Разработка генератора низкотемпературной плазмы с расширяющимся каналом и некоторые его применения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

Г

На правах рукописи

Исакаев Магомед-Эмин Хасаевич

РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАТОРА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ С РАСШИРЯЮЩИМСЯ КАНАЛОМ И НЕКОТОРЫЕ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы.

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов.

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2002

Работа выполнена в Научно-технологическом центре энергосберегающих процессов и установок Объединенного института высоких температур РАН.

Официальные оппоненты: Академик РАН Банных О.А.

доктор физико-математических наук, профессор Недоспасов А.В.

доктор технических наук, профессор Дресвин СБ.

Ведущее предприятие:

Институт электрофизики и электроэнергетики (ИЭИЭ) РАН

Защита диссертации состоится « 13 » мая 2002 г. в 11 часов на заседании Специализированного совета Д.002.110.03 при Объединенном институте высоких температур РАН по адресу: 127412, г. Москва, ул. Ижорская, д. 13/19.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.

Диссертация в виде научного доклада разослана «12 » апреля 2002 г. Ученый секретарь

диссертационного совета, _

доктор технических наук

В.А.Зейгарник

© Объединенный институт высоких температур РАН, 2002 г.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Генераторы низкотемпературной плазмы (ГНП), называемые также плазмотронами, представляют собой устройства, в которых электрический ток используется для нагрева газов до высоких температур.

Высокая концентрация энергии, возможность нагрева любого газа до среднемассовой температуры свыше 6000 К при давлениях от атмосферного до десятков атмосфер, большая эффективность преобразования энергии, простота автоматизации и управления технологическим процессом в интервале мощности от нескольких кВт до десятков МВт обуславливают широкий интерес исследователей к ГНП и перспективность их использования для разработки плазменных технологий.

Первые ГНП, разработанные в 30-х годах в Германии, продемонстрировали возможность получения температуры порядка 50000 К (дуга Гердиена), а также возможность создания на их базе эффективных технологий (стабилизированная тангенциальным потоком газа электрическая дуга длиной более 1 м, напряжением 7000 В и силе тока 1000 А была использована для получения ацетилена из природного газа).

Особое внимание исследователей различных стран привлекли ГНП в конце 50-х годов в связи с развитием космической тематики. Было разработано большое количество разнообразных конструкций ГНП, отличающихся целевыми и технологическими назначениями, а также используемыми источниками питания.

ГНП в зависимости от используемого источника питания подразделяются на три типа:

1. Высокочастотные индукционные (ВЧИ) и высокочастотные емкостные

(ВЧЕ).

2. Сверхвысокочастотные (СВЧ).

3. Дуговые ГНП постоянного и переменного тока.

Различные варианты дуговых линейных ГНП с самоустанавливающейся длиной дуги были разработаны и исследованы в нашей стране школой академика Жукова М.Ф. Мощность линейного ГНП, разработанного в США, достигает 60 МВт (Tullohoma).

Серия мощных дуговых ГНП (до 80 МВт) переменного тока разработана школой академика Рутберга Ф.Г. В США созданы аналогичные ГНП в фирме Westinghouse.

Коаксиальные дуговые ГНП с магнитным вращением дуги разработаны школой академика Коротеева A.C.

Наиболее распространенными являются линейные ГНП. Первоначально они выполнялись со сплошным выходным электродом и с цилиндрическим каналом постоянного сечения. В дальнейшем появились ГНП с межэлектродными вставками (МЭВ), с магнитным вращением дуги и ГНП со стабилизацией разряда уступом. Все эти модификации привели к лучшей стабилизации дугового разряда.

Однако многообразие возможных применений плазмы обуславливает актуальность работ в направлении повышения надежности и ресурса линейных ГНП.

Решению этой проблемы путем создания нового типа генератора низкотемпературной плазмы - генератора с расширяющимся каналом выходного электрода и некоторым его применениям посвящена настоящая работа.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка генератора низкотемпературной плазмы с расширяющимся каналом, обладающего высокой надежностью и ресурсом, а также разработка на его основе эффективных плазменных технологий упрочнения, резки и наплавки. Основными конкретными задачами работы были:

1. Обоснование принципов оптимизации геометрии разрядного промежутка генератора низкотемпературной плазмы.

2. Проведение исследований характеристик генератора низкотемпературной плазмы с расширяющимся каналом выходного электрода.

3. Получение обобщенной вольтамперной характеристики (ВАХ) электрической дуги в ГНП с продольным потоком газа.

4. Разработка технологии плазменного упрочнения металла широкой полосой. Создание установки упрочнения железнодорожных и трамвайных колесных пар.

5. Разработка технологии плазменной наплавки с подачей порошка вместе с рабочим газом генератора низкотемпературной плазмы.

6. Разработка технологии плазменной наплавки на высокомарганцовистую сталь Гатфильда. Создание установки для плазменного восстановления железнодорожных крестовин.

7. Разработка плазменной технологии наплавки на медь.

8. Разработка технологии плазменной резки, в том числе резки металлов больших толщин.

Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Впервые обоснованы принципы оптимизации геометрии разрядного промежутка, разработан генератор низкотемпературной плазмы с расширяющимся каналом выходного электрода и проведено его комплексное исследование.

2. Впервые получена обобщенная В АХ электрической дуги в плазмотроне с продольным потоком газа, справедливая в широких интервалах изменения расхода, давления и рода газа.

3. Определены основные закономерности процесса шунтирования дуги в генераторах низкотемпературной плазмы с каналами выходного электрода различной геометрии в продольном потоке газа.

4. Впервые разработан преобразователь потока плазмы для упрочнения металлов широкой полосой и проведены исследования влияния различных параметров на величину зоны термического влияния на изделия сложной формы.

5. Проведены исследования влияния плазменного упрочнения широкой полосой на структуру и свойства стали типа 60Г. Показана возможность эффективного улучшения структуры поверхностных слоев металла в результате азотирования.

6. Проведены эксплуатационные исследования влияния плазменного упрочнения на ресурс колесных пар путем создания базы данных, включающей более 80 тыс. колесных пар.

7. Впервые разработан генератор низкотемпературной плазмы с расширяющимся соплом и внешним электродом и проведено его исследование.

8. Впервые проведены исследования нагрева и ускорения дисперсных частиц при их вводе с рабочим газом генератора низкотемпературной плазмы с внешним электродом.

9. Разработана эффективная плазменная технология резки металлов, в том числе резки металлов больших толщин.

10. Впервые разработана плазменная технология наплавки на высокомарганцовистую сталь Гатфильда, создана установка восстановления железнодорожных крестовин, увеличен ресурс железнодорожных крестовин.

11. Впервые разработана плазменная технология наплавки на медь. Научная и практическая ценность. Разработанный ГНП с

расширяющимся каналом выходного электрода имеет высокий КПД, возрастающую В АХ, повышенную надежность и ресурс работы.

Полученная обобщенная вольтамперная характеристика справедлива для генератора с продольным потоком газа. Ее отличительной особенностью является возможность применения в широком интервале изменения расхода, давления и рода газа.

Возможность получения высоких температур в прикатодной области (30000 К и более) и стабильность дуги позволяют использовать ГНП как источник света при спектроскопических исследованиях. Он может быть также

использован для исследования тепло- и электрофизических свойств различных газов в указанной области температур.

Разработанная технология упрочнения широкой полосой и созданная установка упрочнения колесных пар получили широкое применение, и к настоящему времени упрочнено более 35 тыс. колесных пар. Ресурс колесных пар увеличен более чем в 1,5 раза.

Разработанная технология и созданная установка для плазменной наплавки позволили увеличить ресурс восстановленных железнодорожных крестовин более чем в 1,6 раза по сравнению с новыми крестовинами. На базе разработанной технологии возможно создание передвижной установки восстановления крестовин без их изъятия из тела пути, а также создание биметаллических крестовин с основой из углеродистой стали и рабочей зоной из наплавленного износостойкого слоя.

Разработанная плазменная технология наплавки на медь позволяет увеличить в несколько раз стойкость стенок медных кристаллизаторов установок непрерывной разливки стали.

Разработанная технология плазменной резки способствует повышению качества и эффективности резки, а также может быть использована для резки металлов больших толщин.

Разработанные ГНП с расширяющимся каналом с указанными характеристиками могут найти самые различные применения в металлургии, плазмохимии, в энергетике, плазменной обработке материалов.

Автор выносит на защиту:

1. Созданный генератор низкотемпературной плазмы с расширяющимся каналом и комплекс исследований его характеристик.

2. Обобщенную вольтамперную характеристику электрической дуги в продольном потоке газа.

3. Технологию упрочнения стали 60 Г широкой полосой и установку упрочнения железнодорожных и трамвайных колесных пар.

4. Технологию плазменной наплавки и установку для восстановления железнодорожных крестовин.

5. Технологию плазменной наплавки на медь.

6. Технологию плазменной резки, в том числе резки металлов больших толщин.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- Конференции по физике низкотемпературной плазмы в Петрозаводске в 1998 и 2001 гг. (ФНТП-98 и ФНТП-2001);

- Международной конференции по ионизованным явлениям в газах (1997г., Тулуза, Франция; 1999 г., Варшава, Польша; 2001 г., Нагойя, Япония);

- Международной конференции по термическим плазменным процессам (1998 г., Санкт-Петербург, Россия; 2000 г., Страсбург, Франция);

-11-м симпозиуме по элементарным процессам и химическим реакциям в низкотемпературной плазме (1998 г., Братислава, Словакия);

- 12-м симпозиуме по применению плазмы (1999 г., Липтовски Ян, Словакия);

- 2-м международном симпозиуме по тепло- и массопереносу в плазме (1999 г., Анталия, Турция);

- Международной конференции по тяжеловесному движению (1999 г., Москва, Россия);

- Международном симпозиуме по электронно-молекулярным столкновениям (1999 г., Токио, Япония);

- 3-м Чешско-Российском семинаре по электрофизическим и теплофизическим процессам в низкотемпературной плазме (1999 г., Брно, Чехия);

- 2-м совещании по магнитной и плазменной аэродинамике и аэрокосмических приложениях (2000 г., Москва, Россия);

- 3-й международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям (2000 г., Минск, Беларусь);

- XIII международной конференции по газовому разряду и его применению ( 2000 г., Глазго, Великобритания);

- 3-м совещании по магнитной и плазменной аэродинамике и аэрокосмических приложениях (2001 г., Москва, Россия);

- 15-м международном симпозиуме по плазмохимии (2001 г., Орлеан, Франция).

Кроме того, результаты работы были доложены на ученых советах ОИВТ РАН, НТЦ ЭПУ ОИВТРАН, на научных семинарах ОИВТ РАН, ИОФ РАН и МГУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 75 работ. Список основных работ приведен в конце диссертации в форме научного доклада.

Авторские свидетельства и патенты. По материалам диссертации получено 6 авторских свидетельств и 5 патентов.

На технологии упрочнения бандажей колесных пар и цельнокатаных колес, а также на установку упрочнения колесных пар получены Сертификаты Госстандарта РФ.

2. ГЕНЕРАТОР НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ С РАСШИРЯЮЩИМСЯ КАНАЛОМ ВЫХОДНОГО ЭЛЕКТРОДА

2.1. Физические основы профилирования канала выходного электрода ГНП с самоустанавливающейся длиной дуги

На рис.2-1 показана схема взаимодействия дуги с потоком газа в длинном цилиндрическом канале постоянного сечения [1].

Рис.2-1. Схема взаимодействия дуги с потоком газа: 1 - столб дуги; 2 - пограничный слой; АВ - начальный участок с ламинарным течением; ВСД -участок разрушения теплового слоя, ДЕР - участок взаимодействия столба дуги с турбулентным потоком газа.

Известно также [2], что с уменьшением диаметра канала возрастает напряженность электрического поля в столбе дуги. С ростом напряженности поля длина дуги и, соответственно, устойчивость разряда должны повыситься.

Отсюда видно, что более устойчивое горение дуги можно получить в расширяющемся канале, в котором увеличивается длина участка ламинарного течения и повышается напряженность электрического поля.

Рассмотрим возможное влияние расширяющегося канала на характеристики дуги в начальном ламинарном участке. Будем сравнивать два ГНП с одинаковыми выходным сечением, расходом газа и мощностью. При этом скорость течения на входе в расширяющийся канал больше, так как поперечное сечение меньше.

Увеличение скорости холодного газа усиливает теплоотвод и увеличивает напряженность электрического поля. Следовательно, в расширяющемся канале не только увеличивается длина ламинарного участка горения дуги, но и поток газа на этом участке нагревается быстрее. Это приводит к уменьшению общей длины дуги.

1. Жуков М.Ф., Коротеев А.С.,Урюков Б.А., Прикладная динамика термической плазмы. Новосибирск: Наука. 1975.

2. Асиновский Э.И, Кириллин A.B., Низовский B.JL. Стабилизированные электрические дуги и их применение в теплофизическом эксперименте. М.:Наука.1992.

КАТОД

В ГНП имеется сильная неоднородность теплофизических и электрических параметров. Искривленные силовые линии электрического поля на участке замыкания тока вместе с неоднородностью распределения плотности тока создают неоднородное магнитное поле. При этом столб такой дуги может быть неустойчив [3].

Расширяющийся канал может обеспечить распределение электрического тока и магнитного поля, способствующие повышению устойчивости положительного столба в разрядном промежутке. При этом длина дуги уменьшается, тепловые потоки в стенки становятся более равномерными. Как известно [1], нормированный радиус дугового столба увеличивается вдоль потока. В расширяющемся канале при относительно больших скоростях холодного газа вблизи анодной привязки дуги дуговой столб может занимать значительную часть поперечного сечения. Прохождение тока в этом случае возможно посредством коротких дуг между анодом и электропроводным ядром потока. Резкое понижение локальной плотности тока на анод способствует уменьшению эрозии электрода.

В монотонно расширяющемся канале отсутствует местное обжатие дуги, приводящее к возникновению неустойчивости.

В ГНП мы имеем тесную связь между параметрами потока газа и электрического разряда. Поиск условия расширения канала ведется с учетом газодинамических характеристик и энерговыделения.

Так как вопросы устойчивости связаны в первую очередь с действующими силами, то отсюда вытекает, что оптимальным может быть степень расширения канала, обеспечивающая постоянный динамический напор потока газа или постоянное число Маха по длине канала.

В результате расчета получен профиль канала, представленный на рис.2-2. С достаточной точностью его можно принять прямолинейным с углом а = 6° между образующей и осью канала. В расчете использованы удельные тепловыделения, имеющие место в реальных экспериментах.

Рис. 2-2. Профиль расширяющегося канала ГНП при М=сопв1

3. Артемов В.И., Левитан Ю.С, Синкевич O.A.. Неустойчивости и турбулентность в низкотемпературной плазме. М.: Изд-во МЭИ. 1994.

2.2. Феноменологическое описание электрического разряда в ГНП с расширяющимся каналом выходного электрода и его особенности по сравнению с разрядом в генераторе с цилиндрическим каналом выходного электрода

Принципиальная схема ГНП с расширяющимся каналом выходного электрода приведена на рис.2-3.

Экспериментальные исследования ГНП с расширяющимся каналом выходного электрода показали, что его ВАХ (рис.2-4+2-6) принципиально отличается от ВАХ ГНП с цилиндрическим каналом. Характер ВАХ при изменении расхода рабочего газа на два порядка остается одним и тем же. Видно, что ВАХ расширяющегося канала, во-первых, является слабо возрастающей, во-вторых, напряжение на дуге при малых токах существенно ниже, иногда более чем в два раза, т.е. область существования дуги в плоскости 1-17 значительно расширена. Данные ука�