МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ

Бірюкова Тетяна Вікторівна

УДК 621.387.143: 537.523.5

РОЗРОБКА СИЛЬНОСТРУМНОГО КАТОДА ДЛЯ ПОТУЖНИХ

ПЛАЗМОТРОНІВ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ЙОГО ХАРАКТЕРИСТИК

Спеціальність 05.09.10 - Электротермічні процеси та установки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Запоріжжя - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаському гірничо-металургійному інституті Міністерства освіти і науки України

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК - Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор

Дзюба В'ячеслав Леонідович,

Східноукраїнський Національний університет, професор кафедри зварю-вання і лиття

ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ - Лауреат Державної премії України,

доктор технічних наук, професор

Юхимчук Станіслав Олексійович,

Запорізький державний технічний

університет, професор кафедри електро-

постачання і електрозбереження

кандидат технічних наук, доцент

Колодяжний Олександр Терентійович,

Дніпропетровський хіміко-технологічний

університет, завідувач галузевою

науково- дослідницькою лабораторією

ПРОВІДНА УСТАНОВА - Фізико-технологічний інститут металів і

сплавів НАН України, м. Київ

Захист відбудеться 9.10.2001 р. о 13-30 годин на засіданні вченої ради Д 17.052.01 у Запорізькому державному технічному університеті за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського,64

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Запорізького державного технічного університету за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського,64

Автореферат розісланий 07.09.2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої

ради Д 17.052.01, доктор технічних наук, професор ___________ Ю.М.Внуков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Реалізація нових плазмених технологій, наприклад плазменої металургії, багатотоннажної плазмохімії вимагає розробки плазмотронів з одиничною потужністю більш 1 МВт. У більшості випадків запитам виробництва задовольняють плазмотрони фірми Хюльс, а також плазмотрони з міжелектродними вставками, в яких підвищення потужності забезпечується збільшенням напруги на дузі при порівняно низьких рівнях струму (I<500 А). Однак це приводить до зниження ККД плазмотрона і до необхідності поліпшення електроізоляції деталей і т.д. Тому перспективно розглядати шлях збільшення одиничної потужності плазмотрона за рахунок підвищення струму дуги при відносно невисоких рівнях напруги на розряді. Збільшення струму дуги неминуче призводить до зростання ерозії електродів і до зниження ресурсу роботи плазмотронів, що стримує їх використання в промисловості. Пошуки нових шляхів збільшення стійкості катода при більших рівнях струму дуги призвели до створення порожніх, багатопорожнинних, газопроникних катодів і до розщеплення катодної ділянки дуги, що мають обмеження в галузі їх застосування. Одним з перспективних шляхів розв’язання цієї проблеми є створення умов прив'язки основної дуги плазмотрона до слабкострумового плазменого струменя, що виходить з катодного вузла, тобто діючого за принципом “плазменого катода”. Створення таких сильнострумних катодів для потужних плазмотронів і пошук методів підвищення його працездатності й ефективності є актуальним.

Дисертаційна робота виконана на кафедрі загальної та прикладної фізики Донбаського гірничо-металургійного інституту (ДГМІ) в рамках державної науково-технічної програми за напрямком "Екологічно чиста енергетика й ресурсозберігаючі технології".

Мета роботи полягає в підвищенні працездатності й ефективності сильнострумного катода для потужних плазмотронів за рахунок прив'язки основної дуги до плазменого струменя, що виходить з сильнострумного катода.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:

- проаналізувати відомі теоретичні й експериментальні дослідження й виявити конструктивні рішення й умови, що сприяють тривалій і ефективній роботі катодів при струмах 500 і більше амперів;

- на основі отриманих даних виготувати модуль сильнострумного катода, провести його дослідження і встановити умови, що сприяють підвищенню його працездатності й ефективності;

- на основі отриманих результатів по п.1 і п.2 розробити сильнострумний катод для потужних плазмотронів і дослідити його характеристики;

- на основі результатів дослідження, аналізу процесів, що відбуваються в розрядному каналі сильнострумного катода, розробки моделі дуги одержати розрахункові формули для оцінки електричних і теплових характеристик катода;

- здійснити практичне випробування сильнострумного катода.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- виявлено можливість впливу додатковим потоком плазми на прикатодну ділянку основної дуги й забезпечення тим самим прив'язки основної дуги до плазменого струменя, що виходить з сильнострумного катода, тобто до плазменого катода. При цьому встановлений режим роботи: джерело струму – плазмений катод, що працює при струмах до 250 А, і плазмений катод - анодна ділянка плазмотрона - джерело струму, що працює на струмах більш 250 А;

- виявлено тенденцію дифузійної форми контакту основної дуги в катодній області сильнострумного катода при витраті плазмоутворюючого газу (аргону) у сильнострумному катоді не менш 6,510-6 кг/с і силі струму не більш 250 А. Зменшення витрати аргону менш 6,510-6 кг/с і збільшення сили струму допоміжної дуги більш 250 А сприяє проникненню основної дуги в канал сильнострумного катода, що підвищує потенціал нейтральних секцій катода і збільшує ймовірність їхнього виходу з ладу;

- отримано теоретичну формулу для розрахунку напруженості електричного поля в каналі сильнострумного катода, в якій на відміну від відомих рішень врахований зв'язок позитивного стовпа з непровідною областю і стінкою каналу. Порівняння розрахункових значень по теоретичній формулі з експериментальними даними показало їхню задовільну згоду. Погрішність розрахункових кривих щодо експериментальних склала близько 20%.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

- розроблено і досліджено сильнострумний катод, що може працювати з будь-якою відомою конструкцією осьових плазмотронів потужністю від 300 кВт і більше з ресурсом катода кілька сотень годин і тепловим не нижче 0,75. Таким чином, вирішена задача по створенню сильнострумного катода підвищеної ефективності та працездатності;

- теоретична формула для розрахунку напруженості електричного поля в каналі сильнострумного катода, а також критеріальні залежності, узагальнені графіки й інженерна методика можуть бути використані для розрахунків при проектуванні потужних плазмотронів, що працюють на агресивних газах у діапазоні змін I = 250-10000 А, U = 500-2000 В, G = (25-700)10-3 кг/с;

- розроблені й пройшли промислове випробування плазмотрони для розпалу й стабілізації горіння пиловугільного факела в котлах ТЕС, газифікації вугілля і для переробки твердих побутових і промислових відходів потужністю від 300 до 560 кВт, витраті робочого газу (повітря) (40-60)10-3 кг/с, ерозії катода 10-11 кг/Кл і ерозії анода 10-10 кг/Кл;

- розроблено інженерну методику розрахунку плазмотрона з сильнострумним катодом.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертації доповідалися й обговорювалися на 5-ій Європейській конференції з термічних плазмених процесів (Росія, С.-Петербург, 1998 р.), на III Міжнародній конференції "Електромеханіка і електротехнології" (Росія, Москва, 1998 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Плазмотехнологія – 2000" (Запоріжжя, 2000 р.), на Міжнародній конференції "Матеріали і покриття в екстремальних умовах" (Україна, Крим, 2000 р.), а також на науково-технічних конференціях Донбаського гірничо-металургійного інституту (Алчевськ, 1996-2000 р.).

Публікація матеріалів. За темою дисертаційної роботи опубліковано 8 наукових праць, у тому числі 5 статей у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 136 найменувань.

Дисертаційна робота містить 159 сторінок машинописного тексту, 44 рисунки і 3 таблиці.

Особистий внесок автора. Дисертаційна робота виконана під керівництвом професора Дзюби В.Л. за участю Сергієнка С.М., Корсунова К.А., Акаіла М.Т.М., Авад Оде Халіль Дахлалла. Особистий внесок автора полягає в наступному:

- у виявленні конструктивних рішень і умов, що сприяють тривалій і ефективній роботі електродів при струмах 500 і більше амперів,

- у розробці сильнострумного катода для потужних плазмотронів, що працюють на агресивних газах, а також у проведенні його експериментальних досліджень;

- в обробці й узагальненні результатів експериментальних досліджень плазмотрона з сильнострумним катодом;

- у визначенні граничних умов і рішенні системи рівнянь, що описує властивості позитивного стовпа в розрядному каналі сильнострумного катода;

- у розробці інженерної методики розрахунку плазмотронів з сильнострумним катодом і в створенні і випробуванні плазмотронів для промислового застосування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми, визначені мета і задачі дослідження, представлена загальна характеристика роботи.

У першому розділі дано огляд теоретичних і експериментальних досліджень по створенню сильнострумних катодів, що дозволив виявити конструктивні рішення й умови, що сприяють тривалій роботі катода при струмах 500 і більше амперів. Установлено, що одним з перспективних напрямків при розробці сильнострумного катода для потужних плазмотронів є створення умов прив'язки основної дуги до слабкострумового плазменого струменя, що виходить з катодного вузла, який працює за принципом "плазменого катода". Сформульовано задачі дисертації.

У другому розділі представлений опис експериментальної установки, викладена методика вимірів і оцінка погрішностей, проведений аналіз стійкості горіння дуги. Приведено передбачувані схеми дослідження сильнострумного катода і їхнє підключення до джерела струму (рис.1), здійснення яких дає можливість досягти максимально можливого ресурсу при силі струму основної дуги плазмотрона кілька тисяч ампер.

У третьому розділі відбито питання, що стосуються пошукових досліджень по створенню експериментального модуля сильнострумного катода і його розробки, а також наведені інтегральні характеристики створеного катода. У результаті пошукових досліджень виявлена можливість впливу додатковим потоком плазми на прикатодну ділянку основної дуги плазмотрона й забезпечення дифузійної прив'язки основної й додаткової дуг. Створення сильнострумного катода ґрунтувалося на результатах відомих розробок і досліджень малоерозійного катодного вузла і плазменого катода, а також результатах власних досліджень, отриманих під керівництвом В.Л.Дзюби при розробці високоресурсних плазмотронів. Усе це дозволило виконати ряд конструктивних пророблень сильнострумного катода для промислових плазмотронів і створити його модель для холодних продувок. Метою холодних продувок було одержання достовірної інформації про розподіл тиску зустрічних потоків газу в розрядному каналі сильнострумного катода й одержання експериментальних залежностей для оцінки його геометричних параметрів. Для визначення статичного тиску в каналі застосовувався зондовий метод. Переміщення зондів уздовж каналу в напрямку, перпендикулярному осі, дозволило знайти в каналі сильнострумного катода область підвищеного тиску з боку основного анода. Найбільше помітно зростання тиску спостерігається на відстані (1,5 – 4)10-2 м від торцевої поверхні катода убік каналу dк. Це дало можливість припустити, що область підвищеного тиску визначає межу прив'язки основної дуги до сильнострумного катода. Для гарантованої прив'язки дуги в цій області можна скористатися емпіричною залежністю, що дозволяє визначати довжину каналу катода:

(1)

де С1= 2-3, dк - діаметр каналу сильнострумного катода

С2= 0,42 кг0,05с-0,05.

З метою стійкого горіння дуги і виключення її прив'язки на стінки каналу сильнострумного катода останній був секціонований і електрично ізольований від додаткового анода і катода. Таким чином, створений нами сильнострумний катод являє собою самостійно працюючий плазмотрон зворотної полярності, в якого послідовно встановлені водоохолоджуючі додатковий анод, ряд типових нейтральних секцій, що мають діаметр каналу dк чи однаковий, чи з деяким збільшенням у бік витікання газу, і катод. Подача газу в розрядному каналі сильнострумного катода здійснюється двома потоками в зоні додаткового анода і катода.

У ході експерименту визначалися теплові, електричні в ерозійні характеристики сильнострумного катода. Дослідження проводилися в такому діапазоні зміни параметрів: діаметр каналу сильнострумного катода dк = 5,6·10-3, 6,0·10-3, 7,0·10-3, 7,5·10-3 8,0·10-3, 9,5·10-3 і 11·10-3 м, витрата додаткового газу (аргону) Gd = (6 - 8)·10-5 кг/с, витрата робочого газу (повітря) G = (8 - 10)10-3 кг/с, I = 100 - 600 А. У результаті був встановлений режим роботи плазмотрона з сильнострумним катодом: джерело струму – сильнострумний катод до 250 А і сильнострумний катод – анодна ділянка плазмотрона понад 250 А. Ресурсні іспити сильнострумного катода проводились протягом 12 годин при силі струму 180 А. З огляду на його конструктивні особливості дослідженням на знос піддавалися катод і додатковий анод. Під впливом аргонової плазми на додатковому аноді утворюється матове покриття, що не служить ознакою ерозії. При використанні як плазмоутворюючого газу повітря ерозія також була відсутня. На торці циліндричного мідного катода при струмах до 100 А з боку витікання газу спостерігається невелика задимленість, у той час як основна робоча поверхня чиста. При силі струму більш 100 А зону взаємодії дуги з катодом знайти неможливо. Осцилограми струму і напруги на дузі реєструють лише пульсації джерела струму, що свідчить про стаціонарний характер зони прив'язки дуги до катода. Це дозволило зробити висновок, що під дією потоку плазми відбувається перебудова прикатодних процесів, що призводить до появи дифузійної (розподіленої по великій поверхні) зони контакту дуги з електродом, тобто що знаходиться в потоці плазми.

Тепловий потік в електродні вузли сильнострумного катода визначався за витратою і нагріванням охолодної води. Були заміряні тепловтрати через катод Qк, секції сильнострумного катода Qc, додатковий Qд.а й основний Qа аноди при силі струму від 120 до 400 А, витраті Gd = 1710-6 кг/с (аргону), основній витраті газу (повітря) від 9,510-3 кг/с до 2610-3 кг/с, і дуговому каналі dк плазменого катода 610-3м, 7,5·10-3 м, а також, що розширюється до виходу з dк від 5,510-3 до 7,510-3м. Вони приведені на рис. 2 у вигляді прямих для Qа і Qд.а. і у вигляді областей, обмежених прямими лініями, для Qк і Qc. Як видно, східчастоциліндричний канал плазменого катода за енерговтратами займає проміжне становище між dк=610-3м і dк=7,510-3 м. Отримані розподілення теплового потоку q на одиницю довжини розрядного каналу сильнострумного катода від z для I = 180 А, 240 А і значень діаметра розрядного каналу 0,56, 0,70 і 0,80 см показали, що, починаючи з z = 2 см, існує межова ділянка каналу, де q постійне. Тепловий ККД сильно-струмного катода, визначений за експериментальними даними, знахо-диться в межах значень 0,64 - 0,80.

У ході експериментів замірялися потенціали секцій сильнострумного катода щодо катода, визначалися залежності Uc від струму, витрат додаткового і робочого газів і від величини діаметра розрядного каналу dк. Установлено, що потенціали нейтральних секцій з ростом струму підвищуються за лінійним законом, що свідчить про те, що зростання струму практично не змінює опору стовпа дуги. При застосуванні як додаткового газу повітря величини потенціалів секцій майже подвою-ються і лежать у межах 70-115 В. Залежність потенціалів секцій від витрати газу слабка, що виявляється, в основному, у різниці потенціалів між другою і третьою секціями. Залежність потенціалів секцій від струму аналогічна, причому в порівнянні з вищевказаними значення потенціалів секцій зменшуються, а різниці потенціалів між другою і третьою секціями збільшуються. При зменшенні діаметра катода до 5,6 мм отримано повну відсутність впливу основної витрати газу на потенціали секцій. Графік рис. 3 показує лінійну залежність Uc від I та аналогічність з вищевказаними залежностями змін Uc, Uc від dк та G. Дослідження впливу витрат додаткового газу на потенціали секцій встановило, що зміна витрати додаткового газу від 0,03 до 0,0065 г/с не впливає на значення потенціалів першої-третьої секцій, тільки в четвертій спосте-рігається зміна потенціалу на 10%.

Отримано залежності Е від I, dк, z (рис. 4). При постійному Gd = 1310-6 кг/с і зазначених dк залежність Е від z є лінійною, слабозростаючою, при цьому Е збільшується зі зменшенням dк і ростом I.

У четвертому розділі на основі аналізу фізичних явищ, що відбуваються в розрядному каналі сильнострумного катода, і оцінок членів рівнянь, що описують позитивний стовп дуги (ПС) у потоці газу, показано, що в дослідженому діапазоні параметрів основну роль в енергетичному балансі дуги відіграють процеси джоулевої дисипації енергії електричного поля, радіальний перенос тепла за рахунок теплопровідності й випромінювання, а також зв'язок ПС із непровідною областю й стінкою каналу (рис. 5). Основою розрахунку електричних і теплових характеристик ПС дуги є рішення системи рівнянь:

1. В області ПС електричної дуги рівняннями

збереження енергії

(2)

закона Ома в інтегральній формі

(3)

і нерозривності

(4)

за умов

(5)

2. У непровідній області рівняннями

збереження енергії

(6)

і нерозривності

(7) за умов

(8)

На межі розподілу областей необхідне виконання умов рівності теплових потоків, тобто

(9)

Аналіз досліджених даних показав, що в каналі сильнострумного катода дуга розвивається дуже швидко, і її властивості, в основному, визначаються граничними характеристиками Е, S, q і 1, що не залежать від подовжньої координати. Граничний перехід рішення системи (2) - (5) при а2z, 2(z)=1 та I=cont дає вираз

(10)

(11)

Аналітичне розв’язання задачі в неелектропровідній області на граничній ділянці отримано з системи (6) - (8) за умови 1V1z=2V2z , звідки рівняння для розрахунку 1 має вигляд

(12)

Експериментальні дослідження показали, що на початковій ділянці розрядного каналу радіус ПС змінюється від 0 до граничної ділянки. Тому приблизно скористаємося рішенням, отриманим для S(r,z) та i(r,z) у граничному випадку, поза ПС. Тоді розрахункові формули можна представити у вигляді

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

Аналіз отриманого рішення показує, що в граничному випадку при S1(r,0)=0 формула для напруженості електричного поля (14) переходить при G=const у формулу Стайна-Ватсона, а при G=0 вона збігається з висновками теорії Меккера. Порівняння розрахунків за формулою (14) з експериментальними даними і результатами розрахунків інших авторів (рис. 6) показує їхню гарну збіжність.

Формули (13) – (17) дозволя-ють розраховувати електричні й теплові характеристики ПС дуги, їхню залежність від фізичних властивостей і витрати газу, сили струму, геометричних розмірів каналу і можуть бути використані при розробці потужних високоресурсних і ефективних плазмотронів з сильнострумними катодами.

У п'ятому розділі представлена практична реалізація отриманих результатів, що виражається в розробці інженерної методики розрахунку й дослідно-промислових плазмотронів з сильнострумними катодами. Тому що потужні плазмотрони з сильнострумними катодами мають ПС дуги, що складається з двох ділянок: ламінарної (у каналі сильнострумного катода) і турбулентної (у каналі основної анодної частини), нам необхідно було створити таку методику, що дозволяла б враховувати обидва плини газу. У розділі 4 одержані формули для розрахунку електричних і теплових характеристик ПС, що знаходиться в ламінарному потоці, тобто в каналі сильнострумного катода. Однак використання їх в інженерній практиці не завжди виправдано. Крім того, відсутність надійної теорії дуги в турбулентному потоці не дозволяє одержати аналітичні залежності для якісного розрахунку турбулентної ділянки дуги. Інженерна методика для розрахунку таких плазмотронів базується на результатах узагальнення відомих даних із використанням теорії подоби і розмірності. Відповідно до цієї теорії характеристики дугового розряду в плазмотроні описуються безрозмірними величинами, що є функціями визначальних критеріїв подоби

(18)

де (19)

K2, K3 – критерії геометричної подоби, обумовлені відношенням характерних геометричних розмірів розрядної камери до її діаметра d; K2, K3 …- відносини витрат через окремі камери плазмотрона до загальної витрати газу. У якості П можуть бути – U, E, Q, і т.д.

Після спрощення виразу (18) з обліком (19) і відкидання розмірних постійних одержуємо

(20)

(21)

(22)

Для геометрично подібних плазмотронів К2=К3=const, const і вирази (20) – (22) узагальнюють статечною залежністю виду

(23)

де А, , , - постійні розмірні величини, що знаходяться при обробці даних дослідження.

Аналіз експериментальних даних ряду потужних плазмотронів зі східчастим вихідним електродом, що працюють на агресивних робочих газах, дозволив визначити малі діапазони зміни pd і одержати формулу для розрахунку напруги дуги на висхідній ділянці вольт-амперної характеристики з погрішністю не більше 15% у діапазоні зміни параметрів: I=300 –2500 A, G = (24 – 200)10-3 кг/с, d2 = (2 – 5)10-2 м

(24)

Для оцінки теплового ККД цих плазмотронів у зазначеному діапазоні змін параметрів нами запропоноване критеріальне рівняння

(25)

Для визначення напруги дуги сильнострумного катода проводилося експериментальне визначення потенціалів секцій. Отримані дані в діапазоні величин I = 100 - 575 А, dк = (5,5 - 9,5)10-3 м, z = (10 - 50)10-3 м задовільно, з погрішністю 11%, описуються формулою

(26)

де М1 = 3 Всм0,43, М2 = 0,019 ВА-1.

За формулою (26) у зазначеному діапазоні величин I, dк, z можуть бути розраховані потенціали секцій сильнострумного катода. Напругу катодної ділянки сильнострумного катода можна визначити як (27)

де - довжина каналу сильнострумного катода, - довжина області анодного спадання напруги.

Для розрахунку напруженості електричного поля в каналі сильнострумного катода можна скористатися формулою (14) чи більш спрощеною критеріальною залежністю

. (28)

Теплові втрати через основні вузли сильнострумного катода розраховуються за формулами

(29)

(30)де N1

= 1,09 Всм1,95; N2 = 0,3 ВА-0,57см1,42; z = (0,5 - 5,5) см.

Максимальний діаметр розрядного каналу сильнострумного катода, що забезпечує дифузійну прив'язку дуги, визначається за формулою (1).

Довжина розрядного каналу сильнострумного катода залежить від кількості проміжних секцій, розміру каналу катода і геометрії додаткового анода, що залежать від dк, і може бути визначена такою емпіричною залежністю (31)

Експериментальні дослідження сильнострумного катода в діапазоні зміни сили струму від 100 до 500 А показали, що витрата газу (аргону) не повинна перевищувати 0,1% від витрати основного робочого газу плазмотрона. Таким чином, наведені нами формули дозволяють визначити інтегральні теплові й електричні характеристики і геометрію розрядного каналу плазмотронів із сильнострумними катодами.

На підставі розробленої нами інженерної методики виконані розрахунки і створена серія плазмотронів з сильнострумними катодами потужністю від 300 до 560 кВт (див.табл.1).

Таблиця 1

Технічні, розрахункові й експериментальні характеристики

Тип | По-туж-ність,

кВт | На-пру-га ду-ги,

В | Струм дуги,

А | Витрати газу в сильно- струм. катоді, 10-3 кг/с | Витра-ти робо-чого газу, 10-3 кг/с | Ви-трати
води на охоло-джен-ня,

кг/с | Те-пло-вий ККД | Темпе-ратура стру-меню, К | Ерозія катода, кг/Кл

l1, м | dk, м | l2, м | d2, м | l3, м | d3, м

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16

ПЛ-3А | 300 | 500 | 600 | 0,025 | 40,0 | 1,5 | 0,75 | 3500 | 0,07 | 0,007 | 0,21 | 0,18 | 0,09 | 0,030 | 4·10-11

ПЛ-4А | 350 | 500 | 700 | 0,025 | 60,0 | 1,3 | 0,75 | 5000 | 0,07 | 0,007 | 0,23 | 0,016 | 0,09 | 0,030 | 6·10-11

П-11А | 560 | 700 | 800 | 0,025 | 60,0 | 2,0 | 0,70 | 3500 | 0,07 | 0,007 | 0,39 | 0,025 | 0,12 | 0,040 | 6·10-11

Випробування розроблених плазмотронів зводилися лише до виявлення їхньої усталеної роботи в системі ДС – дуга - сильнострумний катод (рис. 7 і рис. 8). З погляду практичного застосування найбільший інтерес представляють висхідні ділянки U-І характеристик: криві 2 - 4 (рис.7) і крива 3 (рис. 8). У процесі випробувань визначалася ерозія електродів плазмотронів (табл. 2). Ерозія сильнострумного катода представлена в таблиці ерозією мідного порожнього катода, що знаходиться на рівні 10-11кг/Кл, що більше, ніж на порядок, нижче відомих даних.

Це вказує на перспективність його використання в потужних плазмотронах для різних виробництв.

Таблиця 2

Ерозійні характеристики плазмотронів

Тип | t,

годин | I,

A | U,

B | G, кг/с | d2,

м | l2,

м | l3,

м | к, кг/Кл | а, кг/Кл

ПЛ-3А | 4,5 | 500 | 650 | 33·10-3 | 0,018 | 0,21 | 0,090 | 4·10-11 | 2·10-10

ПЛ-4А | 3,5 | 650 | 600 | 60·10-3 | 0,020 | 0,23 | 0,090 | 6·10-11 | 2·10-10

П-11А | 3,5 | 470 | 630 | 50·10-3 | 0,025 | 0,39 | 0,13 | 6·10-11 | 2·10-10

Плазмотрони пройшли промислове випробування при розпалюванні і стабілізації горіння пиловугільного факела в котлах ТЕС, газифікації вугілля і переробки побутових і промислових відходів.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Аналіз теоретичних і експериментальних досліджень по створенню сильнострумних катодів показав, що характер взаємодії дуги з
електродами плазмотрона визначається її властивостями, а ресурс роботи катода залежить від багатьох факторів, таких як матеріал і геометрія електрода, його емісійна здатність, склад плазмоутворюючого газу, умови охолодження. При цьому встановлено, що потужні плазмотрони, що використовуються в промисловості і працюють на великих струмах, володіючи відомими перевагами, мають недостатній для вимоги виробництва ресурс роботи катода. Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є створення сильнострумного катода, що працює за принципом "плазменого катода", тобто створення умов прив'язки основної дуги плазмотрона до слабкострумового плазменого струменя, що витікає з катодного вузла.

2. Виявлена можливість впливу додатковим потоком плазми на прикатодну ділянку основної дуги плазмотрона і забезпечення тим самим прив'язки основної дуги до слабкострумового плазменого струменя.

3. Створений сильнострумний катод для потужних плазмотронів являє собою окремий (самостійно працюючий) плазмотрон, що містить додатковий анод, міжелектродні секції і порожній катод. Встановлено режим його роботи: джерело струму - сильнострумний катод, що працює при струмах до 250 А, і сильнострумний катод - анодна ділянка плазмотрона, що працює на струмах більше 250 А.

4. Ресурсні випробування сильнострумного катода протягом 12 годин показали, що при силі струму 180 А його електроди не піддаються ерозії незалежно від того, працює він на аргоні чи на повітрі. Це дозволило зробити висновок про можливість довготривалої роботи сильнострумного катода з плазмотронами, що працюють з агресивними середовищами при струмі основної дуги декілька кілоампер.

5. Установлено, що при роботі сильнострумного катода на струмі більше 100 А відбувається перебудова прикатодних процесів, що приводить до появи дифузійної зони контакту основної дуги з катодом сильнострумного катода. Холодні продувки моделі сильнострумного катода дозволили виявити область дифузійної прив'язки основної дуги й одержати емпіричну залежність для визначення довжини каналу його катода.

6. Експериментально досліджені електричні, теплові й ерозійні характеристики розробленого сильнострумного катода. Значна частина експериментальних даних узагальнена й представлена у вигляді узагальнених графіків і критеріальних залежностей, зручних для використання в інженерній практиці.

7. Знайдена теоретична формула для розрахунку напруженості електричного поля в каналі сильнострумного катода (14) враховує зв'язок позитивного стовпа дуги з непровідною областю і стінкою каналу й дозволяє визначати з погрішністю 20% електричні, теплові й ерозійні характеристики дуги.

8. Розроблена на основі отриманих теоретичних і експериментальних результатах роботи інженерна методика розрахунку плазмотронів з сильнострумними катодами дозволяє розраховувати плазмотрони в широкому діапазоні зміни витрати газу й геометричних розмірів розрядного каналу. З використанням інженерної методики створені плазмотрони із сильнострумними катодами потужністю від 300 до 560 кВт для розпалювання і стабілізації горіння пиловугільного факела в котлах ТЕС, газифікації вугілля і переробки побутових і промислових відходів.

9. Випробування розроблених плазмотронів з сильнострумними катодами довели стійку роботу системи ДС - дуга - сильнострумний катод і дозволили виявити найбільш оптимальні електричні, теплові й ерозійні режими їх роботи. Установлено, що ерозія катода при силі струму 500 – 600 А в сильнострумному катоді перебуває на рівні 10-11 кг/Кл, анода – 10-10 кг/Кл, що більше ніж на порядок нижче відомих даних і вказує на перспективність використання розроблених плазмотронів у різних виробництвах.

Основний зміст дисертації опублікований у наступних роботах:

1. Дзюба В.Л., Акаила Махмуд Т.М., Бирюкова Т.В. Результаты исследований металлургического плазмотрона // Сборник научных трудов. – Алчевск: ДГМИ, 1998. - Вып. 7.- С. 44 - 46.

2. Дзюба В.Л., Авад Оде Халиль Дахлалла, Бирюкова Т.В. Исследования по созданию плазмотронов для напыления // Сборник научных трудов. – Алчевск: ДГМИ, 1998.- Вып. 8. - С. 115 - 119.

3. Дзюба В.Л., Акаила М.Т.М., Бирюкова Т.В. Результаты обобщения характеристик плазмотрона с плазменным катодом // Приднiпровський науковий вiсник. Технiчнi науки. - 1998. - N 43 (110). - С. 72 - 75.

4. Дзюба В.Л., Акаила М.Т.М., Бирюкова Т.В. Исследование электрических характеристик плазменного катода // Сборник научных трудов. – Алчевск: ДГМИ, 1999.- Вып. 10. - С. 88 - 91.

5. Дзюба В.Л., Бирюкова Т.В. Теоретические исследования в канале сильноточного катода // Сборник научных трудов. - Алчевск: ДГМИ, 1999.- Вып. 11. - С. 89 - 90.

6. Dzuba V.L., Halil O.A. and Birukova T.V. Plasmotron for coating. // TPP-5 Fifth European Conference on Thermal Plasma Processes. - 1998. - St-Peterburg. – P. 171.

7. Дзюба В.Л., Крупичко А.И., Акаила М.Т.М., Бирюкова Т.В. Результаты исследований плазмотрона с плазменным катодом // Тез. докл. Ш Меж-дунар. конф. Электромеханика и электротехнологии. - Россия, Клязьма. – 1998. – С. 382 - 383.

8. Дзюба В.Л., Бирюкова Т.В., Корсунов К.А. Плазменная переработка комплексных отходов // Тез. докл. Междунар. конф. "Материалы и покрытия в экстремальных условиях : исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий". - К.: Спец. друк. наук. журн. НАН Украины. - 2000. - С. 180.

Прийняті позначення: Re, Kn – числа Рейнольдса і Кнудсена; I, U – струм і напруга розряду; G, Gd - витрати основного робочого і додаткового газів; dк - діаметр катода; Qa, Qк, Qc, Qд.а. - втрати тепла через анод, катод, секцію і додатковий анод; Е – напруженість електричного поля; Е0, Е - напруженість поля при z=0 і z; R, - радіус і довжина розрядного каналу; q – тепловий потік через одиницю довжини розрядного каналу; Si – функція теплопровідності; i - ентальпія газу; - середньомасові значення ; r, z – циліндричні координати; - радіус дуги; 1 – параметр вдування газу; q, qw – теплові потоки за рахунок теплопровідності й випромінювання на поверхню каналу одиничної довжини; - довжина й діаметр розрядного каналу до уступу; ; - довжина й діаметр уступу; - тепловий ККД плазмотрона; а, до – питома ерозія анода й катода.

АНОТАЦІЯ

Бірюкова Тетяна Вікторівна. Розробка сильнострумного катода для потужних плазмотронів та дослідження його характеристик. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.10 - Электротермічні процеси та установки. - Запорізький державний технічний університет, Запоріжжя, 2001.

Дисертація присвячена підвищенню працездатності й ефективності потужних плазмотронів з сильнострумним катодом. Приведено огляд теоретичних і експериментальних досліджень по створенню сильнострумних катодів, що дозволив виявити конструктивні рішення й умови, що сприяють тривалій і ефективній роботі катода при струмах 500 і більше амперів. Установлено, що одним з перспективних напрямків при розробці сильнострумного катода є створення умов прив'язки основної дуги до слабкострумового плазменого струменю, що виходить з катодного вузла, працюючого за принципом "плазменого катода". На основі пошукових досліджень створена холодна модель сильнострумного катода, що дозволила одержати інформацію про розподіл тиску газового потоку в розрядному каналі, встановити зростання тиску поблизу умовного катода, одержати емпіричні залежності для визначення його довжини й діаметра каналу й розробити експериментальний модуль сильнострумного катода. Сильнострумний катод являє собою самостійно працюючий плазмотрон зворотної полярності, що включає додатковий анод, ряд типових нейтральних секцій і мідний трубчастий катод. Експериментальні дослідження сильнострумного катода дозволили визначити теплові, електричні й ерозійні характеристики й зробити висновок про можливість його тривалої роботи в потужних плазмотронах з агресивними робочими газами при струмі основної дуги декілька кілоампер. Установлено режим роботи плазмотрона з сильнострумним катодом: джерело струму – сильнострумний катод до 250 А та сильнострумний катод – анодна ділянка плазмотрона понад 250 А. Значна частина експериментальних даних узагальнена й представлена у вигляді графіків та критеріальних залежностей, зручних для використання в інженерній практиці. Знайдено теоретичну формулу для розрахунку напруженості електричного поля в каналі сильнострумного катода, що враховує зв'язок позитивного стовпа дуги з непровідною областю та стінкою каналу і що дозволяє визначати з погрішністю 20% електричні, теплові й ерозійні характеристики дуги. На основі отриманих теоретичних і експериментальних результатах роботи розроблена інженерна методика розрахунку плазмотронів з сильнострумними катодами, що дозволяє розраховувати плазмотрони в широкому діапазоні зміни витрати газу й геометричних розмірів розрядного каналу. З використанням інженерної методики створені плазмотрони з сильнострумними катодами потужністю від 300 до 560 кВт, що пройшли промислове випробування при розпалі й стабілізації горіння пиловугільного факела в котлах ТЕС, газифікації вугілля та переробки побутових і промислових відходів.

Ключові слова: сильнострумний катод, плазмотрон, ресурс роботи, ККД, анод, секції, методика.

АННОТАЦИЯ

Бирюкова Татьяна Викторовна. Разработка сильноточного катода для мощных плазмотронов и исследование его характеристик. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.10 - Электротермические процессы и установки. – Запо-рожский государственный технический университет, Запорожье, 2001.

Диссертация посвящена повышению работоспособности и эффективности мощных плазмотронов с сильноточными катодами. Приведен обзор теоретических и экспериментальных исследований по созданию сильноточных катодов, позволивший выявить конструктивные решения и условия, способствующие длительной и эффективной работе катода при токах 500 и более ампер. Установлено, что одним из перспективных направлений при разработке сильноточного катода является создание условий привязки основной дуги к слаботочной плазменной струе, истекающей из катодного узла, работающего по принципу "плазменного катода". На основе поисковых исследований создана холодная модель сильноточного катода, которая позволила получить информацию о распределении давления газового потока в разрядном канале. Обнаружена область повышенного роста давления вблизи торцевой поверхности условного катода, определяющая границу привязки основной дуги к сильноточному катоду. Получены импирические зависимости для определения длины и диаметра канала катода, и разработан экспериментальный модуль сильноточного катода. Сильноточный катод представляет собой самостоятельно работающий плазмотрон обратной полярности, включающий последовательно установленные водоохлаждаемые дополнительный анод, ряд типовых нейтральных секций и медный трубчатый катод. Подача газа в разрядный канал сильноточного катода осуществляется двумя потоками в зоне дополнительного анода и катода и составляет 0,1% от расхода плазмообразующего газа в плазмотроне. Установлен режим работы плазмотрона с сильноточным катодом: источник питания – сильноточный катод - до 250 А и сильноточный катод – анодный участок плазмотрона - свыше 250 А. В результате экспериментальных исследований сильноточного катода получены его тепловые, электрические и эрозионные характеристики. Погрешность измерений электрических величин, оцененная по известным правилам, не превышала 3%, температура – составляла доли процента, других величин – не превышала 5%. В ходе экспериментов измерялись потенциалы секций сильноточного катода относительно катода, определялись их зависимости от тока, расхода газа и от величины диаметра разрядного канала. Потенциалы нейтральных секций с ростом тока повышаются по линейному закону, что свидетельствует о том, что изменение тока практически не меняет сопротивление столба дуги. Зависимость потенциалов в секции от расхода газа слабая. Из полученных распределений напряженности электрического поля в разрядном канале сильноточного катода следует, что ее величина увеличивается с уменьшением диаметра разрядного канала и ростом силы тока.

Эрозионные характеристики сильноточного катода свидетельствуют о возможности его длительной работы в мощных плазмотронах с агрессивными рабочими газами при токе основной дуги несколько килоампер. Эрозия медного полого условного катода находится на уровне 10-11 кг/Кл, что более чем на порядок ниже известных данных. Значительная часть экспериментальных данных обобщена и представлена в виде графиков и критериальных зависимостей, дающих возможность рассчитывать электрические и тепловые характеристики конструктивных элементов сильноточного катода с относительными погрешностями, не превышающими 11%. Найдена теоретическая формула для