Управление электродуговым источником тепла с помощью неоднородных магнитных полей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ



Научно-исследовательокий институт электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова

Для служебного пользования Зкз. -5 Инв.К 602

На правах рукописи

Воронин Алекоаидр Васильевич

УДК 621.365.2

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДУГОВЫМ ИСТОЧНИКОМ ТЕПЛА С ПОМОЩЬЮ НЕОДНОРОДНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ (01.04.08 - физика и химия плазма)

Автореферат диссертации на соискание ученой отепеш кандидата технических наук

Ленинград 1990

Работа выполнена в Ордена Ленина физико-техническом институт им. А.Ф.Иоффе АН СССР

Научные руководители - доктор физико-математических наук

Б.П.Перегуд

- доктор технических наук Г.Л.Ходоровсчий

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Г.Л.Саксаганский

- кандидат технических наук Ю.А.Филин

Ведущее научно-исследовательское учреждение - Московский энергетический институт

Защита диссертации состоится 1990 года

в часов на заседании специализированного совета при

Научно-исследовательском институте электрофизической аппарату ры им. Д.В.Ефремова (ул. Полевая, 12) в помещении Клуба учены института

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЭФА

Отзывы об автореферате в одном экземпляре, заверенном гербово! печатью учреждения, просим направлять по адресу: 189631, Ленинград, НИИЭФА им. Д.Б.Ефремова

Автореферат разослан

года

Ученый секретарь Совета кандидат технических наук

Жуков Б.Н.

Общая характеристика раоотв Содержание настоящей диссертации является частью исследований по изучению поведения плазмы в сложных магнитных полях. Эти исследования связаны о изучением электрических дуг в неоднородном магнитном поле.

Цель работы состоит в изучении возможности жесткого управления (задания местоположения) каналом дугового разряда, горящего между торцами цилиндрических электродов, а также в разработке и реализация механизма управления электродуговым источником тепла о помощью магнитных полей в электротермических процессах. Традиционные методы управления положением дуги не позволяют этого сделать.

Актуальность исследований определяется необходимостью ра*. вития более совершенных, методов управления положением канала . дугового разряда в технологических процессах, использувних элек трические дуги, например, при сварке, резке, плавке, распадении, гранулирований, спекании электропроводящих материалов. Особую потребность в развитии методов управления электродуговым источником тепла испытывает взрывоопасный процесс вакуумный дуговой гарнисажной плавки химически активных металлов. Новизна. В работе впервые:

1. Показана возможность управления положением канала дугоис

/—

го разряда с помощью неоднородного магнитного похя. ;

2. Выявлены механизмы, определявшие поведение электрической дуги в неоднородном магнитном поде. Изучена количественные ха-. рактериотики ее поведения.

3. Реализована возможность использования диамагнетизма плазмы для локализации канала дугового разряда переменного тока е заданном месте дугового зазора.

4. Предложен и теоретически обоснован механизм взаимодействия электрической дуги с магнитным ползи, учитнзавщий свойства токовой плазмы. Сформулировано правило, на основании которого можно предсказать ее поведение. Показано, что для управления положением канала дугового разряда постоянного тока необходимо учитывать холловские токи, протекающие в электродуговой плазме помещенной в неоднородное магнитное поле.

Научная и практическая ценность 3 результате проведенных исследовании установлено, что поведение электрической дуги в неоднородном магнитном поле в зависимости от конкретных условии определяется диамагнетизмом ооразующеи ее плазмы, холлов-скими токами, протекающими в ней, пондеромоторным взаимодействием тока-дуги с токонесущими элементами, изучены количественные характеристики ее поведения.

С учетом проведенных исследовании разраоотан ряд спосооов и устройств, ооеспечивающих управление электродуговым источником тепла переменного и постоянного тока в технологических процессах, использующих электрические дуги.

Результаты этих исследовании позволили осуществить опытно-промишленные испытания предлагаемых методов управления электродуговым источником тепла в гарнисажных плавильно-заливочных установках в процессе приварки расходуемых электродов и наплав-ления жидкого металла, а также их внедрение.

Совокупность результатов исследований позволяет сформулировать следующие положения, выносимые на защиту:

1. Возможно управление положением канала дугового разряда с помощью неоднородных магнитных полей.

2. Поведение электрической дуги в неоднородном магнитном поле может определяться диамагнетизмом ее плазмы, холловскими токами, протекающими в ней, пондероыоторним взаимодействием дуги с токонесущими элементами. Количественные зависимости, определяющие ее поведение, зависят от характеристик разряда и внешнего магнитного поля.

3. РазраОотанные методы и устройства управления положением дуги- элвктродугового источника тепла- могут эффективно использоваться в электротермических процессах.

4. Использование предложении- методов и устройств на плавильно-заливочных установках титанового литья позволило ойес-печить взрывобезопасность процесса, уменьшить Орак металла по углероду с 4.5$ до 0.5%, увеличить количество выплавляемого металла на 10%.

Результаты диссертации могут быть использованы з технологических процессах, использувцкх электрически дуги для локализации и перемещения канала дугового разряда по заданной программа с помощью неоднородных магнитных полей.

Апробация материалов, вклэченннх з диссертация,проводилась на отрос.тезпх конференциях по титановому литью в вакуумных дуговых гариисожяых плавиаьно-зодииочних установках НЙАТ (Москва, Рыбчнск, Павлоград), на заседанкг-х ¡'лушо-текняческого совота НИАТ (Москва), на семинаре Отделения физики-плазмы ИАЭ км.И*В. Курчатова, на заседаниях проблемных советов и лабораторных семинарах Ф'ТИ ии.А.Ф.Иоффе.

Публикации Основные результаты работы опубликован:! в '(-х печатных работах, защищены 2 авторскими свидетельствами, '"Структура и объем диссертации Диссертационная работа изложена на 1^6 страницах маиинописного текста, содержит II таблиц, 42 рисунка. Она состоит из введен«?., пяти глав л заключения. Список литературы включает 61 наименование.

Содержание диссертации

Во введении приведена история развития вопроса, формулируется цель работы, обосновывается актуальность исследований по управлению положением канала дугозого разряда в электротермических процессах. Излагается структура диссертации и формулируются положения, выносимые на зациту»

Первая глава диссертации содержит обзор традиционных катодов управления электродуговпм источником тепла, используемых при вакуумной дуговой плавке металла в СССР и за рубежом. Рассмотрена способы локализации дугового разряда путем стабилизации тока, напряжения и длины дуги. Исследованы возможности удержания канала дугового разряда в заданном месте дугового зазора с использованием магнитного поля. В условиях гарнисаяиой вакуумной дугсг.оЯ плавки металла рассмотрены следующие меры по уменьшению вредных последствий неуправляемого поведения электрической дуги:

I. Использование графитовых тиглей.

б

2. Замена водяного охлаждения газовый (гелий) или эвтектическим сплавом №а-К .

3. Налдавление металла в металлических тиглях с толстыми стенками и гарнисажем - в автотиглях.

Проведенный анализ научной, технической и патентной документации показал отсутствие способов прямого, активного управления дуговым разрядом в процессе плавки металла.

Все они основаны либо на управлении параметрами электродугового источника тепла, косвенно влияющих на его положение, либо ни уменьыении вредных последствий неуправляемого взаимодействия электрической дуги с окружающими ее конструктивными элементами. В заключении главы сформулированы задачи настоящего исследования:

1. Изучение возможности жесткого управления (задания местоположения) каналом дугового разряда, горящего между торцами цилиндрических электродов с помощью неоднородных магнитных полей.

2. Разработка методов и устройств управления положением эдектродугозого источника тепла в электротермических процессах.

3. Осуществление опытно-проккилашшх испытаний предлагаемых методов управления электрической дугой в гарнисажных п/ш-вильмо-заливочных установках в процессе приварки расходуемых электродов и наплавлзния жвдкого металла, а также их внедрение.

Во второй глава рассмотрены причины к условия определяющие поведение электрической дуги в неоднородном магнитном поле. Исследовано поведение канала дугового разряда при пондеромотор-ном взаимодействии тока электрической дуги с токонесущими элементами. Показано, что при коаксиальной схеме и обоснованном выборе параметров токоподводов возмонно локализовать электри-ческуз дугу в зазоре между электродами.

Рассмотрено диамагнитное взаимодействие плазмы дугового разряда с неоднородным магнитным полем, обладающим "минимумом В". Выталкивание сгустков плазмы из области сильного магнитного поля в область с более слабым магнитным полем является ооноьоЯ магнитного держания плазмы. Если в дуговом промежутке создать конфигурацию силовых линий магнитного поляузнутри ко-

торого существует поле с пониженной напряженность«) - "магнитной ямой", то положение канала дугового разряда будет созпсда?-; о положением дна "магнитной ямы", а перемещение элоктрнчег;".ол дуги (если это требуется) осуществлять перемещением "магнктноЛ ямы".

В качестве примера устройства для удержания электрической дуги на оси электродов рассмотрена короткая электронаг-г:': катушка с током, расположенная сооско с электродани з об: дугового зазора, В этом случае на оси электромагнитной существует область с пониженной напряженность!) магнитного поля, в которой и должна располагаться электрическая дуга. Прозгенные исследования подтвердили возможность эффективного иополыо-вания диамагнетизма плазмы для локализации канала дугового разряда переменного тока в заданном месте дугового зазора.

В ходе исследований также установлено, что положенно электрической дуги постоянного тока з неоднородном магнитном поле определяется взаимодействием не только диамагнитной плазм;: о этим полем, но и связано с направлением электрического тезе а з ней: если ток дуги направлен из области сильною магнитного поля в область слабого поля, то канал дугового разряда, по-прежнему, располагается в "минимуме В", если же направленно этого тока противоположное, то дуга находится з облести максимального магнитного поля.

Примером такого поведения электрической дуги в неоднородном магнитном поле может также служить короткая электромагнитная катушка с током, расположенная ооосно с электродами в области дугового зазора. На оси катушки существует область с пониженной напряженностью магнитного поля, в которой и должна располагаться электрическая дуга переменного тока. Однако, как показали исследования, при постоянном токз дуги диамагнитный эффект не является определяющим. Так при размещении электромагнитной катуики у анода канпл дугового разряда располагается вблизи оси, что согласуется с диамагнитным поведением плазма. Однако при расположении электромагнитной катукки у катода луговой разряд выходит на периферий электродов в область сильного магнитного поля, а это противоречит поеодзнио плазмы разря-

да при диамагнитном рассмотрении.

3 работе обоснован механизм вз&имодейств ия электрической дуги с магнитным полем, учитывающий свойства токовой плазмы. Объяснение найдено в результате учета существующих токов Холла в олектродуговой плазме, помещенной и неоднородное магнитное поле.

Показано, что поведение электрической дуги постоянного тока в неоднородном магнитном поле определяется эффектом Холла. С учетом этого возможно управлять положением канала дугового разряда постоянного тока в электротермических процессах.

Третья глава диссертации содержит описание экспериментальной установки для изучения поведения электродугового источника тепла в магнитном поле. Приводятся средства создания, контроля и управления параметрами электродугового источника тепла, а также характеристики экспериментальной установки.

Четвертая глава диссертации посвящена экспериментальному изучению поведения электродугового источника тепла в неоднородном магнитном поле. Осуществлена опытная проверка методов управления положением канала дугового разряда в неоднородном магнитном поле по следующим направлениям:

1. Проверены теоретические выводы и рекомендации по стабилизации положения канала дугового разряда с использованием пон-деромоторного взаимодействия электрической дуги с токоподвода-ми (Рис.1).

2. Выполнены исследования по диамагнитному удержанию и перемещению плазмы дугового разряда переменного тока (Рис.2).

3. Осуществлено управление положением дуги с использованием взаимодействия плазмы и тока дугового разряда с внешним неоднородным магнитным полем (Рис.3). Сформулировано следующее заключение о структуре силовых линий магнитного поля, £ которой существуют области устойчивого положения канала дугового разряда: в неоднородном магнитном поле устойчивое положение электрической дуги постоянного тока находится либо в области, где силовые линии веерообразно расходятся от анода к катоду (Рис.4а), либо в области, где силовые линии наиболее близко подходят к аноду, если они обращены выпуклой стороной к нему

(Рис. 46).

Б пятой гласе диссертации представлены результаты использования неоднородного магнитного поля короткой электромагнитной катушки для управления электродуговым источником тепла при гар-нисажной плавке титановых сплавов.

Приведены особенности рабочего процесса серийных плавиль-но-заливочных.установок, на которых осуществлены опытно-промышленные испытания методов управления дугой в процессе приварки расходуемых электродов и наплавления жидкого металла.

Внедрение предлагаемых разработок з серийных цехах титанового литья на Балашихинском литейно-механическом и Павлоградсксм механическом заводах, а также в проектах гарнисажных пла-

вильно-заливочных установок нового поколения НИАТ позволило повысить надежность конструкций печей, обеспечить их взрывобезо-пасносгь, качество сварки расходуемых электродов и выплавляемых изделий, увеличить производительность печей и расширить их технологические возможности.

Годовой экономический эффект от внедрения системы управления электродуговым источником тепла на установке ДБЛ-2^0 Пав-лоградского . механического завода составил более 200 тысяч рублей.

В заключении перечислены наиболее общие результе-.тн, на которых базируются приведенные выше положения, выносимие на защиту. Эти результаты таковы:

1. Возможно жесткое управление положением канала дугового разряда, горящего между торцами цилиндрических электродов с помощью неоднородных магнитных полей.

2. Выявлены механизмы, определяющие позедецкз электрической дуги в неоднородном магнитном поле. Изучены количественные характеристики ее поведения.

3. Осуществлена локализация канала дугового разряда переменного тока в заданном месте дугового зазора с использованием диамагнетизма плазмы.

Обоснован механизм взаимодействия электрической дуги с магнитным полем, учитывающий свойства токовой плазмы. На основании выявленных закономерностей, осуществлено управление положением дуги постоянного тока неоднородным магнитным подэм.

а

~ б

Рис.1 Алвинккзиые вольги, проплавленные электрической дугой в условиях: а), аксиальной геометрии токоподводов; б), коаксиальной геометрии токоподводов.

и

г*

Границы АИ{1фузного дугового разряда переменного тока:

а,). овз управляющего магнитного поля;

о,), в магнмтном поле рлектромагнитнои катушки;

в), в магнитном псле *вух электромагнитных катушек с

в^.тйечно направленными токами.

I - диффузные дуговой разряд; 2 - электроды; 3 - электромагнитные катушки.

Рис-3 След олектричзской дуги постоянного тока на торце катода: а), без магнитного пс~я электромагнитной катуики; б), при расположении электромагнитной катушки с током у анпда; в). при расположении электромагнитной катушки с током у катода.

1"3

$

Рис.4 Структуры силовых линий магнитного поля, в которой

существуют области устойчивого положения электрической дуги постоянного тока: а), силовые линии веерообразно расходятся от анода к катоду; б), силовые линии Вогнуты в сторону анода. I - область устойчивого положения электрической дуги; 2 - анод; 3 - катод; 4 - силовые линии.

in

5. Ввданы рекомендации выбора схемы и параметров токопод-водов при использовании пондеромоторного взаимодействия электрической дуги с токонесущими элементами для стабилизации ее положения.

6. Разработаны устройства, обеспечивающие управление электродуговым источником тепла в технологических процессах, использующих электрические дуги.

7. Предлагаемые методы и устройства управления электродуговым источником тепла прошли опытно-промышленную проверку и внедрение на гарнисажных плавильно-заливочных установках:

а. Закончено внедрение электродугового устройства на Пав-лоградском механическом заводе. Устройство функционирует на промышленной гарнисажной печи ДВЛ-250М. Обеспечен стабильный химический состав сплава, отсутствует брак металла по углероду.

б. Разработанные устройства использованы в проектах гарни-сажных печей нового поколения,НИАТ (ДВЛ-200,ДВЛ-125 и др.).

в. Закончена опытно-промышленная проверка устройства приварки расходуемых электродов на печи ДВЛ-ЕбО^НИАТ, Балашихинс-кий литейно-механический завод,МАП.

г. Осуществлена опытно-промышленная проверка устройства наплавления жидкого металла на печи 833Д;НИАТ, Балашихинский литейно-механический завод,МАП.

Основные материалы диссертации изложены в следующих работах:

1.А.В.Воронин, A.M.Русаков,А.А.Семенов.Использование пондеромоторного взаимодействия токоподводов с электрической дугой для стабилизации ее положения.Препринт ФТИ им.А.Ф.Иоффе АНСССР № 1366,1989.

2.А.В.Воронин,А.А.Семенов. Удержание плазмы дугового разрада неоднородным магнитным полем.Препринт ФТЙ им.А.Ф.Иоффе АН СССР №1379, 1989.

3.A.B.Воронин,А.И.Руоаков,A.A.Семенов,О.М.Чекмарева.Взаимо-действие электрической дуги постоянного тока с неоднородным маг нитным полем.Препринт ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР »1405, 1989.

4.П.С.Альтман, В.А.Быков, А.В.Воронин, Б.С.Люханов, С.В.По-недилко, Ю.М.Прилуцких, А.Н.Романов,В.М.Кузнецов, Б.П.Перегуд. Устройство для перемещения электрической дуги. A.C.

J.5

№1267633, 1984, Ш МО, 1986.

3. А.Б.Воронин, Ь.П.Перегуд, А.А.Попов, В.П.#еклисов. Подсистема управления электрической дугой с помощью неоднородных магнитных полей. АСУТП плавки титановых сплавов. Сборник трудов отраслевого совещания "Научно-технический прогресс в производстве и применениии крупногабаритных заготовок". Павлоград, 1989. ДСП.

6. А.В.Воронин, В.М.Кузнецов, Ь.П.Перегуд, А.И.Русаков, Электродуговое устройство. A.C. №1540038, 1986, БИ 1990.

Подписано к печати 14/УЧ990 г. Формат 60x90/16. Уч.-изд.л.0,8. Тираж 120 экз. Бесплатно. Зах.№ 38/8.

Отпечатано в НИИЭФА им.Д.В.Ефрэмова