Разработка и исследование нагревных электродуговых технологических устройств для широкого диапазона давлений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи УДК 533.9.004.14

ТЬ ОД

' 1 ю 2т

Докукин Михаил Юрьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРЕВНЫХ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ШИРОКОГО ДИАПАЗОНА ДАВЛЕНИЙ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2000

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор ХВЕСЮКВ. И.

кандидат технических наук, доцент АНИКЕЕВ В. Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ТИХОНОВ В. Б. кандидат технических наук, стар. науч. сотрудник ПЕТРОСОВ В. А.

Ведущая организация: Институт металлургии и материаловедения

им. А. А. Байкова РАН

диссертационного совета Д053.15.15 при Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана по адресу: 107005, Москва, Лефортовская наб., д. 1, кор. "Энергомашиностроение". С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н. Э. Баумана. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н. Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д053.15.15.

Защита состоится "

2000 г. в С

часов на заседании

Автореферат разослан

2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцен

ЗИМИН А. М.

¡<551-5,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Развитие современной науки и техники настоятельно требует разработки высокоэффективного плавильного оборудования, обеспечивающего реализацию высоких технологий получения новых сплавов, состоящих из компонентов весьма отличающихся по температуре плавления и упругости насыщенных паров. Также является актуальным развитие и совершенствование плазменно-дугового оборудования для технологических процессов сварки, пайки, термообработки химически активных и тугоплавких материалов (например, молибден, титан, цирконий и их сплавы). Эффективность и качество этих высокотемпературных технологий определяется прежде всего эффективностью источника нагрева и возможностью организации процесса в широком диапазоне давлений заданной рабочей среды.

В связи с этим большой практический интерес представляет разработка и исследование технологически универсальных, удобных в эксплуатации электродуговых устройств, способных работать как в условиях вакуума, так и при атмосферном и избыточном давлениях контролируемой среды. Поэтому на сегодня актуальными направлениями развития и совершенствования электродуговых технологических систем являются:

1. Расширение диапазона рабочих параметров устройств прежде всего по давлению, а также но току, мощности при высокой эффективности передачи энергии обрабатываемому изделию (заготовке) и с учетом влияния состояния атмосферы (давление и вид газа), в которой ведется обработка, на характеристики электрической дуги.

2. Расширение технологических возможностей функционирования устройств в процессе разработки новых способов управления электродуговыми системами.

3. Снижение массогабаритных характеристик электродуговых устройств, предназначенных как для земных, так и для космических технологий.

Итогом деятельности в названных направлениях является создание эффективных нагревных электродуговых установок, использующих последние достижения в области физики плазмы, электротехники, вакуумной техники.

Цель работы

Экспериментальное исследование и анализ тепло- и электрофизических процессов в электродуговых устройствах, способных работать в широком диапазоне давлений контролируемой газовой среды, и на этой основе

разработка и создание опытно-промышленных образцов соответствующей техники, обеспечивающих эффективное выполнение различных высокотемпературных нагревных технологий, таких, как сварка, пайка, опытная металлургия.

Научная новизна работы

1. Проведено комплексное экспериментальное исследование дугового разряда с полым катодом (ПК). Впервые установлено существенное влияние на характеристики электрической дуги с ПК воздействия внешнего локального поперечного магнитного поля, прикладываемого к различным зонам разряда (внутрикатодная плазма, внешний столб).

2. Предложен, экспериментально подтвержден и реализован в разработанных и созданных опытно-промышленных образцах технологических устройств (электродуговые горелки с ПК) метод управления характеристиками дугового разряда с полым катодом (ДРПК) с помощью локального поперечного магнитного поля.

3. Проведено комплексное экспериментальное исследование рабочего процесса дуги со стержневым термокатодом (СК) в широких диапазонах определяющих параметров (вид и давление инертной газовой среды, ток разряда, геометрия катода) с целью установления наиболее эффективных, с точки зрения технологических приложений, режимов такого разряда. Основное внимание было уделено электрической дуге пониженного давления (р= 103... 104 Па) с особой пространственно-энергетической структурой плазмы в катодной зоне.

4. Экспериментально подтверждена работоспособность разработанных технологических электродных узлов со специальными стержневыми термокатодами без принудительного водяного охлаждения в широких диапазонах рабочих давлений (¿>= 1,33 103...1,52 105 Па) и токов (/=50...600 А).

5. На основе проведенных исследований разработана концепция малогабаритной многофункциональной электродуговой плавильной печи.

Практическая ценность работы

1. Практически важными результатами обнаруженного активного воздействия малых локальных поперечных магнитных полей (с индукцией #х до 30 мТл) на ДРПК и разработки соответствующего метода управления таким разрядом являются: расширение рабочего токового диапазона устойчивого горения дуги в область малых токов (до 5 А); возможность достижения больших значений глубины регулирования электрическими характеристиками разряда (например, по току до 50...70 % от его начальной величины /о); увеличение энерговклада в анод Qл (в 1,5...2 раза) в режиме стабилизации по току; возможность снижения токовой нагрузки катода при поддержании необходимого возможность организации импульсно-

периодического режима дуги с ПК; возможность управления пространственным положением внешнего столба дуги (и соответственно -пятна нагрева на аноде) без существенных изменений электрических параметров разряда. На основе приведенных выше результатов разработаны и созданы опытно-промышленные образцы электродуговых горелок с магнитоуправлясмым полым катодом для универсального применения (сварка, пайка и т.п.) в условиях вакуума (/; < 133 Па). Один из типов горелок успешно прошел производственные испытания и внедрен в технологический процесс сварки специзделий на ПО "Южмашзавод" (г. Днепропетровск).

2. Разработаны и созданы технологические электродные узлы со стержневыми неплавящимися термокатодами без принудительного охлаждения для работы в широких диапазонах давлений инертной газовой среды и рабочих токов.

3. В соответствии с предложенной концепцией разработана и создана опытно-промышленная установка, представляющая собой малогабаритную электродуговую печь для получения экспериментальных сплавов со специальными свойствами (в том числе многокомпонентных, тугоплавких и химически активных сплавов) и производства их товарных партий, необходимых в машиностроении, приборостроении, авиационной и медицинской технике. Реализованная компоновка допускает дооснащение установки (печи) специальным оборудованием с целью расширения ее технологических возможностей.

4. Получен патент на способ и устройство управления током в системах с ДРПК.

На защиту выносятся:

1. Результаты комплексного экспериментального исследования дугового разряда с магнитоуправлясмым ПК, включающего в себя: изучение вольт-амперных характеристик (ВАХ) дуги; изучение температурных полей катода; определение качественного состава плазмы спектральными методами; определение локальных параметров плазмы (температура электронов, концентрация ионов) во внешнем столбе разряда, в катодном ресивере методами зондовой диагностики; калориметрирование анода.

2. Результаты исследований, в целях технологических приложений, различных режимов существования дуги пониженного давления и процессов формирования разряда с особой пространственно-энергетической структурой плазмы в катодной зоне.

3. Результаты анализа и экспериментальной проверки работоспособности разработанных электродных узлов со специальными стержневыми термокатодами без принудительного охлаждения в широких диапазонах рабочих давлений и токов.

4. Концепция малогабаритной электродуговой печи, основанная на результатах экспериментальных исследований.

5. Результаты опытно-промышленных испытаний технологических возможностей горелок с магнитоуправляемым полым катодом и малогабаритной электродуговой плавильной печи.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры "Плазменные энергетические установки" МГТУ им. Баумана, ИТФ СО АН РФ, на XI Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы, на VII Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям и ионным инжекторам, на Международной конференции "Физика и техника плазмы", на VIII конференции но физике газового разряда, на Международном конгрессе по физике плазмы (Прага, 1998 г.), на XIV Международном симпозиуме по плазмохимии (Прага, 1999 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 22 печатных работы и получен патент на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и четырех приложений. Работа содержит 135 страниц машинописного текста, в том числе 41 рисунок, библиографию из 66 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, поставлены цель и задачи работы, сформулированы положения, определяющие новизну и практическую ценность полученных результатов, перечислены положения, выносящиеся на защиту.

В первой главе проведен анализ современного состояния технических разработок, относящихся к области высокотемпературных технологий, и связанных с созданием эффективных источников нагрева, предназначенных, как правило, для получения расплава обрабатываемого материала. Акцент был сделан на элсктродуговые устройства, обладающие большими энергетическими возможностями для решения современных и перспективных технологических задач.

Круг этих задач предполагает осуществление высокотемпературных плазменно-дуговых процессов в достаточно широком диапазоне рабочих давлений (10*2 Па <р< 105 Па) контролируемой среды. В связи с этим в ходе обзорного исследования были рассмотрены различные схемы

электродуговых устройств, определены области их устойчивой (по давлению и току) и эффективной (по энерговкладу) работы.

Было установлено, что для условий таких процессов, как пайка, сварка, рафинирование в вакууме (р< 133 Па), хорошо зарекомендовали себя устройства, основанные на дуговом разряде с полым катодом, работающим с расходом инертного газа. Основное внимание уделялось классическому однополостному дуговому ПК, но также рассматривались диафрагмированные ПК, многополостиые ПК и ПК, работающие в неподвижной среде, без прокачки газа через полость. Показано, что наибольшее количество опубликованных работ посвящено исследованиям внешней межэлектродной плазмы, тогда как область, ответственная за формирование и поддержание разряда, - внутренняя полость катода - остается по-прежнему недостаточно изученной. Были выявлены ограничения по токовому диапазону существования и устойчивой работы дугового разряда с ПК различной геометрии. В главе приведен критический анализ существующих схем управления ДРГ1К и определены направления исследования и разработок в этой области при создании технологических устройств с ПК универсального применения, работающих в диапазоне давлений р= 1(Г2...102 Па.

В области рабочих давлений 103 Па </;< 105 Па хорошей работоспособностью и эффективностью, что подтверждается целым рядом работ, обладают электродуговые устройства на основе стержневых неплавящихся термокатодов, работающих в среде инертных газов.

В этом классе устройств особый интерес представляют системы, реализующие при р= 103...104 Па дуговой разряд со своеобразной, "шаровой" структурой прикатодной плазмы, обладающей резко локализованным в пространстве энерговыделением в диапазоне 1О2... К)' Вт/см3. Такой разряд, как показывают имеющиеся данные по его исследованию, имеет ряд энергетических достоинств и технологических преимуществ по сравнению с обычной атмосферной (р « 105 Па) дугой в инертной среде.

В заключении обзора электродуговых систем с СК показана целесообразность дальнейшего исследования и разработки указанного типа газоразрядных устройств, и модернизации последних с целью расширения их работоспособности в область более высоких давлений (р % 1,5 105 Па) в соответствии с современными и перспективными технологическими запросами.

В результате проведенного анализа данных литературы были сформулированы задачи настоящей работы.

Во второй главе описана экспериментальная установка и представлены методы комплексного исследования дуговых газовых разрядов в контролируемой среде.

Перечислены и даны характеристики основных и вспомогательных систем установки. Описаны использованные экспериментальные модели, одна из которых была предназначена для изучения процессов в дуговом разряде с расходным полым катодом, а другая - для исследования дуг со стержневым термокатодом.

В экспериментах обычно использовался, так называемый "классический", полый катод, представляющий собой танталовую трубку диаметром 4 мм, длиной 50 мм и с толщиной стенки 0,2 мм, через который прокачивался инертный газ (аргон, ксенон) с расходом ~ 0,1...1,0 см3/с. В такой модели, включающей в себя также медный водоохлаждаемый апод и управляющую магнитную систему, могли реализовываться различные токовые режимы в диапазоне 5...150 А при давлении в камере 10"2...10"' Па. В ряде экспериментов испытывались ПК другой геометрии: диафрагмированные, толстостенные (£ « 1 мм) и - из других материалов (вольфрам, гексаборид лантана).

В модели со стержневым катодом применялся в качестве электрода вольфрамовый пруток диаметром 3...6 мм и длиной 50...80 мм; при этом рабочая длина катода после заделки электрода в держатель составляла 30...60 мм. Данный электродный узел мог успешно работать без принудительного водяного охлаждения при токах I = 50...500 А и давлениях инертной среды (аргон, гелий) р= 103... 105 Па.

Комплексное исследование разрядов предусматривало различные методы диагностики плазмы, анализа теплового состояния катода и анода, а также изучение вольт-амперных (и их разновидностей - тесла-вольт-амперных) характеристик применительно к соответствующей экспериментальной модели.

Диагностический комплекс включал в себя: систему различно ориентированных электрических плоских зондов и средства спектральной диагностики плазмы в различных областях (зонах) газового разряда; пирометрическую и электронно-оптическую аппаратуру для изучения температурных распределений на поверхности катода; средства калори-мегрирования и оценки температурного состояния анода, а также электроизмерительные приборы и фоторегистрирующую технику. Для экспериментальной модели с ПК было спроектировано и изготовлено специальное устройство создания локального поперечного магнитного поля для изучения его воздействия на различные участки дугового разряда.

Используемая методика измерений характеристик разряда и параметров плазмы позволяла исследовать разряд на всем его протяжении -от анода до заделки катода.

Для каждого метода исследования был проведен анализ возможных ошибок измерений и сделана оценка соответствующих погрешностей.

I? третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований дуговых разрядов в широком диапазоне давлений контролируемой среды (инертный газ: аргон, ксенон, гелий); проведен анализ основных процессов и внешних факторов, влияющих на поведение и выходные (технологические) характеристики этих разрядов, реализуемых в конкретных устройствах (моделях).

Большой цикл работ был проведен по изучению дугового разряда с "классическим" расходным ПК, работающим в нормальном режиме, и его модификации, предложенной в МП'У им. Баумана, - разряда с магнитоунравляемым ПК. Последний реализовывался при наложении на полый катод внешнего локального поперечного магнитного поля (с индукцией В_i до 30 мТл), создаваемого специальным электромагнитным устройством. Нормальный режим ДР1Ж поддерживался в условиях окружающего вакуума />=10"2...10~' Па при прокачке через полость инертного газа (ксенона, аргона) с расходом v = 0,1 ...0,6 см3/'с и токах /=5...150 А.

Акцент в исследованиях ДРПК был сделан на изучение его потенциальных возможностей, как высокоэффективного источника нагрева анода (изделия). В связи с этим проводились поиски таких устойчивых режимов горения дуги, при которых достигается наибольший энерговклад в анод при поддержании постоянства тока разряда. Последнее условие диктуется, прежде всего, ограничением стойкости^ катода по току, а также пределами токовых возможностей малогабарит ных источников питания.

Снимались вольт-амперные характеристики разряда в зависимости от расхода плазмообразующего газа при одновременных регистрации продольного температурного профиля стенки полого катода TK(z) и калоримстрировании анода. Это позволяло проследить изменение энергобаланса в разряде при переходе на более высокоэнергетичные режимы (с большим напряжением разряда).

Для "классического" ПК напряжение дуги обратно пропорционально расходу рабочего газа через полость. При малом расходе (v < 0,1 см3/с) реализуются режимы с относительно большим напряжением (U > 30 В), растет электрическая мощность разряда. Но при этом происходит изменение теплового состояния катода: его температурный профиль "выполаживается" и становится монотонным; а это в свою очередь при больших токах

(/>100 А), когда температура электрода достаточно высока, может привести к интенсивной эрозии (испарению) материала катода.

Обнаруженный существенный эффект, вызванный воздействием малых локальных Диполей на процессы в ДРПК, послужил основой для разработки нового метода управления таким разрядом. Прикладывая к полости работающего катода указанное магнитное поле, можно перевести разряд в более высокое энергетическое состояние (ВАХ перемещается в область более высоких напряжений) при сохранении исходного "нормального" режима

(расход газа V = 0,1...0,6 см3/с, распределение температур по поверхности катода имеет немонотонный характер с резко выраженным максимумом вблизи среза). При этом, как было установлено, именно область внутрикатодной плазмы является наиболее чувствительной к таким полям (рис. 1).

Воздействие Диполей на различные зоны разряда является эффективным и универсальным о 10 20 30 40 средством регулирования пара-

, „ , мм,,,„ метрами ДРПК: достигается большая

Рис. 1. Распределение функции отклика а1/аВ¡_

тока ДРПК на локальное воздействие глубина регулирования (например, ПО Ъгполя и характерный температурный Току ДО 50...70 % ОТ его начального профиль катода тс (г) значения /0); имеется возможность

управления местоположением внешнего столба дуги без заметного изменения в ее электрических характеристиках (последнее очень важно в ряде операций таких техпроцессов, как сварка и пайка). Кроме перечисленного следует отметить: расширение токового диапазона (в область малых токов) устойчивого горения дуги с магнитоуправляемым полым катодом по сравнению с обычным ДРПК (это особенно важно при работе от источников питания с жесткой и слабо падающей характеристиками); возможность организации в этих условиях импульсно-периодического режима работы разряда.

Эксперименты по зондированию и спектроскопии различных участков разряда подтвердили генерацию полым катодом высокоионизированной "чистой" (беспримесной) плазмы с заметной долей высокоэнергетичных электронов (Ге» 2...5 эВ), достигающих поверхности анода. Особенно заметно характеристики внешней плазмы возрастают при наложении на

1в

12

Кот I он: V = 0,2 смэ/с

/ \ \

/ \ N вд \

/ \

полый катод локального поперечного магнитного поля. Такая трансформация плазмы ведет, как следствие, к росту общего энерговклада в анод (изделие), что и было установлено в ходе его калориметрирования (рис. 2).

Ряд экспериментов, проведенных с диафрагмированными и относительно толстостенными (3 « 1 мм) электродами, также подтвердил концепцию эффективного применения дугового разряда с Рис. 2. Зависимость энерговклада в анод МЭГНИТОуПравляеМЫМ ПОЛЫМ каТОДОМ В от поперечного магнитного поля высокотемпературных технологических

устройствах для работы в условиях

вакуума (р г 10'2...102 Па).

При давлениях окружающей среды р= 103...105 Па хорошо зарекомендовали себя электродуговые устройства со стержневыми неплавящимися катодами. В связи с этим были подробно изучены рабочие процессы и особенности поведения дуговых газовых разрядов со стержневым вольфрамовым электродом в указанном диапазоне давлений инертной среды (аргон, гелий). Предложенная идея использования в этих устройствах специальных термокатодов (с соотношением их длины к диаметру !к/(¿к> 10) без принудительного охлаждения нашла подтверждение в соответствующей серии экспериментов.

По результатам исследований ВАХ дуги, рабочих температурных профилей электродов, а также калориметрирования анода оценивались энергобаланс разряда и эффективность передачи электрической мощности в изделие (анод).

В исследованиях дуги со стержневым катодом большое внимание уделялось процессам инициирования разряда и перехода последнего в стационарный режим. Проводился выбор и оптимизация способа поджига дуги с точки зрения требований определенных технологических процессов.

Установлено, что для первоначального поджига разряда с катодом из технически чистого вольфрама требуется предварительная активация его поверхности посредством обмазки на основе гексаборида лантана (или подобных высокоэмиссионных соединений). Последующая "тренировка" электрода на различных токовых режимах улучшает в целом эмиссионные свойства его исходного материала, и поджиг дуги практически на всех давлениях становится стабильным.

Особое внимание в экспериментах на модели со стержневым катодом уделялось изучению дуговых режимов при рабочих давлениях /?=10\. ЛО4 Па, а именно форме разряда с "шарообразной" плазменной конфигурацией в катодной зоне. Была определена тенденция развития этого плазменного образования при изменении давления в камере и величины тока дуги.

Фотографирование шаровой зоны разряда позволило определить ее размеры и оценить энергосодержание, которое в среднем составляло 102...104 Вт/см3. Диагностика (спектральная, зондовая) этой зоны показала наличие относительно высокоэнергетичных электронов (7>* 2...3 эВ) и, в основном, однократно заряженных ионов рабочего газа. В ходе спектральных исследований не обнаружено ионов и атомов материала катода (вольфрам) в газоразрядной плазме. Это свидетельствует о ее чистоте, что является положительным технологическим фактором, и говорит о несущественной эрозии электрода в режимах пониженного давления.

Анализ существующих данных и результаты диагностической серии экспериментов на модели со стержневым катодом говорят о том, что дуга низкого давления в отличие от хорошо известной дуги высокою (атмосферного) давления характеризуется локализованным энерговыделением в пределах "шаровой" катодной зоны. Было также показано, что характерные размеры этой области увеличиваются при уменьшении давления в камере, при увеличении тока разряда, а также при использовании рабочих сред с большим потенциалом ионизации (например, гелий).

Эффективность передачи энергии дуги аноду (тепловой к.п.д. процесса) также зависит от давления и межэлектродного зазора. Подтверждено, что в условиях низкого давления при введении анода в высокоэнергетичную катодную область наблюдается рост к.п.д. Сравнение профилей распределения температуры по поверхности анода для различных зазоров позволяет говорить об увеличении плотности подведенной к аноду энергии в случае контакта последнего с "шаровой" зоной. Причем использование рабочих сред с меньшим потенциалом ионизации (например, ксенон) обеспечивает более концентрированный подвод энергии к положительному электроду при более высоких уровнях его температур.

В условиях дуги атмосферного давления одновременный рост энерговклада в анод и к.п.д. невозможен, так как при фиксированном токе вклад энергии в анод здесь может быть увеличен только с увеличением длины дуги, но при этом за счет растущих потерь из столба резко падает к.п.д.

Характерный результат сравнения потенциальных возможностей разрядов в аргоне с локализованным в катодной зоне (при низком давлении />=2,7"103Па) и обычным (при атмосферном давлении) энерговыделениями

представлен на рис. 3, характеризующем глубины проплавов, полученных на нержавеющем стальном листе толщиной 15 мм в результате воздействия указанных дуг при соблюдении постоянства их тока 200 А),

межэлектродного зазора (/,,„■=3 мм) и времени горения (/ 30 с).

,_______В четвертой главе сформулирована

~ концепция компактной электродуговой ^¿г / 4 ' 1 нагревной установки для работы в ---'—— широком диапазоне давлений контро-

\_ 1 2 _I лируемои газовой среды, представлены

Рис.3. Макрошлифы расплавов нсржаве- результаты разработок электродуговых ющей стали, полученные в дуге с устройств, эффективно ВЫПОЛНЯЮЩИХ локализованным эперговыделе- основные задачи высокотемпературных нисм (1) и в атмосферной дуге (2)

нагревных технологий и описана созданная малогабаритная электродуговая плавильная печь для целей опытной металлургии.

Па основе результатов и выводов, сделанных в ходе экспериментального исследования и теоретического анализа физической картины явлений, протекающих в дуговом разряде с расходным магнитоуправляемым полым катодом, были разработаны и созданы технологические устройства (горелки), предназначенные для выполнения основных операций при сварке, пайке, наплавке и т.п. процессах в вакууме (р г 10"г...102 Па).

Были созданы и опробованы в лабораторных и производственных условиях горелки, рассчитанные на разные токовые нагрузки (5... 100 А; 50...350 А) и в зависимости от вида выполняемых задач оснащенные простыми или диафрагмированными полыми катодами.

Управляющим мне пом в этих горелках является специально разработанная электромагнитная система, создающая локальные поперечные магнитные поля с индукцией до 30 мТл. Эти поля, прикладываемые к различным участкам ДРПК, позволяли управлять внешним столбом разряда (например, проводить сканирование пятна нагрева по поверхности изделия) и параметрами дуги (ток, энерговклад в анод), придавая необходимую устойчивость разряду особенно при малых токах.

Результаты испытаний свидетельствуют об эффективности, больших технологических возможностях и простоте эксплуатации разработанных горелок на основе магнитоуправляемого полого катода.

Большой комплекс исследовательских работ по изучению дуговых разрядов в диапазоне давлении р = 103...105 Па стал основой при разработке электродуговых технологических узлов со стержневыми термокатодами.

Разработанные и созданные устройства со стержневыми вольфрамовыми катодами, не требующими принудительного охлаждения, эксплуатируются уже в течение ряда лет и показали высокую работоспособность и эффективность как при низких давленияхр= 10 ...10 Па, так и в условиях атмосферного и избыточного давлений (р-103...1,5'105 Па) инертной среды и токах до 600 А.

Интересными, с точки зрения возможных технологических применений, являются рабочие режимы таких устройств при низких давлениях, когда формируется особая "шаровая" структура плазмы, обладающая плотностью регулируемого и резко локализованного в прикатодном пространстве энерговыделения в диапазоне 102... 104 Вт/см3. В этих условиях можно: плавно изменять величину и плотность энергии, подводимой к нагреваемому металлу при фиксированном токе; существенно увеличить (~ в 2,5 раза) проплавляющее действие разряда по сравнению с дугой атмосферного давления; проводить плавку металлов в порошкообразном исходном состоянии (вследствие малого газодинамического воздействия дуги низкого давления); значительно сократить расход инертного газа; обеспечить исключительно высокую работоспособность катода при больших разрядных токах.

В то же время существует потребность в дуговых режимах атмосферного и избыточного давлений, например, когда в процессе получения новых сплавов необходимо сохранение в их составе важных, летучих компонентов, или при осуществлении процесса насыщения (модификации) расплава элементами рабочей среды.

Итогом большого цикла работ но разработке нагревной газоразрядной техники для широкого диапазона давлений стало создание первой малогабаритной электродуговой печи, предназначенной для выплавки спецсплавов. Печь имеет существенно меньшие массогабаритные характеристики по сравнению с известными аналогами (например, печь ЬК 6 фирмы 1.суЬо1с1) и обладает принципиальными достоинствами, позволяющими реализовать как современные, так и перспективные металлургические и другие технологические процессы, связанные с нагревом или расплавом исходного материала.

Высокотемпературная, регулируемая плавка осуществляется в диапазоне стабилизированных давлений (р=1,3'103.,.1,5"105 Па) плазмо-образующей среды (нейтральная, восстановительная) с применением хорошо зарекомендовавших себя электродных узлов со стержневыми термокатодами, что позволяет целенаправленно реализовать: рафинирование и дегазацию металлов; подавление их испаряемости; оптимальные режимы выплавки многокомпонентных сплавов; азотирование и поверхностную обработку

слитков; другие перспективные физико-химические процессы в металлургии при активном влиянии параметров газовой среды.

Печь имеет удобную блочную компоновку, а именно она состоит из вакуумно-газового блока, источника питания, блока и пульта управления дугой, плавильной камеры с электровакуумным вводом катодного узла. Каждый блок в отдельности был конструктивно проработан с учетом технологических применений и оптимизирован по энергетическим и массогабаритным характеристикам и возможности автоматизации. Такая схема построения установки обладает большой универсальностью в переналадке, когда возникает необходимость перехода с одного техпроцесса на другой, и допускает дооснащение и модернизацию отдельных узлов или блоков в целом. Так, например, при необходимости организации на установке нагревных технологий, требующих более низких рабочих давлений {р < 133 Па), вакуумно-газовый блок дополнительно оснащается высоковакуумным агрегатом, а в качестве эффективного источника нагрева в рабочей камере целесообразно использовать один из типов разработанных горелок с магнитоуправляемым полым катодом.

Установка в течение ряда лет успешно прошла опытные и производственные испытания, подтвердив свои потенциальные возможности при реализации высокотемпературных технологий в контролируемой среде.

В приложении А представлен акт внедрения у Заказчика (ПО ЮМЗ, г. Днепропетровск) разработки Исполнителя (НИИ ЭМ МГТУ) "Магнито-управляемая плазменная горелка с полым катодом ГПК-300 МУ".

В приложении Б представлены акт сдачи-приемки малогабаритной электродуговой плавильной печи Заказчику (Московский завод спецсплавов).

В приложениях В, Г представлены отзывы о проведенных тестовых плавках на малогабаритной электродуговой плавильной печи.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В работе впервые поставлена и решена задача комплексного исследования, разработки и создания электродуговых технологических устройств, способных эффективно функционировать в широких диапазонах давлений различных рабочих сред (р^ 1,3'Ю"2...1,5'105 Па) и разрядных токов (/= 5.„600 А).

2. В ходе всестороннего экспериментального исследования дугового разряда с расходным полым катодом в условиях вакуума (/г=1,3102... 1,3102Па) было установлено существенное влияние на

характеристики дуги с ПК воздействия внешнего локального поперечного магнитного поля, прикладываемого к различным зонам разряда.

3. Предложен, экспериментально подтвержден и реализован в разработанных и созданных опытно-промышленных образцах технологических горелок метод управления характеристиками ДРПК с помощью локального поперечного магнитного поля.

4. В результате экспериментального изучения рабочего процесса дуги со стержневым термокатодом в широких диапазонах определяющих параметров (вид и давление инертной газовой среды, ток разряда, геометрия катода) были установлены существенные технологические преимущества дуги пониженного давления (р = 103...104 Па) - дуги с особой "шаровой" пространственно-энергетической структурой плазмы в катодной зоне - по сравнению с дугой атмосферного давления.

5. Разработаны и созданы электродные узлы со специальными стержневыми термокатодами без принудительного охлаждения, и экспериментально подтверждена их работоспособность в широких диапазонах давлений нейтральной среды (/?=1,3'10э...1,5'105 Па) и токов дуги (/=50...600 А).

6. Разработаны и созданы опытно-промышленные образцы электродуговых горелок с магнитоуправляемым полым катодом для универсального технологического применения (сварка, пайка и т.п.) в условиях вакуума (р < 133 Па). Горелка ГПК-300МУ внедрена в техпроцессе сварки титановых специзделий в ПО «Южмашзавод» (г. Днепропетровск).

7. Разработана концепция компактной электродуговой нагрсвной установки для работы в широком диапазоне давлений контролируемой газовой среды.

8. Разработана и создана малогабаритная электродуговая печь для получения экспериментальных сплавов и производства их товарных партий. Благодаря универсальной блочной компоновке допускается дооснащение установки специальным оборудованием с целью расширения ее технологических возможностей. Печь в течение ряда лет успешно прошла испытания при плавке различных сплавов, что подтверждается соответствующими отзывами от предприятий-заказчиков.

Основные результаты диссертации отражены в публикациях:

1. Исследование дуговой газоразрядной плазмы внутри полого катода /М. Ф. Жуков, М. Ю. Докукин, Н. П. Козлов и др. // ДАН СССР. Сер. физ,- 1983.- Т. 273, № 4,- С. 852-854.

2. Докукин М. Ю., Павлов А. Ю., Хеесюк В. И. Влияние поперечных магнитных полей на процессы в полом катоде // Генераторы

низкотеми. плазмы.: Тез. докл. 10-ой Всесоюз. конф.- Минск, 1986.Ч. 1,- С. 91-92.

3. Докукин М. Ю. Особенности энергетического баланса дугового разряда с магнитоуправляемым полым катодом // Генераторы низкотемп. плазмы.: Тез. докл. 11-ой Всесоюз. конф.- Новосибирск, 1989.-Ч. 2,- С. 84-85.

4. Патент 1264821 (РФ). Способ регулирования тока вакуумного дугового разряда с расходным полым катодом и устройство для его осуществления / В. Н. Аникеев, М. Ю. Докукин, А. М. Зимин и др.// Изобретения, патенты, открытия,- 1994,- № 15.

5. Аникеев В. Н., Докукин М. Ю., Хвесюк В. И. Применения магнито-управляемого разряда с полым катодом в электродуговой технологии // Физика и техника плазмы.: Тез. докл. Междунар. конф,- Минск, 1994,- Т. 2,- С. 376-378.

6. Аникеев В. П., Докукин М. Ю., Хвесюк В. И. Малогабаритная электродуговая установка для плавки металлов в диапазоне давлений 1.3'Ш3 - 1,5*105 Па // Физика и техника плазмы.: Тез. докл. Междунар. конф,- Минск, 1994,- Т. 2,- С. 309-310.

7. Аникеев В. II., Докукин М. Ю., Хвесюк В. И. Малогабаритная электродуговая плавильная установка // Физика газового разряда.: Тез. докл. 8-ой конф,- Рязань, 1996,- Ч. 1,- С. 68-69.

8. Аникеев В. Н., Докукин М. Ю. Разработка и создание электроду гошлх устройств для реализации технологических процессов в диапазоне давлений 10"2... 1,5 105 Па // Физика плазмы и плазменная технология.: Материалы Междунар. конф.- Минск, 1997,- Г. 4.- С. 736-739.

9. Dokukin М. Yu., Anikeev V. N., Khvesyuk V. I. Magnetic controlled hollow cathode arc discharge and its applications // 1998 Intern. Congress on Plasma Physics.: Proc.- Prague, 1998,- V. 22С,- P. 2730-2732.

10. Anikeev V. N., Dokukin M. Yu., Khvesyuk V. I. Small size electric arc melting furnace // 1998 Intern. Congress on Plasma Physics.: Proc.-Prague, 1998,- V. 22С,- P. 2748-2752.

11.Anikeev V. N., Dokukin M. Yu., Khvesyuk V.I. etal. Small size electric arc melting furnace with metal electromagnetic stirring // 14-th Intern. Symposium on Plasma Chemistry.: Proc.- Prague, 1999,- V. 4.-P. 1933-1938.