.т.н. fU/J-ifc К.А. Сулейменов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальное! темы. Низкотемпературная плазма с такими ее свойствами, как большая концентрация энергии в малом объеме, высокая температура, большие скорости протекания химических реакций, привлекает особое внимание, главным образом возможностью создания совершенно новых высокопроизводительных аппаратов и технологий. Уже сегодня плазмотехнологня находит применение в энергетике (плазменная растопка котлов, подсветка факела, газификация углей), машиностроении (плазменная резка, сварка, наплавка, напыление и другие технологии, связанные с защитой, упрочнением и восстановлением материалов), химии (плазменное производство ацетилена, синильной кислоты, окислов азота, плазменный пиролиз хлоруглеродов и др.), металлургии (плазменный переплав, плазменное восстановление металлов, плазменное получение карбидов, нитридов, силицидов, боридов, плазменная сферодизация и металлизация порошков и др.). Плазменные процессы активно внедряются в микроэлектронику, промышленность стройматериалов, горное дело и т.д. Развитие плазменных технологий создает возможность осуществления технологических процессов с замкнутыми циклами, что обеспечивает решение глобальной проблемы, стоящей перед человечеством - снижение уровня загрязненности окружающей среды.

В Республике Казахстан разработке плазменных технологий придается большое значение. Широко известны работы по исследованию и созданию плазменной техники проводимые в КазНИИ энергетики и Алматинском энергетическом институте.

Особое внимание уделяется учеными использованию электрической дуги при обработке твердых материалов. Интенсивные исследования по плазменному напылению проводятся в ИТФ СО РАН, Санкт-Петербургском техническом университете и др., по плазменному переплаву и выращиванию монокристаллов в Институте сварки им. Е.О. Патона УАН, ИМЕТ РАН и др., по плазменной обработке строительных материалов в Томской ГАСА, Институте физики Киргизской АН и др.

h.

Генераторы низкотемпературной плазмы (ГНП), применяемые да плазменной резки, напыления и термообработки твердых материало имеют маленькие мощности (до 50 кВт) и небольшой размер рабочей канала (диаметром до 8 мм), поэтому во всех промышленных воздушны; плазмотронах используются катоды из дорогих и дефицитных материало (цирконий и гафнии) с низким ресурсом работы до 200 часов. Тем не мене« существует целый класс плазмотронов на воздухе для безмазутно! растопки котлов (мощностью 100 - 500 кВт) с медными электродами i ресурсом работы до 500 часов (разработки КазНИИ энергетики и ИТФ СС РАН). Кроме того низкий коэффициент полезного действия и качеств« получаемой продукции, высокие энергозатраты, отсутствие эффективны: способов управления технологическими параметрами дугового разряд; существенно снижает уровень внедрения процессов плазменной обработка твердых материалов в промышленность.

В этой связи диссертация, посвященная теоретическим \ экспериментальным исследованиям тепло- и электрофизических процесса в дуге и на электродах, получению стабильных разрядов с требуемыш теплофизическими параметрами, разработке способов управленш объемными и временными характеристиками плазменной струи и создании высокоэффективных комплексов для плазменной обработки тверды? материалов является актуальной.

Работа выполнялась :

- по плану научно-технической программы Госплана и ГКНТ CCCF 0.72.03. Создать и освоить прогрессивное технологическое оборудование для производства неорганических соединений материалов и изделие различного назначения, 1988-1991 годы ;

- по плану Республиканской научно-технической программы на 19861990 годы, Р. 0.71.01. Создать и освоить в отраслях народного хозяйствг технологические процессы с применением лазерной техники (Лазерная техника). Задание 01.02.02. (этапы НЗ и Н4). (Постановление Госплана КазССР от 14 октября 1985 г. 24/3) ;

$

- по плану научно-технической программы Министерства науки и новых технологий Республики Казахстан "Энергосберегающее электрооборудование и системы";

- по плану программы Национальной академии наук Республики Казахстан "Новые технологии и электродуговые устройства для генераторов низкотемпературной плазмы и коммутационных аппаратов" 1993-1995 годы.

Целью работы является создание высокоэффективного плазменного оборудования с большим ресурсом работы, обеспечивающего экономичность и качество плазменной обработки твердых материалов. В соответствии с этой целью формулируется общая научная задача: в теоретическом плане - разработка методов управления привязкой дуги и регулирования распределения энергии плазменного потока в пространстве и времени (методом модуляции) для повышения ресурса работы генераторов низкотемпературной плазмы и эффективности воздействия плазменного потока на обрабатываемый материал; в экспериментальном плане - разработка, исследования и реализация электротехнологических процессов в конкретных устройствах, обеспечение их работоспособности; создание промышленных установок с улучшенными технологическими параметрами и внедрение их в промышленность.

Главные положения, выносимые на защиту:

1) комплекс физических и математических моделей приэлектродных процессов на медных электродах дугового разряда и способ создания распределенной привязки дуги под воздействием мощных магнитных полей;

2) совокупность теоретических и экспериментальных исследований по регулированию распределения энергии дуги в пространстве и времени с помощью неоднородных магнитных полей и специальных источников питания;

3) принципы разработки конструктивных решений и схем высокоресурсного магнитоуправляемого генератора низкотемпературной

&

плазмы, использующего недорогие и недефицитные материалы и энергоносители, применяемого для существенно различных технологических процессов (плазменной резки, напыления и термической обработки материалов);

4) результаты разработки методики исследования устойчивости системы: "источник питания ( ИП ) - дута" в координатах мощность -проводимость, применимой для различных по принципы действия ИП (непрерывных и импульсных);

5) результаты создания и промышленного освоения высокоэффективных электротехнологических комплексов для плазменного напыления, плазменного переплава металлов, выращивания монокристаллов и плазменной обработки стройматериалов.

Научная новизна результатов работы состоит в том, что исследован комплекс научных и прикладных задач по разработке плазменного технологического оборудования для обработки твердых материалов, обеспечивающего высокий ресурс работы, экономичность, надежность и качество получаемых изделий, включая формирование основных концепций выбора оборудования, режимов его работы и управления процессом воздействия плазменного потока на материал. Определены наиболее значимые информативные параметры управления рабочим процессом, позволяющие за счет комплексного воздействия электротехнологического оборудования обеспечивать требуемое качество получаемых изделий при плазменном напылении, переплаве и термической обработке твердых материалов.

Впервые для объяснения эмиссии электронов на "холодных" катодах из меди предложен механизм электрохимической эмиссии электронов и показана возможность усиления эмиссии электронов под воздействием мощных магнитных полей.

На основании проведенных исследований движения дугового разряда по цилиндрическим электродам под действием внешних магнитных полей предложена модель и получена распределенная привязка дуги на медных

электродах газовихревых плазмотронов, существенно повышающая их ресурс работы.

Проведены исследования по управлению распределением энергии по объему дугового разряда с помощью неоднородных магнитных полей и создан широкофакельный плазмотрон с равномерным распределением температуры по сечению плазменной струи.

Показана целесообразность модуляции электрической энергии в дуге, позволившая оптимизировать процессы плазменной обработки твердых материалов с точки зрения энергосбережения и качества продукции.

Экспериментально обоснована схема источника мощности для питания установок плазменного напыления, повышающая качество и экономичность процесса напыления.

Разработано оборудование и показана целесообразность использования модулированной плазмы при плазменном переплаве металлов и выращивании монокристаллов.

Совокупность научных результатов позволила создать методологические основы выбора основного электротехнологического оборудования для технологических процессов плазменной обработки твердых материалов.

Методика проведения исследовании. Основные результаты диссертационной рабогы получены с использованием аналитических и численных методов расчета, физического моделирования и экспериментальных методов. Достоверность методов и результатов исследований проверялась путем параллельного расчета различными методами и экспериментальной проверкой на физических моделях и промышленных установках.

Практическая ценность работы определяется тем, что она позволила решить задачи создания нового типа высокоэффективного оборудования для плазменных технологий обработки твердых материалов. В результате проведенных исследований созданы принципиально новые конструкции электродных узлов плазмотронов, имеющие ресурс

непрерывной работы до 1000 часов и использующие недорогие недефицитные материалы и энергоносители.

Предложены новые способы управления параметрами плазменно потока, позволяющие создать широкофакельный плазмотрон с ширин! плазменной струи до 100 мм и равномерным распределением температур по ее сечению; кроме того, это позволило создать многофункциональнь легко перестраиваемые, высокоресурсные генераторы низкотемпературн< плазмы, дающие возможность при смене сопел использовать одну и ту ; плазменную установку для различных технологических процесс' (плазменной резки, напыления, термической обработки материалов и др.) тем самым создать предпосылки для выпуска промышленность универсальных плазменных установок.

Разработано и создано злектротехнологическое оборудование использованием тиристорных трансформаторов и источника мощност позволяющее модулировать плазменные потоки, за счет чего повышает! экономичность и качество получаемых изделий в технологиях плазменно] напыления, плазменного переплава металлов и выращиваш монокристаллов. В то же время в совокупности с разработанныь генераторами низкотемпературной плазмы оно позволит расшири: область использования плазменной техники.

Реализация результатов работы в промышленн с т и. По результатам диссертационной работы в 1989-1990 годах Институте структурной макрокинетики (п. Черноголовка Московскс области) внедрена установка для плазменного выращиваш монокристаллов из тугоплавких СВС - продуктов, использующ* модулирование плазменных потоков с помощью тиристорнь трансформаторов и пбзволяющих получать особо чистые монокристаллы.

В 1991 году на Невском судостроительном-судоремонтном заводе городе Петрокрепость Ленинградской области и в 1995 г. на предприяти "Авторемплазма" г. Петропавловска Республики Казахстан внедрен оборудование по плазменному напылению модулированной плазмо*

использующее источники мощности и позволяющее повысить качество напыления и в 1.5-1.8 раза снизить затраты электроэнергии.

Результаты диссертационной работы внедрены в производство в Акционерном обществе "Павлодарстройматериалы" г. Павлодара Республики Казахстан, где на заводе "Силикат" в 1995 г. введена в эксплуатацию технологическая линия по плазменной обработке силикатного кирпича, использующая широкофакельный плазмотрон и выпускающая 4000000 штук декоративно-строительного кирпича в год.

Созданные промышленные элекгротехнологические комплексы находятся на современном техническом уровне. Новые технические решения и возможные пути развития рассмотренного оборудования защищены авторскими свидетельствами.

Результаты настоящего исследования используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям "Электроснабжение и электрификация" и "Электротехнологические установки и системы".

Материал включен в программу лекций по дисциплинам "Электротехнологические установки", "Плазменные установки и технологические процессы", "Источники питания электротехнологических установок", в программу НИРС.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на 23-х научно-технических конференциях, симпозиумах, семинарах и совещаниях, в том числе на шести международных: Vil, VIII, IX, XI Всесоюзных конференциях по генераторам низкотемпературной плазмы (Алма-Ата, 1977г., Новосибирск, 1980г., Фрунзе, 1983г., Новосибирск, 1989г.); IV, V, VI, VII Международных симпозиумах и конференциях "Дуговые процессы" (г. Лодзь, Польша, 1981г., 1985г., 1989г., 1993г.); IV Всесоюзной научно-технической конференции "Лазерно-илазменное легирование материалов" ( 1987г.); Республиканской конференции "Разработка и внедрение прогрессивных способов сварки и напыления в машиностроении" (Алма-Ата, 1988г.); VII Всесоюзной сессии научного совета по проблемам "Физика низкотемпературной плазмы"

№

(Улан-Уде, 1988г.); Международной научно-технической конференци "Плазмотехнология" (Запорожье, 1990г., 1991г., 1993г., 1995г.); VI, V; Научной школе - семинаре "Физика импульсных разрядов конденсированных средах" (Николаев, 1993 г., 1995г); Регионально конференции - молодых ученых и специалистов научных организаций предприятий "Современные материалы в машиностроении" (Пермь, 1990г. Московской международной конференции по композитам (Москва, 1990г. совещании по обмену опытом "Применение процессов газотермическог напыления и лазерной обработки материалов" (Нижний Новгород, 1990г. Всесоюзном семинаре "Нестационарные дуговые и приэлектродны процессы в электрических аппаратах и плазмотронах" (Улан-Уде, 1991г/ Республиканской конференции "Энергетика, связь и высшее образование современных условиях" (Алматы, 1995г.); XII Международном симпозиум по плазмохимии (Минеаполис, 1995г.).

Публикации. По результатам включенных в диссертацш теоретических и экспериментальных исследований опубликована 4 печатная работа, в том числе 8 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и обьем работы Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списк; литературы из 209 наименований и 5 приложений. Работа содержит 28! страниц, 57 рисунков, 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении определена научно-техническая проблема решению которой посвящена диссертация, сформулирована цель работы обоснована актуальность проблемы, указаны научная новизна \ практическая ценность работы. Приведены основные положения выносимые на защиту, отражены апробация и публикация основны? результатов работы в научной печати.

Первая глава посвящена анализу промышленного применения плазменных технологических процессов и состояния генераторов низкотемпературной плазмы и их источников питания.

Разработка новых технологических процессов и совершенствование существующих может быть интенсифицировано на базе знания физики процессов в электрической дуге плазмотрона. Процессы, происходящие в электрической дуге, могут быть разделены на процессы, происходящие в столбе дуги, и на электродах.

Плазмотрон является основным инструментом в любом технологическом процессе и от его характеристик зависит промышленное применение плазменной технологии. Наибольшее промышленное применение для плазменной обработки твердых материалов нашли плазмотроны с газовихрезой стабилизацией дуги, использующие & качестве плазмообразующего газа сжатый воздух.

Однако наличие кислорода в воздухе требует, для используемых в промышленности ГНП мощностью до 50 кВт, применения термохимических катодов с циркониевыми или гафниевыми вставками, что существенно уменьшает токовые нагрузки плазмотрона, число включений и его ресурс работы. В этой связи наиболее целесообразна разработка конструкций плазмотронов на воздухе с медными цилиндрическими электродами.

Кроме того, газовихревая стабилизация дуги в плазмотроне ограничивает управление параметрами плазменного потока. Эффективное управление параметрами плазменной струи может быть осуществлено только с использованием электрических и магнитных полей, воздействующих на дуговой разряд в плазмотроне. Такое воздействие требует разработки специальных источников питания и управляющих систем. При этом важную роль начинает играть устойчивость системы "источник питания(ИП) - дуга".

Вместе с тем, до настоящего времени отсутствуют комплексные исследования процессов в дуге, на электродах и управление ими с помощью

электрических и магнитных полей, создаваемых специальными источниками питания. Не определено их влияние на интенсификацию плазменных технологических процессов, ресурс работы электродов и устойчивость системы "источник питания - дуга".

Вторая глава посвящена теоретическим и

экспериментальным исследованиям процессов в дуге, на "холодных" электродах и определению их влияния на ресурс работы генераторов низкотемпературной плазмы и интенсификацию плазменных технологических процессов.

Основным вопросом любой теории дугового разряда является вопрос перехода заряженных частиц в прикатодной зоне из твердого электрода в газообразную среду. Одним из путей определения механизма переноса заряженных частиц з системе "катод - плазма" является составление баланса энергии и определения по нему доли ионного и электронного тока на катод.

На основании анализа возможных процессов в приэлектродной зоне составлен баланс энергии на катоде. Детальное исследование каждой из составляющих баланса энергии на катоде для стационарного режима горения дуги на медных электродах позволило определить ионную долю тока Б, которая для рассматриваемого примера и термо- автоэлсктронного механизма эмиссии электронов равна Б = 0.51. Такое значение Б указывает на то, что не учтены другие возможные виды эмиссии на медном катоде.

Одновременно определены с помощью методики двойного дугообразования вольтовы эквиваленты катода и анода в стационарном режиме горения дуги, которые соответственно равны А ик = 11.4 В и Ди3 = 13.1 В.

Энергия, поступающая в катод, определяется в основном электрическими и тепловыми процессами в дуге и на электроде и выделением её внутри электрода за счет джоулева нагрева.

Для оценки соотношения между джоулевой и поверхностной составляющими мощности, которые обуславливают нагрев электрода,

IS

рассмотрим краевую задачу, описывающую нестационарное температурное поле в электроде.

Требуется решить уравнение теплопроводности

су ЗТ/&= div( X grad Т) + р j2, где с - теплоёмкость, у - плотность материала электрода, X -коэффициент теплопроводности, р - удельное электросопротивление, j -плотность тока внутри электрода, Т - температура.

В сферической модели Хольма и в предположении постоянства физических свойств материала это уравнение принимает вид cfTIdl = а2 ( cP-TIci1 + 2/wT/dt + q/r4), в < г <«з; t > О, где а1 = А/су, q = рГ/4%2Х, I - электрический ток. Начальное и граничные условия имеют вид

Т( г, 0) = / (г), -X оЦв, t)/cr = P(t), Т(со, t) = 0. Последний член в правой части уравнения теплопроводности q/r ответственен за джоулево тепловыделение, а величина P(t) в граничном условии равна удельной мощности теплового потока дуги в опорном пятне радиуса в.

Произведя некоторые упрощения и используя преобразование Лапласа и операционное исчисление, определим составляющие температуры, обусловленные тепловым потоком дуги ТР(г, t) и джоулевым тепловыделением Tq(r, t).

В частности, в опорном пятне дуги г = в имеем

Tp(B,t) = Po в А [ I -n(aVt/B)],

Т„(в, t) = q/в2- [ 1/2 - ( I - с/2) n(cWt/2) ].

Составим отношение температурных составляющих

е - Tq(b, t)/Tp(b, t). В стационарном режиме (t = oo)e = q /72 в3 Po.

Учитывая, что q = рР/ 4к2 X ; Po = I U3 /2к в2,

где U3 - эквивалентное электродное (анодное или катодное) падение напряжения, получим s = р в j /2Ь\.

В частности, для медного катода при в « 10-3 м, р = 1.8 *1(И Ом*м,

получаем г ~ 1042 м2 /А*], следовательно, джоулев нагрев для меди будет сопоставим с поверхностным лишь при плотностях тока, не меньших 10" А/м2.

Процессы на аноде не играют столь существенной роли, как процессы на катоде. Анод получает из плазмы такое количество электронов, которого достаточно для поддержания тока в цепи. Перемещая анодную привязку дуги по поверхности электрода с большой скоростью, можно создавать условия для существования распределенной привязки и существенно увеличить ресурс работы электродов.

В этой связи существенную роль для выяснения процессов на "холодных" электродах и увеличения их ресурса работы играют исследования движения дуги по медным электродам под действием собственных и внешних магнитных полей.

Анализ работ выполненных в ИТМО БАН, ИТФ СО РАН, МЭИ и др. и собственные исследования показали, что скорость движения дуги определяется в основном взаимным расположением движущего ее магнитного поля и направлением движения заряженных частиц как в дуге, так и в подводящих ток проводниках. Эрозия электродов в виде потока испаряющегося материала уменьшает скорость движения дуги и заставляет ее двигаться скачками.

Большое влияние на движение дуги по медным электродам оказывает состояние поверхности шин. Экспериментальные . исследования показывают, что скорость движения дуги при первом пуске примерно вполовину меньше, чем после 5-10-кратного движения дуги по электродам.

Такое изменение скорости движения дуги связано с окислением поверхности медного катода и возникающим в результате этого изменением вида эмиссии электронов в дуговой разряд.

Электрохимическая эмиссия электронов (ЭЭЭ) с окисленной поверхности медного катода происходит в результате анодного окисления по схемам

2СиО ~> 2Си2+ +• 02 + 4е- или 2Си2 О -> 4Си+ +О2 + 4е-.

Эмиссия электронов с чисто медного катода происходит с нагретой поверхности при высокой напряженности электрического поля и поэтому она обусловлена совместным протеканием термо- и автоэлектронной эмиссии.

При появлении на поверхности металла оксидов меди эмиссия электронов происходит из окисленной поверхности. Оксиды меди при наличии небольшого избытка кислорода являются полупроводниками р -типа. В паре с металлической медью закись меди работает как выпрямитель, обеспечивая одностороннюю проводимость от меди к окислу. При повышении температуры электропроводимость полупроводников увеличивается за счёт ионной составляющей, а эмиссия с поверхности оксидов (проводников второго рода) принципиально отличается от таковой с поверхности металлов (проводников первого рода) и носит электрохимический характер.

Катионы меди, . появляющиеся в поверхностном слое оксидов, нейтрализуются атомами кислорода, поступающими вследствие эстафетного механизма диссоциации. оксидов, подобно эстафетному механизму движения Н+ и ОН" в воде.

Необходимым условием этого механизма является достаточно высокая концентрация вещества, участвующего в процессе, для того чтобы цепь передачи не прерывалась на всем протяжении эстафеты. Время элементарного акта (»Ю-8 с ) достаточно мало для обеспечения высокой скорости диффузного процесса.

На поверхности металла под слоем оксидов происходит катодное восстановление ионов меди до металла по схемам

Си2+ + 2е- -» Си0 или Си+ + 1е- -» Си0.

В результате анодного окисления и катодного восстановления, то есть в процессе электролиза, слой оксидов на поверхности разрушается и ЭЭЭ переходит в обычную авто - и термоэмиссихо.

Напряжение разложения (и) при ЭЭЭ определяется по формуле

и = -Д§/2р, где Ае - энергия Гибсса образования данного оксида кДж/моль; ъ - количество электронов, передаваемых частицей I элементарном акте; Р- число Фарадея.

Так как напряжение разложения при электролизе меньше работы выхода электронов из металла, то при наличии оксидов па поверхности преимущественно происходит ЭЭЭ, т.е. дуга горит на поверхности оксидов и перемещение привязки происходит от одного окисленного участка к другому, что подтверждается в эксперименте. Наличие сплошного слоя оксидов способствует плавному перемещению точек привязки (точек эмиссии) по поверхности. Процессы электролиза могут происходить не только в расплавах, но и в твердых электролитах, хотя скорость их вследствие меньшей скорости диффузии ионов ниже, чем в жидкой фазе. Как отмечалось, скорость эстафетной передачи ионов достаточна для разрушения оксидного слоя, в то же время объёмная скорость диффузии кислорода к поверхности металлов через слой оксидов в связи с малой растворимостью его в системе является недостаточной для установления равновесия в процессе "химическое окисление - электрохимическое восстановление". Такое равновесие имеет место на термохимическом катоде.

В связи с тем, что оксиды на поверхности металла играют роль защитного слоя, ЭЭЭ уменьшает эрозию электродов и поэтому представляет интерес выявить факторы, обеспечивающие её протекание при работе медного катода.

Для определения граничных условий ЭЭЭ рассмотрены изобарные сечения диаграмм состояния системы "медь - кислород" при давлениях 101.3 кПа, 10.13 кПа, 1,01 * 10"гкПаи 1.01*10-* кПа.

Температура плавления СщО равна 1338 К, тогда как СиО является нестойким химическим соединением и разлагается в зависимости от давления кислорода в температурном интервале 1283 - 973 К. Следовательно, ЭЭЭ с поверхности твердых оксидов, не содержащих включений меди, ограничена по содержанию кислорода в оксидах меди от

//

11 до 20% и при температуре в интервале 648 - 1160 К. При низких температурах электропроводимость может оказаться недостаточной для обеспечения необходимого тока эмиссии.

Теплопроводность оксидов значительно ниже, чем металлической меди, и поэтому при образовании достаточно толстой оксидной плёнки возможно её поверхностное оплавление и потеря эмиссионных свойств.

Для определения количества тепла, передаваемого в электроды движущейся дугой в нижней части электродов заделывались хромель-копелевые термопары. По повышению температуры и скорости перемещения дуги рассчитывался тепловой лоток и вольтовый эквивалент тепла в электроды. На основании проведенных экспериментов получено, что вольтов эквивалент на медном катоде движущейся дуги составил Д и* = 7 В. а для анода ди» = 11 В.

Таким образом, вольтов эквивалент для движущихся дуг меньше, чем для неподвижных.

Для определения структуры дуговых пятен исследовалось движение дуги по тем же электродам под действием внешнего магнитного поля.

Отличительной особенностью движения дуги под действием внешнего магнитного поля является появление на поверхности электродов следов от пятна дуги в виде ветвей елки. Появление ветвистых следов при воздействии внешнего магнитного поля можно объяснить траекторией движения пятен, соответствующей траектории движения заряженных частиц в столбе дуги под воздействием магнитного поля. В связи с большей подвижностью столба дуги по сравнению с привязкой канал дуги вблизи поверхности электрода искривляется. В зависимости от состояния поверхности электрода и расположенного над ним столба дуги возможен пробой холодного слоя газа между ними одновременно в нескольких местах и образование новых микропятен дуги. Таким образом, кроме основного пятна, через которое идёт ток дуги, образуются ещё несколько трубок тока, которые под действием внешнего магнитного поля будут смещаться по направлению к переднему фронту канала дуги и удаляться от

оси электрода. Действием электромагнитных сил на расходящиеся пятна можно объяснить происходящее ветвление следов.

Процессы в приэлектродных областях дуги строго скоординированы с процессами в столбе дуги, так как появление и исчезновение заряженных частиц на электродах связано с процессами переноса тока по столбу дуги.

При установившемся режиме дуги процессы появления и исчезновения заряженных частиц в столбе дуги находятся в равновесии и описываются уравнением баланса ионов

(с!п/си)т + (с1пМ1)е = {¿п1й\)к + (с1п/ск)1),

где ({1п/ск)т - скорость образования ионов путём термической ионизации; (с1п/ск)к- скорость образования ионов путем ударной ионизации; (с!п/с1!;)к и (сЫск)ц- скорости исчезновение ионов путём рекомбинации и диффузии соответственно.

Анализ процессов в столбе дуги показывает, что основным видом образования заряженных частиц в дуговых разрядах является термическая ионизация газа. И только в переходных режимах в процессе зажигания дуги или при модуляции тока в плазмотроне высокочастотными импульсами возможен вклад ударной ионизации в процесс образования носителей зарядов в столбе дуги.

Исчезновение заряженных частиц в столбе дуги определяется в основном видом теплоотвода от столба дуги.

В целом параметры плазменной струи определяются энергией, потребляемой от источника питания, которая в основном зависит от состава плазмообразующего газа (его теплопроводности, молекулярного веса, диаметра частиц, энергии диссоциации, ионизации и др. свойств) и условиями существования дугового разряда.

В то же время механизм передачи энергии от плазмы к изделию тоже зависит от процессов в столбе дуги и может быть представлен схемой (рис. 1).

Как видно на представленной схеме, управлять плазменным ехнологическим процессом можно воздействуя на один или несколько ¡еханизмов передачи энергии от плазменного потока к изделию.

Третья глава посвящена разработке теоретических основ правления привязкой дугового разряда на медных цилиндрических лектродах и параметрами плазменного потока газовихревых [лазмотронов с помощью электрических и магнитных полей, создаваемых пецнальными устройствами и источниками питания.

Для нахождения способов повышения ресурса работы электродов и правления дуговым разрядом определялись основные параметры лияющие на движение дуги по медным цилиндрическим электродам и словия существования дугового разряда в плазмотроне.

Анализ литературных данных показывает, что при конструировании лазмотронов с цилиндрическими электродами управление скоростью вижения дуги целесообразно осуществлять с помощью создания мощных золее 0,1 Тл) магнитных полей.

Наибольшего эффекта с точки зрения увеличения скорости движения уги и увеличения ресурса, цилиндрических электродов можно достичь при лине радиального участка дуги, имеющего форму прямой линии, 'величение длины дуги приводит к снижению скорости ее вращения за счет зменения ее формы (она приобретает эвольвентный вид) и соответственно меныиения составляющей силы, вращающей дуговой разряд.

При смене полярности электродов условия движения дуги по ним не зменяются. Этот вывод имеет существенное влияние при создании ехиологических плазмотронов линейных схем с двумя цилиндрическими пектродами.

Основываясь на эффекте Холла, можно предположить, что в металле током, помещенном в перпендикулярное магнитное поле, электроны не элько концентрируются около одной из поверхностей металлической ластины, но через привязку электрического разряда могут переходить в голб дуги, увеличивая эмиссию электронов из катода.

го

Для исследования этого предположения был проведён ряд экспериментов на вакуумной установке (рис,2). Результаты изменения ток; разряда при воздействии магнитного поля на катод и анод представлены ш рис.3.

Как видно на рис.3, воздействие магнитного поля на катод даё1 приращение электрического тока в разрядной трубке почти на порядок выше уменьшения тока при воздействии такого же магнитного поля ш анод. С увеличением тока разряда и связанного с ним нагревания электродов влияние эффекта Холла на эмиссию электронов ослабляется и поэтому магнитное поле не изменяет разрядного тока. Анод благодаря более высокой подвижности электронов нагревается быстрее, чем катод. Поэтому в разрядной трубке воздействие магнитного поля на анод не оказывает влияния на ток разряда уже при токе 5 мА, в то время как воздействие магнитного поля на катод прекращается только при токе 14 мА. Для подтверждения влияния температуры электрода на магнитную эмиссию электронов проводились исследования с электродами, разогрев которых осуществлялся от отдельного источника питания. При этом даже при тихом разряде с током до 5 мА эффект изменения тока разряда при воздействии магнитного поля на катод и анод не наблюдался.

Таком образом, в разрядах с холодными катодами магнитное поле способствует изменению эмиссии, а в разрядах с нагретыми электродами нет.

В воздушных плазмотронах с двумя медными цилиндрическими электродами катод имеет рабочую температуру при которой термоэлектронная эмиссия фактически равна нулю даже при токах 200 - 300 А, поэтому создание магнитных полей специальной топологии может увеличить эмиссию электронов из медного катода и уменьшить его эрозию.

Основываясь на проведенных исследованиях движения дуг по медным электродам под действием магнитных полей, а также на исследованиях аэродинамики течения газа в полости внутренних электродов линейных газовихревых плазмотронов, сформулированы условия и предложена

Р1

модель создания распределенной привязки дуги на медных цилиндрических электродах.

Первым условием существования распределенной привязки дуги в цилиндрическом электроде является наличие или создание зон с нулевой скоростью течения газа у поверхности электрода.

Вторым условием является создание мощных магнитных полей, достаточных при данном токе для образования замагниченной плазмы на радиальном участке дуги.

Третьим условием является создание радиальных зон привязки дуги в зоне нулевых скоростей течения газа, перпендикулярных магнитному полю.

Кроме того, для организации распределенной привязки дуги на медном катоде необходимо создать условия, облегчающие эмиссию электронов из холодного катода (ЭЭЭ и магнитная эмиссия электронов).

Наложение внешнего магнитного поля на радиальный участок дуги приводит к движению заряженных частиц поперёк магнитного поля. Заряженные частицы, сталкиваясь с нейтральными, передают им часть своей кинетической энергии, в результате чего внутри дугового столба возникает движение горячего газа.

В результате такого движения в лобовой части радиального участка дугового канала образуются два вихря с противоположным направлением вращения, а сам дуговой канал для набегающего потока представляет собой как бы твердотельный цилиндр. Поэтому лишь незначительная часть набегающего потока проходит через дугу, а основная его часть огибает дуговой канал, как если бы это было твёрдое тело.

При движении твёрдого тела с большой скоростью в газовой среде в его хвостовой части образуется разряженное пространство.

Если напряженность внешнего магнитного поля и величина разряжения достаточны для выполнения условия сос т »1 плазма в хвостовой части радиального участка столба дуги становится 5амагниченной. В замагниченной плазме движение заряженных частиц представляет собой их вращение в плоскости, перпендикулярной к

гг

магнитному полю с круговой частотой сос .При этом период его вращения должен быть меньше среднего времени т иередачи импульса вследствие взаимодействия между частицами плазмы.

Движение заряженных частиц замагниченной плазмы в скрещенных магнитном и электрических полях происходит в виде их электрического дрейфа. В целом скорость дрейфа ниже скорости плазмы в лобовой части радиального участка столба дуги, в результате чего радиальный участок столба дуги растягивается и плазма занимает всё поперечное сечение цилиндрического электрода, образуя тем самым распределённую привязку дуги. Распределенная привязка дуги увеличивает площадь пятна примерно в 5 - 7 раз, уменьшая тем самым плотность тока на электрод и его эрозию.

Организация привязки дуги на выходном электроде газовихревых плазмотронов оказывает влияние не только на ресурс работы электродов, но и определяет параметры плазменной струи. В этой связи управление параметрами плазменного потока может осуществляться с помощью неоднородных магнитных полей.

Для получения распределённой привязки дуги выходные электроды выполняются с внезапным расширением проходного сечения канала, создающим в пристеночной области зону с нулевым течением газа, а внешнее магнитное поле должно быть направленно так, чтобы направление вращения радиального участка дуги совпадало с направлением вращения газового потока в плазмотроне.

Как показали многочисленные исследования магнитных полей вблизи столба дуги, стабилизированного газовихревым потоком, такой столб создаёт магнитное поле аналогично катушке индуктивности с направлением магнитного потока, определяемым вращением газового вихря в плазмотроне.

Изменяя конструкцию выходного электрода и воздействуя неоднородным магнитным полем на столб дуги, можно получить широкофакельный плазменный поток с диаметром до 100 мм и равномерным распределением температуры по сечению струи (рис. 4).

гз

Управлять параметрами плазменного потока можно также, создавая с помощью источника питания специальные колебания тока и напряжения в дуге.

В настоящее время накоплен большой опыт по применению акустических колебаний плазменного потока для интенсификации плазменных технологических процессов.

Для управления процессом генерирования акустических колебаний следует провести анализ спектра и выявить частоты, на которые приходится основная доля энергии.

Анализ спектра распределения мощности акустического давления в плазмотронах показал, что основной причиной возникновения колебаний являются процессы шунтирования приэлектродных участков дугового разряда и отрывные течения^ образующиеся при обтекании зазоров, каверн, неровностей канала плазмотрона. Частота колебаний хорошо коррелирует с мгновенными изменениями тока и напряжения на дуге.

При оценке мощности, приходящейся на каждый частотный диапазон получено, что звуковая мощность на каждую из частот не превышает (12 -17)*10'5 дБ/Гц и влияние колебаний такого уровня на технологические процессы незначительно.

Принудительная модуляция мгновенных значений тока и напряжения в генераторах низкотемпературной плазмы с помощью специальных источников питания в диапазоне максимальных частот, генерируемых плазмотронами, усиливает акустические колебания до значений (40 -- 50)* 10 -3 дБ/Гц и приводит к изменению параметров плазменного потока.

Измерения, проведенные спектральными методами показали, что среднее распределение температуры по сечению и длине плазменной струи в целом увеличивается в 1.2 - 1.3 раза при уменьшении потерь тепла в конструкцию плазмотрона. Чем больше модулируется дуга, тем больше повышается температура струи. Относительное повышение температуры зависит от частоты, глубины модуляции и скорости нарастания фронта импульса. Объяснить изменение параметров плазменного потока при модуляции тока

в плазмотроне можно, как указывалось ранее, увеличением вклада ударной ионизации в процессы образования носителей зарядов в столбе дуги.

В четвёртой главе проведён анализ влияния колебания параметров источника питания и сети на процессы в дуговом разряде. Предложена методика исследования устойчивости системы "источник питания - дуга", позволяющая рассчитывать устойчивость различных по принципу действия ИП (непрерывных и импульсных).

Колебание напряжения питающей сети может быть выражено Коэффициентом КОЛебаНИЯ напряжения ИП JB = (Umax - Umm) /U

mix, где

Umax и Umm - соответственно максимальное и минимальное мгновенное значения напряжения на нагрузке.

Коэффициент колебания напряжения ИП определяется колебаниями параметров самого ИП и колебаниями напряжения в питающей сети.

Изменение коэффициентов колебания напряжения у и регулирования напряжения р = Uw/Umm для различных схем выпрямления представлено в таблице 1.

Таблица 1

Число фаз выпрямителя 3 6 12 24 48

у- коэффициент колебания напряжения ИП 0.5 0.134 0.034 0.0085 0.0012

Диапазон изменения у с учетом возмущений вносимых системой питания 0.685 0.352 * Т*Ф- 0.26 -з-У*р. 0.24- Укр. 0.231* УкР.

Р-коэффициент регулирования напряжения 1.08 1.76 3.63 6.64 13.2

Из представленной таблицы видно, что наиболее целесообразно для питания электродуговых устройств с безиндуктивным ограничением мощности применять шестифазные управляемые выпрямители, так как дальнейшее увеличение числа фаз выпрямления без принятия специальных мер по стабилизации напряжения питающей сети нецелесообразно. Однако

гs

шестифазные выпрямители не могут регулировать изменение мощности плазмотронов в широких пределах.

Кроме колебаний напряжения в питающей сета и колебаний параметров источника питания, на устойчивость системы "ИП - дуга" оказывают колебания параметров дугового разряда, вызываемые процессами в самом генераторе низкотемпературной плазмы.

Основной причиной колебания тока и напряжения в плазменном генераторе является характер движения приэлектродных пятен дугового разряда.

На рис. 5 представлены типичные осциллограммы тока дуги, характеризующие частотный спектр колебаний дугового разряда для плазмотронов с медными электродами.

На основании анализа осциллограмм и исследований движения дуги под действием магнитного поля можно составить картину возникновения колебательных процессов в дуговом разряде.

Радиальный участок дуги при движении по внутренней поверхности электрода приобретает вид эвольвенты, изгибающейся вдоль поверхности цилиндрического электрода. При достижении разности потенциалов между одной из точек эвольвенты и поверхностью электрода напряжения пробоя произойдёт пробой и образуется новый проводящий канал. Это приводит к укорачиванию радиального участка дуги и в целом к укорачиванию длины туги. Такое уменьшение длины дуги приводит к скачку тока в цепи плазмотрона. Поскольку катушка индуктивности включена последовательно с током, то изменения тока в дуге за счёт обратной связи с тугой через магнитное поле создаёт колебательный импульс тока в дуге. Частота таких колебаний определяется конструкцией плазмотрона, эежимом его работы и находится в пределах 1-100 кГц. Дополнением к такого рода колебаниям является крупномасштабное шунтирование в «правлении аксиального течения газа.

Наличие высокочастотных гармоник 1.5 -3 МГц между периодически товторяющимися крупномасштабными колебаниями тока дуги можно

г&

объяснить особенностью движения привязки дуги по медному электроду под действием внешнего магнитного поля (гл. вторая). Появление и отмирание новых микропятен приводит к высокочастотным колебаниям тока в дуге.

Кроме указанных причин, вызывающих колебания дугового разряда, возможно появление колебательных процессов между реактивными параметрами самой дуги, ИП и сети.

В целом колебания напряжения в питающей сети, колебания параметров источника питания и колебания параметров дугового разряда определяют устойчивость системы "ИП - дуга".

При исследовании устойчивости электрической дуги обычно используются вольтамперные характеристики. Однако при изменении типа плазмотрона и ИП меняется вид уравнений, описывающих эти характеристики.

Расчёт устойчивости системы "ИП - дуга" может быть унифицирован для большого круга источников питания и плазмотронов при использовании характеристик "мощность - проводимость ( Р - С)".

В системе координат Р - О дуга описывается уравнением в = А + В Р, где А, В - коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров плазмотрона, а источник питания Р = Е2С / (1 - С Я,)2, где Е и ^ -соответственно ЭДС и внутреннее сопротивление источника питания.

Стабилизации режима электрической дуги добиваются тем, что создают устойчивые равновесные режимы, отвечающие энергетическому балансу дуги и ИП в рабочей точке Р«а = Рдуг*.

Вторым критерием устойчивости, как и при расчёте с использованием ВАХ, является устойчивость в переходном режиме, определяемая соотношением с!Рд /<Ю"> с1РИСт /сЮ, где <1Рд/сЮ и с1РНСг /сЮ - соответственно крутизна характеристики дуги и источника питания в рабочей точке.

Маленькое внутреннее сопротивление источника питания и сопротивление дуги приводят к тому, что устойчивые равновесные режимы возможны только при больших токах (рис.6). Поэтому для исключения

терегрузки источника питания необходимо применять различные способы ограничения мощности. Условно по принципу действия их можно эазделить на два типа: непрерывное ограничение мощности (активные и неактивные балластные элементы, транзисторные регуляторы и др.) и шпульсное ограничение мощности (ключевые тиристорные схемы и др.)

При непрерывном ограничении мощности Р - в характеристика источника питания находится в области допустимых нагрузок (кривая 4 в ¡аштрихованной области на рис. 6).

А при импульсном ограничении мощности происходит дозированная тодача мощности к дуге. Например, для тиристорного преобразователя слючевого типа, схема которого представлена на рис. 9, характеристика ЛИ перемещается от кривой I через кривые 2, 3 до кривой 4 (рис. 7). При »том погасания дуги не произойдёт, если в любой момент заряда <онденсатора от точки А до точки Д будут существовать точки ггационарного равновесия дуги и ИП, точки В и С на кривых 2, 3 (рис. 7).

Сохранение устойчивости работы непрерывного и импульсного ключников питания и дуги оценивается с помощью колебаний мощности ключника питания ДР„ст и колебаний проводимости электрической дуги в самом тяжёлом режиме, когда проводимость дуги и мощность кточника минимальны (кривые 4 на рис. 6 и рис.7).

Если в указанных диапазонах колебаний Д Рист и АОд точки ювместной работы ИП и дуги удовлетворяют уравнениям 3 и 4, то режим южно считать устойчивым. На рис. 8 для указанного диапазона колебаний очка А устойчива, а точка В - неустойчива.

Такая методика расчёта устойчивости позволяет выбрать тип ИП для :оздания модулированного тока в различных технологических процессах.

В главе также описывается методика расчёта многодуговых систем с юмощыо расчёта устойчивости одной из параллельных дуг от ташвалентного источника питания, величина ЭДС и внутреннее опротивление которого включают в себя параметры остальных [араллельно подключенных к системе дуг. Предложен метод выбора типа

л

источника питания в зависимости от вида плазменного технологического процесса.

В пятой главе приведены результаты промышленной реализации разработок.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования по процессам в дуге и на медных электродах при воздействии мощных магнитных полей позволили разработать многофункциональный плазмотрон. Основным достоинством такого плазмотрона является использование недорогих и недефицитных материалов (медь) и энергоносителей (воздух), а также возможность его работы от одного источника питания в различных технологических процессах (плазменной резке, напылении и термообработке материалов) при замене выходных узлов плазмотрона.

Технологические характеристики многофункционального плазмотрона представлены в таблице 2:

Таблица 2

Техническая характеристика Плазмотрон

для напыления для обработки стройматериалов для резки металлов

1 2 3 4

Мощность, кВт 40-100 80-120 40-20

Напряжение холостого хода, В 300 - 500 300 - 500 300 - 500

Напряжение на дуге в рабочем режиме, В 200 -450 270 - 450 200- 450

Рабочий ток, А до 320 до 450 до 350

Плазмообразующий газ: воздух+ пропан воздух+ пропан воздух+ пропан

расход воздуха, кг/с 2*10-3 5*10'3 4*Ю-3

расход пропана, кг/с 1*Ю-4 0.1* ю-4 2*1 (К

Охлаждение: водяное водяное водяное

расход воды, кг/с 0.5 0.75 0.35

1 2 3 4

Производительность по порошкам, кг/с:

ПН-80 В* ю-з

А1 12*10-3

АЬОз 5*10-3

Ширина плазменного потока, м 8*10-з 9*10-2

Температура плазменной струи на расстоянии 10 мм от среза сопла, °К 2.53.4* 103 1.5-2.5*103

Угол раскрытия плазменной струи не более 12°

Коэффициент использования порошков, % :

ПН-80 87

А1 96

АЬОз 83

Ресурс работы катода, час

прямая полярность 400 600 400

обратная полярность 600 300

Ресурс работы анода,час

' прямая полярность 800 1000

обратная полярность 40 0 600

Тепловой КПД, % п 76

Вес плазмотрона, кг 3.5 6.0 2.0

Толщина разрезаемого металла, мм:

сталь 120

медь 80

алюминий 100

Созданный многофункциональный плазмотрон с существенно различными параметрами плазменного потока позволяет организовать выпуск промышленностью универсальных плазменных установок.

На базе созданного широкофакельного плазмотрона для термообработки материалов разработана и внедрена на АО "Павлодарстройматериалы" технологическая линия по плазменной

обработке силикатного кирпича с целью создания на нем защитно-декоративных покрытий.

Существующие в настоящее время технологические линии по плазменной обработке кирпича в связи с большими площадями обрабатываемой поверхности используют генераторы низкотемпературной плазмы с вынесенной дугой. Малые поперечные размеры и большая длинг плазменного столба в таких генераторах снижают качество и производительность процесса обработки.

Широкофакельный плазмотрон за счёт большой площади сечения плазменного потока и его высокой удельной мощности позволяет увеличить скорость обработки, исключить разрушение вяжущих элементоЕ и повысить прочность сцепления декоративной плёнки с основой, Увеличение производительности приводит к снижению энергозатрат, а использование в качестве красящих солей отходов произведет Иртышского химико-металлургического завода, ' Ермаковского и Актюбинского ферросплавных заводов повышают экономическук эффективность производства.

Рентгеноструктурные и крисгаллооптические исследования свойств декоративного слоя и основы, а также испытания физико-механических у. эксплуатационных характеристик обработанного кирпича показали, чтс морозостойкость кирпича повысилась с 35 до 50 циклов и улучшились физико-механические свойства самого кирпича.

Получено заключение Алматинского научно-исследовательского и проектного института строительных материалов о возможности использования обработанного кирпича в качестве строительно-облицовочного материала промышленных и жилых зданий.

В главе три было" показано, что колебания дугового разряда могуч улучшать параметры плазменного потока. В этой связи был разработан источник питания, созданный на принципе частотно-импульсногс регулирования с использованием тиристорного преобразователя ключевого типа и позволяющий работать в двух режимах (рис. 9).

Использование двух вторичных обмоток трансформатора и соединение последовательно выпрямителей В1 и В2 позволяет модулировать ток плазмотрона с частотой от 50 - 2000 Гц и накладывать ;го на базовую мощность с глубиной модуляции 50% (рис. 10).

Для оценки влияния воздействия модуляции тока на процесс злазменного напыления проводилось напыление порошков алюминия и экеидов хрома и исследовались зависимости прочности сцепления юкрытия и его пористости от отношения модуляционной мощности к зазовой мощности.

Результаты исследований показали, что адгезионная прочность юкрытия в модулированном режиме возрастает по сравнению со ггабильным режимом в 1.2 - 1.3 раза, в то время как пористость /меньшается с 3 - 6 % до 1 - 2 % для алюминия и с 6 - 8 % до 3 - 4% для жсида хрома.

Вторым режимом работы источника питания является его работа в гмпульсном режиме. Мощность, подводимая к плазмотрону, регулируется вменением частоты коммутации тиристоров, а устойчивость системы "ИП дуга" обеспечивается дозированной подачей мощности к плазмотрону, "акой источник питания является источником мощности за счёт иперболического вида ВАХ и обеспечивает постоянство энтальпии лазменной струи при колебаниях расхода газа.

Для определения технологических характеристик источника ющности исследована зависимость прочности сцепления и пористости апылённых покрытий из окиси хрома и алюминия от электрической ющности плазмотрона (рис. 11).

Исследования показали, что при питании плазмотрона от источника ющности, имеется оптимальный режим по мощности, потребляемой лазмотроном, для алюминия 18 кВт, для окиси хрома 22.4 кВт. При этих ежимах прочность сцепления напыляемого материала максимальна, а ористость - минимальна. Объяснить эти режимы можно соответствием

частоты колебания тока в дуге физическим параметрам частиц напыляемого порошка (размер, плотность и т.д.).

Как видно на рис. 11, источники мощности позволяют не только получать более качественные покрытия, но и являются экономически более выгодными по сравнению с промышленными источниками питания на базе управляемых выпрямителей.

Разработанное оборудование внедрено на Невском судостроительном-судоремонтном заводе г. Петрокрепость и на предприятии "Авторемплазма" г. Петропавловска.

Получение сверхчистых материалов и выращивание монокристаллов из тугоплавких материалов с использованием ГНП в связи с технологическими и экономическими преимуществами становятся особо актуальной задачей.

Процессы плазменно-дугового переплава металлов и выращивание монокристаллов можно разделить на две стадии:

1) расплавление металла и образование капли;

2) кристаллизация металла в слиток.

Анализ процессов при плазменном переплаве показал, что удаление примесей из металла происходит в основном на стадии расплавления переплавляемого металла и образования капли. При этом для повышения эффективности процесса необходимо вводить энергию в переплавляемый материал так, чтобы на его поверхности быстро образовывалась тонкая пленка расплава, а капля существовала как можно дольше.

Однако экспериментальные исследования показали, что существует критическая мощность, вводимая в ГНП, до которой переплавляемый металл не плавится, а после нее капля мгновенно стекает в кристаллизатор.

В связи с этим было предложено модулировать плазменный поток с помощью импульсов, позволяющих расплавить переплавляемый материал и увеличить время существования капли (рис. 12). Как указывалось ранее и показали проведенные исследования, модуляция плазменного потока по заданным параметрам (изменение тока от 5 до 500 А ) с использованием

промышленных ИП на базе управляемых выпрямителей невозможна. Поэтому был разработан ИП на базе тиристорного трансформатора (рис.13).

Модуляция тока плазмотрона с помощью разработанного ИП позволила увеличить время существования капли от одной до четырех секунд и снизить концентрацию примесей в переплавляемом вольфраме: кислорода от 0.15 до 0.05 %; углерода от 0.06 до 0.01 %; алюминия от 0.03 до 0.008 %; магния от 0.01 до 0.001 %.

Для улучшения структуры получаемого слитка и монокристаллов необходима максимально возможная площадь ванны расплава на кристаллизующемся слитке и равномерное распределение температуры плазменной струи по её поверхности. Однако плазменный поток имеет неравномерное распределение температуры по поверхности расплава с максимумом в месте привязки дуги. В этой связи предложен новый способ перемещения привязки дуги по поверхности расплава с использованием "бегущего" магнитного поля, перпендикулярного столбу дуги.

Магнитное поле создавалось с помощью б катушек, расположенных в плазмотроне и последовательно подключаемых к специальному источнику питания.

Такая система позволяет перемещать привязку дуги по поверхности слитка со скоростью от 50 до 1000 об/с, что позволило уменьшить градиент температуры расплава с 64 град/мм до 5.8 град/мм и повысить качество получаемого материала.

Разработанная установка внедрена в Институте структурной макрокинетики РАН для получения сверхчистых монокристаллов тугоплавких материалов по плазменному методу Вернеля,

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования, юзволившие создать высокоресурсные (до 1000 часов) электродные

зу

системы плазмотронов на воздухе, в которых используется формирование распределенной привязки дуги в узких цилиндрических каналах с помощью мощных (0,5 - 0,7Тл) магнитных полей.

В результате проведенных исследований показано, что:

а) конструкция токолроводов и магнитопроводов (экранов) формирует суммарное магнитное поле, его положение относительно проводящего канала дуги и определяет характер и скорость движения привязки дуги по "холодному" электроду;

б) при содержании кислорода в оксидной пленке 11-20 % и температуре медного катода 648-1160 К возникает электрохимическая эмиссия электронов, увеличивающая ресурс работы электрода;

• в) магнитное поле при воздействии на электрод электрического разряда может увеличивать эмиссию электронов только из "холодных" катодов;

г) при создании специальных условий, приводящих к появлению зон с нулевой скоростью течения газа в медных цилиндрических электродах, и воздействии на радиальный участок дуги мощных магнитных полей может быть получена замагниченная плазма и сформирована распределенная привязка дуги в этой области, существенно увеличивающая ресурс работы электродов.

2. Определен механизм управления дуговым разрядом при воздействии на него неоднородных магнитных полей, что позволило разработать специальные конструкции выходных электродов, создающие распределенную привязку дуги для плазменного напыления и широкофакельную плазменную струю диаметром до 100 мм для плазменной обработки материалов.

Разработан многофункциональный плазмотрон с комплектом сменных выходных сопел, что позволяет использовать одну и ту же плазменную установку для технологических процессов с существенно различными параметрами плазменного потока и организовать выпуск промышленностью универсальных плазменных установок.

3. Установлено, что акустические колебания, возникающие в генераторах низкотемпературной плазмы, определяются типом и конструкцией плазмотрона, т.е. характером движения привязки дуги по электродам, отрывными течениями при обтекании каверн, неоднородностей плазменного канала и т.д., хорошо коррелируются с мгновенными значениями тока и напряжения, составляют порядка (12-17)*10-5 дБ/Гц и слабо влияют на технологические свойства плазменного потока.

Доказано, что принудительная модуляция мгновенных значений тока и напряжения с помощью специальных источников питания в диапазоне максимальных частот, генерируемых плазмотронами, может усиливать акустические колебания до значений (40-50)* 10"3 дБ/Гц, изменять геплофизические параметры плазменной струи и позволяет интенсифицировать плазменные технологические процессы.

4. Определено влияние параметров выходного напряжения источника питания, качества напряжения питающей сети и колебаний тока и напряжения, вызываемых процессами, происходящими в самом плазмотроне, на устойчивость системы "источник питания (ИП) - дуга". Предложена методика исследования устойчивости системы "ИП - дуга", использующая характеристики "мощность - проводимость" и применимая, з отличие от вольтамперных характеристик, для расчета устойчивости различных по принципу действия источников питания (непрерывных и импульсных).

5. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили установить концепции создания электротехнологических комплексов, дающих возможность управления параметрами плазменного потока и интенсификации плазменных технологических процессов при минимизации энерго- и ресурсопотребления.

Совокупность научных результатов позволила создать методологические основы выбора электротехнологического оборудования

и его режимов для плазменного напыления, плазменного выращивани монокристаллов и плазменной обработки силикатных кирпичей.

6. Разработаны и внедрены в промышленносг электротехнологические комплексы, использующие различные способь интенсификации плазменных технологических процессов и повышающи качество получаемых изделий в области:

а) плазменного напыления за счет создания высокочастотны акустических колебаний с помощью источника мощности, работающего н; принципе частотно-импульсного регулирования в диапазоне максимальны: частот, генерируемых плазмотроном и позволивших повысить качеств« напыляемых покрытий и снизить затраты электроэнергии в 1.5 - 1.8 раза.

б) плазменного переплава материалов и выращивани: монокристаллов за счет модуляции тока дуги по заданной программе < помощью источника питания, работающего по схеме тиристорногс трансформатора и системы магнитного перемещения привязки дуги позволивших повысить степень рафинирования металлов в 2.5 раза;

в) плазменной обработки материалов за счет создания плазменногс потока больших сечений и удельной тепловой мощности с помощьк широкофакельного плазмотрона, позволившего повысить качество стекловидного покрытия, прочность его сцепления с силикатным кирпичем и экономичность процесса его обработки.

Содержание диссертационной работы наиболее полно отражено в следующих публикациях.

5. Мукажанов В.Н. Тепло- и электрофизические основы и оборудование плазменных технологических процессов: - Алматы, КазНИИНТИ, 1996.- Де'пон. N 6845 - Ка 96, 159 с.

2. Goiysh W.I.,Mukazhanov V.N..Simonov J.P. Splitted Arc Discharge of Aigh Pressure II 12 та international simposium on Plasma chemistry -Minneapolis,1995,p. 1713-1717.

л?

3. Мукажанов В.Н. Исследование процессов на "холодных" катодах ¡ектр и ческой дуги // Труды VII научной школы - семинара "Физика ипульсных разрядов в ковденсированных средах",- Николаев, 1995,- С. 224. Мокрышев А.И., Мукажанов В.Н., Голыш В.И., Симонов Ю.П. миссия электронов при работе медного катода плазмотрона в воздушной >еде // Плазмотехнология. - Запорожье, 1995. - С. 166-169.

5. А.с. 1723820 СССР, с 21 Д 1/09. Устройство для обработки изделий ектродуговым разрядом / Дмитриченко В.И., Калиев А.И., Мукажанов Н., Усманов С.З. (СССР).

6. Golysh V.I.,Mykazhanov V.N,,Bolotov A.V.,Simonov Yu.P. vestigation of high frequency arc oscillations effect on dischargh properties // ■I international Conference on Switching arc pher.omena.-Lodz, 1993,p 34-35.

7. Голыш В.И., Симонов Ю.П., Мукажанов В.Н., и др...Установки для азменной обработки металлов. - Алма-Ата: КазНИИНТИ, 1991. - 65 с.

8. Голыш В.И., Мукажанов В.Н., Симонов Ю.П. Широкофакельный гнитоуправляемый плазмотрон для обработки материалов // тзмогехнология. - Киев, 1993,- С. 130-133.

9. Мукажанов В.Н. Характеристики и применение источников тания генераторов низкотемпературной плазмы // Энергетика и пливные ресурсы Казахстана. - 1995, N1 (приложение). - С. 79-80.

10. Мукажанов В.Н., Тетроев А.П. Физико-химические процессы в х и на электродах при плазменной очистке металлов и выращивании нокристаллов // Энергетика и топливные ресурсы Казахстана.- 1995. N1 шложение). - С. 77-78.

11. А.С. 1720303 СССР, с 30 В 11/10. Способ выращивания нокристаллов диборвда титана / Дмитриченко В.И., Мукажанов В.Н., лиев А.И. и др.(СССР).

12. Bolotov A.Y., Bogomolov M.N., Mukazhanov V.N. Electric arc ductance oscillations // VI international Conference on Switching arc nomena - Lodz, 19S9.p. 134-138.

зг

13. Nurkina K.S., Рак V.V.,Bolotov A.V.,Mukazhanov V.N. Calculation of the thermodynamic parameters of electric arc in a vortex flow of gas II V international Conference on Switching arc phenomena - Lodz, 1989. p.76-79.

14. Дмитриченко В.И., Мукажанов B.H., Усманов С.З. Источник1 питания плазменных технологических установок с регулированием тока широких пределах II Тезисы Всесоюзной школы - семинара Электрофизические методы и технология воздействия на структуру i свойства металлических материалов. - Ленинград: Судостроение, 1990. - С 98.

15. Болотов А.В., Юхимчук С.А., Мукажанов В.Н., Фактор! определяющие эрозию тугоплавких электродов под действием пятна дуги i Энергетика и электрификация. - Алма-Ата, КазПТИ. Выпуск 3.- 1974. - С 134-140.

16. Болотов А.В., Голыш В.И., Мукажанов В.Н. и ,др Совершенствование оборудования и разработка плазменной технолога) получения монокристаллов // Энергетика и топливные ресурсы Казахстана - 1995, N 1 (приложение). - С. 78-79.

17. А.С. 1646296 СССР, с. 21 Д 1/09 Способ термической обработю металлов и сплавов I Дмитриченко В.И., Каляев А.И., Мукажанов В.Н (СССР).

18. Bolotov A.V.,Degraf E.D.,Mukazhanov V.N. Diagnostics of th transferring1 vnear electrode plasma jets // V International Symposium oi Switching arc phenomena.-Lodz, 1985.p.48-53.

19. Богомолов M.H., Мукажанов B.H., Веприк Б.А. Влияние способ; стабилизации длины дуги в плазмотроне линейной схемы на эрозии анодного канала. - Алма-Ата: КазНИИНТИ. Деп. в N11324, 1986. - 3 с.

20. Мукажанов' В.Н. К вопросу о влиянии водорода на работ металлических электродов в электрической дуге // Материалы к VI Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмь (ГНП). - Алма-Ата, 1977. Т 2. С. 220-222.

21. Мукажанов В.Н., Богомолов М.Н., Пак В.В. и др.

К вопросу плазменного разрушения бетонов // Плазмотехнология. - Киев, 1991. С.89-91.

22. Богомолов М.Н., Голыш В.И., Мукажанов В.Н. и др. Совершенствование оборудования и разработка плазменной технологии получения монокристаллов тугоплавких материалов // Электротехнология. - Алма-Ата, 1992. С. 4-5.

23. Веприк Б.А., Гуляев С.А., Мукажанов В.Н. Универсальный двухпостовой источник питания дуговых плазмотронов // Применение процессов газотермического напыления и лазерной обработки материалов (материалы по обмену опытом). - Н-Новгород, 1990. С. 14-16.

24. A.C. 1572392 СССР Н05Н 1/04. Плазменно-дуговая установка / Веприк Б.А., Гуляев С.А., Мукажанов В.Н. (СССР).

25. Богомолов М.Н., Болотов A.B., Дмитриченко В.И., Мукажанов В.Н. Колебания в многодуговых системах // Генераторы низкотемпературной плазмы (тезисы докладов XI Всесоюзной конференции). - Новосибирск, 1989. 4.1. С. 49-50.

26. Голыш В.И., Симонов Ю.П., Мокрышев А.И., Мукажанов В.Н. Плазмотрон со сложной геометрией дугового канала и магнитной нейтрализацией вйхревого вращения истекающей плазменной струи // Генераторы низкотемпературной плазмы (тезисы докладов XI Всесоюзной конференции).- Новосибирск, 1989. 4.1. С. 81-82.

27. Богомолов М.Н., Болотов A.B., Дмитриченко В.И., Мукажанов В.Н. Колебания проводимости электрической дуги // Динамика электрической дуги в коммутационных аппаратах (тезисы докладов VII Всесоюзной сессии научного совета по проблемам Физики низкотемпературной плазмы). - Улан-Уде, 1988. С. 60-61.

28. A.C. 791183. Н05Н 1/02. Способ определения приэлектродных падений напряжения / Болотов A.B., Мукажанов В.Н., Мусолин В.Н., Гуляев С. А. (СССР).

№

29. Bolotov A.V.,Mukazhanov V.N. Energetic characteristics of cathod //IV International Symposium on Switching arc phenomena. - Lodz, 1981. p.8S 92.

30. A.C. 262475 СССР с 21 Д 1/06. Способ получения поглощающег лазерное излучение покрытия на поверхности деталей I Калиев А.И Хасенов М.У., Мукажанов В.Н. и др. (СССР).

31. Болотов A.B., Мукажанов В.Н. Тугоплавкие катоды Электротехника. - Алма-Ата, КазПТИ, 1974. Выпуск 1. С. 165-173.

32. Кстенко Е.М., Мукажанов В.Н. К вопросу о влиянии джоулевог тепла на разрушение электродов II Электротехника. Алма-Ата, КазПТК 1975. Выпуск 2.-С. 174-179,

33. Веприк Б.А., Гуляев С.А., Мукажанов В.Н., Курылев М.Е Универсальный источник питания плазмотронов для плазменног напыления. - Черноголовка: ОИХФ, 1988. - С. 22.

34. A.C. 1403622 СССР с 21 Д 1/09. Способ получения поглощающег лазерное излучение покрытия на стальных изделиях / Веприк Б.А Ибрагимов Ш.Ш., Мукажанов В.Н. и др. (СССР).

35. Болотов A.B., Веприк Б.А., Мукажанов В.Н., Пак В.В. Создани нестационарных плазменных струй с помощью модуляции тока источник питания // Нестационарные дуговые и приэлектродные процессы электрических аппаратах и плазмотронах: Сборник докладов Всесоюзной семинара. - Алма-Ата, 1991. - С. 93-98.

36. Голыш В.И., Дмитриченко В.И., Мукажанов В.Н. и др Разработка оборудования для плазменного выращивания монокристалло: тугоплавких материалов // Нестационарные дуговые и приэлектродны процессы в электрических аппаратах и плазмотронах: Сборник докладо; Всесоюзного семинара. - Алма-Ата, 1991. - С. 108-110.

37. A.C. 1526235 СССР, с 21 Д 1/06. Способ получения поглощающел лазерное излучение покрытия на поверхности деталей / Калиев А.И. Хасенов М.У., Мукажанов В.Н. и др. (СССР).

38. Гуляев С.А., Маркус A.C., Мукажанов В.Н. Исследование стойчивости системы "источник мощности - плазмотрон" // Тезисы окладов IX Всесоюзной конференции по ГНП. - Фрунзе: Илим, 1983. - С. 24-425.

39. Богомолов М.Н., Михальков С.М., Мукажанов В.Н.

Ü вопросу о тепловом режиме анодов плазмотронов с вращающимся ятном //Тезисы докладов IX Всесоюзное конференции по ГНП. - Фрунзе: 1лим, 1983.-С. 188-189.

40. Болотов A.B., Мукажанов В.Н., Гуляев С.А. Импульсный сточник питания плазмотронов // Материалы VIII Всесоюзной онференции по ГНП. - Новосибирск, 1980. - С. 164-167.

41. Болотов A.B., Дмитриченко В.И., Мукажанов В.Н. Способ пределеняя некоторых составляющих энергетического баланса электродов угового разряда // Электрооборудование промышленных установок и втоматизация производственных и электротехнологических процессов. -лма-Ата, КазПТИ, 1977. Выпуск 4. - С. 110-113.

Схема преобразования и передачи энергии от разряда к изделию

1 Способ передачи энергии |от столба плазмы к изделию

Расход энергии

на эмиссию-

электронов

Энергия электрического поля-

Энергия-

химических реакции

Потенциальная энергия свободных электронов

Кинетическая энергия атомов,

ионов, электронов -

Энергия диссоциации молекул и ионизации атомов___

И 3

д

—I 1) Бомбардировка анода направленным потоком электронов

Кинетическая энергия электронов Потенциальная энергия возбужденных атомов, ионов

' I л!

И Е

2) Теплопроводность

3) Конвекция

4) Излучение

5) Рекомбинация молекул

и атомов на поверхности изделия

6) Экзотермические реакции на поверхности изделия

Рис. 1.

Vi

рис.2

î * 7 I » I" V « П К ¡»«Л

рис.3

рис.4

рис.5

к, 11

рис.10

«-3808

рис.13

Ь'

Технология ущр1стер1нде электрл1 доганы пайдалану.

Тушндеме

Жумыс дога мен электродтар процестернзде теориялык, жэне сынактык зерггеулерге догалык; разрядты баскдрудьщ теориялык, непздерще жэне б1ркдтар плазмалык, технолошялык процестерге жогары тгамд1 кешендер куруга арналган.

Жумыстыц максаты - догалык, разрядты баскдру непздерш жасау жэне алынган ешмнщ сапасы мен унемдшгш кдмтамасыз ететш жогары тшмд1 жэне сешщц улкен жумыс унемдшп бар плазмалык, жабдык; жасау.

Жумыста цалыгаы жэне жылдам ауысатын догалардьщ электродтардагы жылу масса - жене электржетгазу зерттеулер1 жургззщщ.

Алгаш рет мыстан жасалган "суьщ" катодтардаш электрон эмиссиясына тусшж бершщ, электрондардьщ электрохимиялык эмиссиялары механизм! усьшылды жэне куатты магнит ергсшщ эсершен электрондар эмиссиясыньщ кушею мумкщдш корссшцц.

Жумыс унемдыитн айтарлыктай арттыратын газкуйынды плазматрондардъщ мыс электродтарында доганы болт байлаудыц улпс! алынды жене усынылды.

Б1ртекг1 емес магнит орютср1 кемепмен догалык, разряд параметрлерш баск,ару бойьшша зертгеулср журпзвдй жэне плазма агыны кдмасында температураны б1ркели болудщ кецсэулел! плазматроны жасалды.

Шршиш рет шацыту процесшщ сапасы мен унемдшшн артгыратьш плазмалы шандату кондыргыларын коректешнретщ кез куатыньщ сызбасы сарапты нeгiздeлдi жэне усынылды.

Монокристалдарды тузуде жэне металдарды плазмалык. балкытуда улгшк плазманы пайдалану тшмдшп керсетвдц жэне жабдыгы жасалды.

Жумыс нэтижелерш плазмалык, жабдык пайдаланушылар мен жасаушылар крлданулары мумкш жэне олар жаксы танымал плазмалык технологияларда алынатын буйымдардьщ сапасы мен унемдшшн кетеруге кемектесед!, сондай-ак, плазма техникасынын, крлдану ауэдымын кенейгсдь

Using of the Electric Arc at the Technological Processes Summary.

The thesis is devoted to theoretical and experimentaal investigations of arc nd electrode processes, development of theoretical basis of arc discharge control nd creation of highly efficient complexes for a number of plasma technological rocesses.

The aim of the thesis is to develop principles of arc discharge control and reate highly efficient and reliable plasma eguipment with large service period roviding high eificiences and quality of finished products.

In this work heat, mass and energy transfer on electrodes under stationary nd quickly moving arc was studied.

For the first time electron emission on "cold" copper cathodes was xplained by electrochemical emission of electrons and a possibility of enhancing lectron emission under strong magnetic fields was shown.

The model was suggested and distribution of the spot of arc contact on apper electrodes of gas-vortex plasmatrons was obtained.lt enables to gnificantly increase their service period.

The problems of control of arc discharge parameters were investigated sing non-uniform magnetic fields.In the result wide-torch plasmatron with niform temperature distribution along the cros-section of plasma-jet was instructed.

We were the first to propose and to justify experimentally the scheme of awer source for plasma spraying installations, this power source inproves the uality and efficiency of plasma spraying.

The expediency of the usage of modulated plasma for plasma metal elting and monocrystal growing was shown and the corresponding eguipemcnt as designed.

The results of this study can be used by designers and users of plasma [uipment and they will enable to increase the efficiency and to improve the jality of finished products in well-known plasma technologies as well as to pand the range of plasma technology application.