Приазовський державний технічний університет

Волков Вадим Олександрович

УДК 621.387.143: 537.523.5

РОЗРОБКА ВИСОКОРЕСУРСНИХ ПЛАЗМОТРОНІВ
ДЛЯ ОБРОБКИ ДИСПЕРСНИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.03.06 – “Зварювання і споріднені технології”

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Маріуполь-2006

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі “Технологія машинобудування” Східноукраїнського національного університету імені Владимира Даля (СНУ ім. В. Даля) Міністерства освіти і науки України м. Луганськ.

Науковий керівник: |

заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор

Дзюба В’ячеслав Леонідович,

завідувач кафедри “Технологія машинобудування” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, м. Луганськ

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Размишляєв Олександр Денисович,

професор кафедри “Обладнання та технологія зварювального виробництва” Приазовського державного технічного університету, м. Маріуполь

кандидат технічних наук, доцент

Сергиенко Сергій Миколайович,

директор Інституту автоматизації Донбаського державного технічного університету, м. Алчевськ

Провідна організація: |

Запорізький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя

Захист відбудеться ”20” жовтня 2006 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .01 Приазовського державного технічного університету, вул. Університетська, 7, м. Марiуполь, 87500 Україна

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ПДТУ: 87500, м. Маріуполь, вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий 11.09. 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д.т.н. проф. Маслов В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Плазмово-технологічні процеси з дисперсними речовинами в останні 10-15 років набули великого значення. Це – плазмове напилення, сфероідизація, одержання ультрадисперсних порошків мікронного й субмікронного розміру, вирощування монокристалів, формування конденсаційних плівок. Поряд з названими застосуваннями рівноважної плазми варто згадати про широкі перспективи її використання в інших галузях – металургії, хімії, енергетиці, виробництві будівельних матеріалів, захисту навколишнього середовища й ін. Все це пояснюється тим, що електричні, теплові й газодинамічні параметри плазмового струменя охоплюють дуже широкий діапазон. Теплову потужність струменя можна змінювати від десятків ватів до десятків мегаватів, температуру – від 1000 до 50000 К, ефективний ККД нагрівання може сягати 90%. Завдяки цим якостям низькотемпературна плазма стала єдиним і незамінним засобом вирішення ряду проблем, пов'язаних з обробкою дисперсних матеріалів, спрямованих на підвищення надійності й довговічності устаткування й одержання монодисперсних порошків із провідних,
діелектричних й абразивних матеріалів, таких необхідних для приладобудування й електронної техніки. У практиці плазмової обробки дисперсних матеріалів у якості плазмоутворюючих середовищ традиційно застосовували аргон, аргон з доданням до 25% водню, азоту, суміші азоту й водню, інколи суміші інертних газів, що містять гелій. Дорожнеча й дефіцитність інертних плазмоутворюючих газів звужували використання процесів плазмової обробки порошкових матеріалів. Ця обставина привела до використання в якості плазмоутворюючого газу повітря й суміші повітря з вуглеводним газом. Економічність і технічна доцільність застосування газоповітряних сумішей, з одного боку, привели до збільшення потужності плазмотронів, а з іншого – до різкого зниження їхнього ресурсу роботи. Тому пошук нових найбільш сприятливих умов роботи й геометричних параметрів електродів плазмотрона з метою створення високоресурсних і високопродуктивних плазмотронів, що працюють на газоповітряній суміші, вимагає додаткових теоретичних й експериментальних досліджень і залишається актуальною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана дисертаційна роботи виконана на кафедрі “Технологія машинобудування” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (СНУ ім. В. Даля) в рамках державної науково-технічної програми “Екологічно чиста енергетика й ресурсозберігаючі технології” і таких тем науково-дослідних робіт: “Математичне й комп'ютерне моделювання процесів у розрядному каналі плазмотрона й процесів формування структури покриттів, отриманих при напиленні” (номер держ. реєстр. 0103U000425); “Теоретичні дослідження процесів плазмової, віброабразивної і гідроабразивної обробки, комп'ютерного синтезу оптимальних технологічних середовищ” (номер держ. реєстр. 0104U000100); “Дослідження нагрівання газу в каналі высокоресурсного плазмотрона для обробки порошкових матеріалів” (БМ-1-02).

Зазначені науково-дослідні роботи, виконавцем яких є здобувач, були базовими для підготовки й подання даної дисертації.

Мета роботи полягає в розробці високоресурсних плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів.

Завдання дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

- проаналізувати відомі теоретичні й експериментальні дослідження, спрямовані на підвищення ресурсу роботи плазмотрона й ефективності обробки дисперсних матеріалів у струмені плазми;

- намітити шляхи створення нових й удосконалення існуючих конструкцій плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів;

- на основі отриманих даних за п. і п. розробити й дослідити три модифікації плазмотронів: з порожнім внутрішнім катодом потужністю до 40 кВт, з торцевим термохімічним катодом і подовженою міжелектродною вставкою потужністю до 60 кВт, з малоерозійним секціонованим катодним вузлом потужністю понад 300 кВт;

- на основі результатів досліджень розроблених плазмотронів, аналізу процесів, що відбуваються в розрядних камерах, й їхнього узагальнення одержати критеріальні залежності й узагальнені графіки для оцінки електричних і теплових характеристик в інженерній практиці;

- здійснити практичне випробування створених плазмотронів у деяких виробничих процесах.

Об'єкт дослідження – фізичні процеси електричної дуги в розрядних каналах плазмотронів.

Предмет дослідження – оптимальні режимні параметри й геометричні розміри розрядних каналів плазмотронів, методи й засоби підвищення їхньої ефективності й ресурсних характеристик електродів.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети й одержання основних результатів дисертаційної роботи використовувалися аналітичні, чисельні й сучасні методи експериментальних досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі наведено комплекс фундаментальних і прикладних досліджень, пов'язаних з підвищенням ресурсу роботи й ефективності плазмотронів:

- уперше знайдено способи підвищення ресурсу роботи й ефективності в плазмотронах для обробки дисперсних матеріалів завдяки примусовому розподілу катодної й анодної прив'язок дуг, застосування подовженої міжелектродної вставки, а також малоерозійного секціонованого катодного вузла, що дозволило в плазмотроні з порожнім циліндричним катодом при струмі дуги 300 А досягти ресурсу понад 70 год, у плазмотроні з подовженої МЕВ при тому ж струмі – 100 год і в плазмотроні з малоерозійним катодним вузлом при струмі дуги 600 А – понад 800 год.

- уперше виявлено залежність електричних, теплових й ерозійних характеристик електродів розроблених плазмотронів від принципу примусового розщеплення дуги, характеру плину газу й геометричних розмірів розрядного каналу катода, МЕВ й анода;

- розроблено теоретичні основи розрахунку плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів з поліпшеними енергетичними характеристиками;

- уперше отримано критеріальні залежності й узагальнено графіки для оцінки електричних і теплових характеристик плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів в інженерній практиці;

- розроблено математична модель й алгоритм розрахунку плазмового диспергування кисневих і безкисневих порошків, що дозволило одержувати гранулометричний склад порошку заданої фракції.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

- вирішено комплекс актуальних завдань, пов'язаних з підвищенням ресурсу роботи й ефективності плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів завдяки застосуванню малоерозійного катодного вузла, подовженої МЕВ, методів і засобів розподілу струму й газу по довжині розрядного каналу;

- створено високоресурсні ефективні плазмотрони з порожнім мідним циліндричним катодом потужністю до 40 кВт, з торцевим термохімічним катодом і подовженої МЕВ до 60 кВт і малоерозійним катодним вузлом потужністю 350 кВт і дано рекомендації з їхнього проектування й технологічного застосування;

- на основі отриманих критеріальних залежностей й узагальнених графіків розроблено інженерну методику розрахунку високоресурсних плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів;

- розроблені плазмотрони знайшли застосування в обробці вогнетривких матеріалів (АТ “Алчевський металургійний комбінат”), відновленні зношених вузлів й автотракторних деталей (ПТІмаш м. Луганськ, АТ “Автотехніка”, Краснодарський край, Росія), видалення дефектів з поверхні шийок прокатних валків (Лутугинський науково-виробничий валковий комбінат) і у ряді інших виробництв;

- за результатами виконаних розробок отриманий деклараційний патент України.

Особистий внесок здобувача. У представленій дисертаційній роботі внесок автора в обґрунтуванні загальної концепції роботи; формулюванні мети й завдань дослідження; самостійному виборі підходів для опису процесів взаємодії позитивного стовпа дуги зі стінками й елементами розрядного каналу й оброблюваним матеріалом, а також фізичних процесів розподілу прив'язки дуги; розробці теоретичних основ розрахунку плазмотронів. Здобувачеві належать основні ідеї дисертації, положення, що виносяться на захист, а також загальні висновки і результати роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на V (2003 р.), VI (2004 р.) і VII р.) Міжнародних практичних конференцях-виставках “Технологія ремонту, зміцнення й відновлення машин, механізмів, устаткування й металоконструкцій” (м. Санкт-Петербург, Росія); ІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Надійність і ремонт машин” (м. Орел, Росія, 2005 р.); ХІ (2004 р.) і ХІІ (2005 р.) Міжнародних науково-технічних конференціях “Машинобудування й техносфера XXI століття” (м. Севастополь); ХІ (2004 р.) і ХІІ (2005 р.) Міжнародних науково-методичних конференціях “Технології XXI століття” (м. Алушта); Міжнародній науково-технічній конференції “Обробка, зварювання й зміцнення конструкційних матеріалів. Якість і перспективи розвитку” (м. Луганськ, 2002 р.), а також на семінарах і щорічних науково-технічних конференціях Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Луганськ, 2002-2005 р.р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 робіт, у тому числі 4 публікації у виданнях, затверджених ВАК України, й 1 деклараційний патент.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації - 136 сторінок машинописного тексту, 60 - рисунків, 5 - таблиць, список літератури з 147 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи й визначено основні завдання, які необхідно вирішити для її досягнення. Виявлено об'єкт, предмет і методи дослідження. Визначено наукову новизну, практичне значення отриманих результатів й особистий внесок здобувача.

У першому розділі наведено короткий огляд відомих результатів теоретичних й експериментальних досліджень з використання низькотемпературної плазми для обробки дисперсних матеріалів. Розглянуто властивості дугової плазми, принципові схеми електродугових плазмотронів з газовихровою стабілізацією дуги, а також конструктивні схеми й технічні характеристики відомих технологічних плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів, що працюють на кисневмісних газах. Загальними недоліками плазмотронів, що випускаються промисловістю, є низькими: ресурс роботи (до 50 год) , тепловий ККД (не більше 0,…0,7), ефективний ККД нагрівання речовини (30...40…40%), продуктивність (до 10...15…15 кг/год) і високі енерговитрати (25...27…27 кВт·год/кг). Виходячи з цих недоліків, а також аналізу теоретичних і експериментальних досліджень, виявлено основні напрямки підвищення ефективності плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів, вирішення яких вимагає проведення серйозних теоретичних і експериментальних досліджень.

У другому розділі описуються експериментальні й дослідно-промислові установки, що складаються із систем електро-, газо-, водопостачання й підпалення дуги. Наведено методики проведення досліджень, вимірів й оцінки погрішностей, а також опис контрольно-вимірювальних приладів, використовуваних при проведенні досліджень.

У третьому розділі наведено результати пошукових досліджень з розробки плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів з поліпшеними енергетичними характеристиками, а також теоретичні основи розрахунку, що базуються на рівняннях збереження енергії, імпульсу й нерозривності. З урахуванням технічних і технологічних вимог, запропонованих до проектування плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів, було вибрано схеми розрядних каналів для трьох типів плазмотронів П-9А, П-11А и ПЛ-8А (рис. ). В основу прийнятих схем покладено лінійну схему однокамерного плазмотрона з газовихровою стабілізацією дуги, що працює на повітрі. Для розрахунку робочих параметрів розроблювальних плазмотронів приймаємо вихідні дані (табл. ).

Розрахунок робочих параметрів і геометрії проточної частини плазмотронів:

Потужність: . (1)

Оскільки плазмотрони мають фіксовану довжину дуги, то напруга на дузі визначається із застосовуванням рівняння

, (2)

де , (3)

а б в

Рис. . Схеми розрядних каналів плазмотронів:
а – П-9А; б – П-8А; в – ПЛ-11А

Таблиця 1

Вихідні дані для розрахунку плазмотронів

Тип | Робочий газ | , ДО | , ДО | , кг/з | Витрата захисн. газу , кг/з | Очікуваний ККД | Тиск на вихід, , Па | Очікуваний ресурс, год

П-9А | повітря | 300 | 6000 | 2,2·10–3– | 0,65 | 105

П-11А | повітря | 300 | 3000 | 68·10–3 | 0,015·10–3 | 0,75 | 105 | >500

ПЛ-8А | повітря | 300 | 6000 | 1,5·10–3– | 0,7 | 105

Відношення внутрішнього діаметра електрода за уступом до діаметра до уступу приймаємо

. (4)

Залежність між внутрішнім діаметром і довжиною електрода за уступом наводять у розрахунках, де

. (5)

При цьому перехід з до прийнято на відстані .

Приймаємо умови прив'язки дуги за уступом рівним , де – напруга дуги самоустановлюваної довжини

. (6)

Отримані значення й повинні забезпечуватися наявними джерелами живлення. У протилежному випадку підбір робочого режиму доцільно виконувати зміною параметра , від якого напруга на дузі залежить майже лінійно.

Значення окружної швидкості рекомендованого робочого газу в каналах завихрителя

, (7)

де – швидкість звуку в газі.

Розрахунок ресурсу роботи приймаємо рівним меншому значенню ресурсу роботи одного з електродів. Для плазмотронів П-9А и П-11А це буде анод, а для плазмотрона ПЛ-8А - катод. Тривалість безперервної роботи анода або катода з міді становитиме

, (8)

де – припустима зміна маси електрода за час , що залежить від товщини стінки електрода, умов охолодження й міцності;
– питома ерозія електрода.

Якщо значення струму дуги, знайдене в першому наближенні, велике й тому не забезпечує заданих значень й , то необхідно вибрати іншу схему плазмотрона, що забезпечує зменшення струму завдяки підвищенню напруги, і розрахувати , і в новому наближенні. Після цього можна приступати до розрахунку охолодження електродів й інших деталей плазмотрона. При цьому кількість рідини, необхідної для охолодження, визначається з виразу

, (9)

де – втрати тепла через -у деталь; – теплоємність охолоджуючого середовища. Результати розрахунків плазмотронів наведено в табл. 2.

Таблиця 2

Основні параметри розроблених плазмотронів

Тип | Потужність, квт | Напруга дуги, В | Струм дуги, А | Витрата захисного газу, 10–3 кг/з | Витрата робочого газу, 10–3 кг/з | Витрата води на охолодження, кг/з | Тепловий ККД | Температура
струменя, К | МЕВ, шт. | Ресурс роботи, год | Геометричні розміри розрядного каналу, м

d2 | d3 | l2 | l3

П-11А | 345 | 575 | 600 | 0,015 | 68 | 2,5 | 0,75 | 3000 | секц. катод | 800 | 0,025 | 0,035 | 0,37 | 0,14

П-9А | 60 | 200 | 300 | - | 2,2 | 0,14 | 0,60 | 6000 | 1 | 100 | 0,006 | - | 0,045 | -

ПЛ-8А | 36 | 120 | 300 | - | 1,5 | 0,1 | 0,65 | 6000 | - | >70 | 0,005 | - | 0,055 | -

Плазмотрон П-11А складається з вузлів катода, анода й реакторної камери. Відмінною рисою його від раніше виконаних розробок є наявність секціонованого катодного вузла (рис. ), що являє собою компактну автономну конструкцію. Катодний вузол складається з термо-катода 1, поміщеного у водоохолоджуючий като-дотримач 2, і секціонованого каналу , що складається із проміжних секцій 3 і перехідної секції 4, електронейтральність яких забезпечується ізоляторами 6. Міжсекційні зазори профільовані для виклю-чення потрапляння прямого випромі-нювання дуги 7 на робочу поверхню ізо-ляторів. Робочий газ подається через тан-генціальні отвори у вихровій камері 5 між катодним й анодним вузлами, захисний газ (аргон) – через завихрителі 8 між катодом і секцією, а також між секціями. Основною особливістю застосованого катодного вузла є мала витрата захисного газу (див. табл. ) при зменшенні питомої ерозії вольфрамового катода (до 10–13 кг/Кл) на порядок у порівнянні з аналогічними закордонними й вітчизняними розробками. Реакторна камера плазмотрона П-11А для подачі порошку виконана водоохолоджуючою. З метою зниження кута розпилу нагріваючого реагента, що нагріває, вихідний отвір камери зменшений у порівнянні з діаметром анода.

Плазмотрон П-9А – однокамерний з газовихревою стабілізацією. Основними деталями його є: катод з гафнієвою або цирконієвою вставкою, анод і міжелектродна вставка (МЕВ). Відмінною рисою даної конструкції є подовжена МЕВ (див. рис. 3) і можливість висувати катодну термохімічну вставку в міру її зношування. Бічні поверхні МЕВ, аналогічно до катодотримача й анода, складаються з кільцевих площин, що переходять уступом у радіально профільовані поверхні. Анодний вузол дозволяє робити заміну анода й реакторної камери в міру їхнього зношування незалежно один від одного.

Плазмотрон ПЛ-8А – однокамерний з газовихровою стабілізацією дуги, що складається з катодного й анодного вузлів, у яких розташовуються мідні циліндричні катод й анод відповідно. У розрядних камерах катода й анода нарізано різь для примусового розщеплення опорних плям дуги. Геометричні розміри розрядних каналів анода й катода можуть відрізнятися один від одного або виконуватися однаковими (конструктивно подібно до плазмотрона двостороннього витікання) і бути взаємо-замінними. На внутрішній циліндричній поверхні фланця анодного вузла (рис. ) з боку катодотримача виконана шестизахідна прямокутна різь, що забезпечує вихрову подачу робочого газу в розрядний канал плазмотрона. Зовнішня поверхня анодотримача має два отвори з різзю для підключення клеми електроживлення й для кріплення вузла подачі напилюваного матеріалу.

В четвертому розділі наведено експериментальні й теоретичні дослідження і результати узагальнення електричних і теплових характеристик розроблених плазмотронів.

Експериментальні дослідження плазмотрона П-11А (рис. , в) проводилися за таких розмірів розрядного каналу: =0,025 м; =0,035 м; =0,058 м; =0,39 й 0,24 м; =0,13 й 0,16 м. У конструкції катодного вузла виконувалася міжсекційна подача захисного газу (аргону) із загальною витратою =(0,020…0,025)·10–3кг/с. Робочий газ подавався через тангенціальні отвори завихрювача. Робочим газом було повітря й суміш 38повітря з 62кисню. Плазмотрон живився від тиристорного джерела з =1135 В і =1000 А. Напруга й струм реєструвалися приладами В-1500/5 і М /1 відповідно. Витрати робочого й захисного газу, а також охолоджуючої води визначалися за показниками ротаметрів РМ, ВФСМ і РЕД. Температура води вимірювалася термометрами із ціною поділки шкали 1С.

Експериментальні дослідження розроблених плазмотронів представлені в дисертації електричними, тепловими й ерозійними характеристиками й спрямовані на випрацювання рекомендацій щодо поліпшення їхніх конструкцій і розрахунку з метою підвищення ефективності процесу обробки дисперсних матеріалів. На рис. наведено характеристики, отримані при =0,39 м; =0,13 м. Як видно, в дослідженому діапазоні струмів вони мають як падаючий, так і твердий (пологий) вид. За малих витрат газу падаючий характер характеристик пояснюється шунтуванням на ділянці , при більших витратах – видуванням дуги з електрода і її шунтуванням на торці анода.

З метою підвищення ефективності впливу уступу довжина каналу була
зменшена до 0,24 м, а довжина каналу збільшена до 0,16 м. Це привело до формування висхідних харак-теристик. Дослідження теплових характеристик (рис. ) дозволило встановити, що з ростом струму дуги температура плазмового струменя підвищується, а ККД зменшується повільніше. У випадку короткого вихідного електрода температура на 300 К більше, ніж у випадку довгого електрода за тих самих струмів, а ККД приблизно на 15% вище, що підтверджує важливу роль ділянки каналу за дугою в загальному балансі теплових втрат.

З метою вивчення питання ерозії електродів і визначення ресурсу роботи
плазмотрона ПЛ-11А були проведені тривалі випробування, які представлені такими характеристиками (рис і табл. ).

Таблиця 3

Результати досліджень плазмотрона П-11

№

досліду | ф, ч | I, А | U, В | GAr·10-3,

кг/з | G·10-3, кг/с | l3,
м | l2,
м | , кг/Кл | , кг/Кл

1 | 4,5 | 460 | 665 | 0,025 | 36,0 | 0,13 | 0,39 | 10-13 | 2·10-9

2 | 3,5 | 465 | 680 | 0,025 | 43,5 | 0,16 | 0,24 | 10-13 | 1,7·10-9

3 | 3,5 | 470 | 630 | 0,025 | 32,2 | 0,16 | 0,24 | 10-13 | 3,5·10-10

З табл. 3 видно, що питома ерозія вольфрамових вставок катода в зазначеному діапазоні зміни витрат робочого й захисного газів слабко залежить від сили струму. Це можна пояснити наявністю захисного бар'єра в розрядному каналі катодного вузла й дифузійною прив'язкою дуги на катоді. Результати експериментів з питомої ерозії вольфрамової вставки катода з погрішністю ± % узагальнені формулою

. (10)

Практичне застосування в плазмотроні П-11А малоерозійного секціонованого катодного вузла дозволило досягти ресурсу роботи понад 1000 год.

Плазмотрон П-9А на відміну від існуючих подібних плазмотронів має подовжену МЕВ при =3...6…6 (див. рис. ,а). У процесі експериментів =(5...8…8,5)·10-3м, а діаметр каналу МЕВ =(5...7…7)·10-3м. Розрядний канал окремих модифікацій плазмотрона виконувався східчастим. При цьому: =5·10-3 м; =8,5·10-3 м; ; =4·10-2 м; =1,5·10-2 м. У випадку наявності на аноді сходи =0,5·10–2 м. З рис. видно, що застосування МЕВ сприяє підвищенню напруги горіння дуги і, починаючи з деякого значення сили струму, характеристики стають висхідними (кр. і 2). Отримані залежності теплових втрат через анод, катод і МЕВ від струму показали, що найбільш значні втрати тепла мають місце в аноді. ККД плазмотрона П-9А збільшується з ростом витрати плазмоутворюючого газу, досягаючи при =95 А і витраті =16·10-4 кг/з максимальної величини ~ %.

Експериментальні дослідження плазмотрона ПЛ-8А (рис. ,б) проводилися за таких параметрах плазмотрона, що працює на повітрі: =10·10-3 м; =5·10-3 м, =35·10-3 м; = 55·10-3 м, 47·10-3 м; =50…250A, =(0,2…2,5)·10-3кг/с.

Експерименти проводилися як з різальним нарізанням в розрядному каналі
(суцільні криві), так і без нього (пунктирні криві). Відмінною рисою характеристик плазмотрона ПЛ-8А (рис. ) з різальним нарізанням розрядного каналу є більш висока напруга на дузі. Ця різниця в напрузі збільшується з ростом витрати газу й струму.

Тепловий ККД у плазмотрона, що має в розрядному каналі різальну на-різку, досягав =0,65...0,67, що приб-лизно на 10% вище ККД плазмотрона із гладким розрядним каналом.

Електроди на ерозію випробову-валися при струмах 100…300А. Експе-рименти для кожного значення струму тривалістю не менш 6 год повторю-валися тричі. При цьому катод й окремо анод зважувалися на демпферних вагах до запуску й після закінчення експерименту. Питома ерозія порожніх мідних електродів перебувала в межах (8·10-9… 3·10-8) кг/Кл. Ресурсні випробування плазмотрона ПЛ-8А показали, що при =200 А и =0,85 г/с роботоздатність електродів становлять 70 год, що більш ніж у два рази вище роботоздатності серійних плазмотронів аналогічного класу. З метою подальшого підвищення ресурсу роботи і ефективності плазмотрона ПЛ-8А було зроблено спробу вплинути на ПС дуги частоти зовнішнього збудження, тобто створити нестаціонарний режим роботи плазмотрона. Ресурсні випробування з урахуванням реалізації нестаціонарного режиму роботи показали збільшення роботоздатності електродів приблизно на 20%.

Щоб одержати кількісну залежність спадання напруги на дузі від основних визначальних параметрів, необхідно виконати досить точний теоретичний розрахунок дуги. У цей час методи розрахунку розроблені лише для безвидаткової дуги й дуги в ламінарному потоці. Теорія дуги в турбулентному потоці, придатна для інженерних розрахунків з достатньою для практики точністю, відсутня. На практиці найчастіше застосовуються розрахунково-експериментальні методи, засновані на узагальненні експериментальних даних і розробці на цій основі критеріальних інженерних методик розрахунку.

Електричні характеристики плазмотронів вихрової схеми найчастіше узагальнюються рівнянням виду

, (11)

де – постійні величини, обумовлені при обробці даних досліджень. Для плазмотронів, що працюють при нормальному тиску (робочий газ - повітря, катод з гафнію), отримано розрахункову формулу

, (12)

вона наочно показує використання розмірних комплексів при узагальненні вольтамперних характеристик, отриманих у ході експериментів. За рівнянням (12) можна розрахувати напруги дуги при А; г/с;  см; Па.

Якщо у цьому рівнянні в лівій частині залишити лише , тобто якщо його спростити, то одержимо рівняння, у якому наочність застосування критеріїв подоби зникає

, (13)

де коефіцієнт є розмірним

.

Формула (2) для розрахунку напруги на дузі плазмотронів зі східчастим розрядним каналом дійсна для діапазонів зміни величин визначальних комплексів: ; ; ; .

Однак застосування даної формули для розрахунку напруги дуги в плазмотроні П-11А занижує напругу приблизно на 40%. Це свідчить про те, що в ній не враховані деякі істотні визначальні параметри. Аналіз дослідних даних показав, що необхідно враховувати величини й . Уточнена формула має вид

. (14)

Рівняння (14) узагальнює висхідні ділянки вольтамперних характеристик і дозволяє розрахувати напругу дуги з погрішністю не більше 17% у діапазоні величин визначальних комплексів: ; ; ; ; . Для того щоб визначити напругу катодної ділянки дуги плазмотрона П-11А, , проводилося експериментальне визначення потенціалів секцій. Узагальнена залежність величин від ,, представлена на рис. , де по осі ординат відкла-

дено величину , а по осі абсцис – відношення . Експериментальні дані в діапазоні величин  А;  м;  м задовільні, з погрішністю не вище 11%, описуються вони знайденою розрахунковою формулою

, (15)

де , .

Напругу катодної ділянки дуги можна визначити як

. (16)

Для розрахунку напруженості електричного поля в каналі катодного вузла плазмотрона П-11А отримано формулу

, В·см-1. (17)

Напруженість електричного поля анодної ділянки дуги визначається за формулою

, В·см-1, (18)

де  В·см-1·м –0,2·з0,2; =190 А·В-1·м 0,2·з – 0,2.

Формула (18) дійсна в діапазоні значень =330…730А; =14...55…55 г/з; =25·10–3; = ·10–5 Н/м.

У результаті обробки експериментальних даних розроблених плазмотронів отримано формули для розрахунку теплових втрат.

Втрати через катод плазмотронів з термохімічними вставками розраховуються за формулою

, Вт, (19)

де =2,1 Вт·А-1, а з моменту початку заглиблення опорної плями дуги в катод розрахунок має виконуватися за формулою

, Вт. (20)

Тут – час у секундах; =0,85·10–4 У·с–1. Формула (20) справедлива для =80…200А, =0...2…2,5·10–4с (від 0 до ~7 год). Момент часу ?0 відповідає початку заглиблення плями в катод. Енерговитрати через МЕВ і через анод таких плазмотронів розраховуються відповідно за формулами

, Вт, (21)

, Вт. (22)

Тут =9 У·г0,08·с–0,08·см0,33, =0,51 У·с–0,061·м0,061·см0,096. Рівняння (22) можна застосовувати й для розрахунку теплових втрат у порожніх електродах плазмотрона ПЛ-8А.

Енерговитрати у катоді, секціях катодного вузла й через анод плазмотрона П-11А можна розраховувати за знайденими формулами

, Вт, (23)

, Вт, (24)

, Вт, (25)

де =1,09 У·см1,95; =0,3 У·А–0,57 см1,42; =55 У; =0,5...5…5,5см.

На рис. наведено узагальнений графік втрат енергії через катод і секції для трьох значень , у якому по осі абсцис відкладено відношення , а по осі ординат – , тобто узагальнення експериментальних даних проводилося у виді .

У п'ятому розділі показано переваги створених плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів і деякі результати їхнього практичного застосування при обробці вогнетривких поверхонь, зміцненні продувних кисневих форм, а також для одержання тугоплавких кисневих і безкисневих порошків, що мають високу питому поверхню. Реалізація розроблених плазмотронів у зазначених технологіях показала високу їхню ефективність.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертації наведено нові науково-технічні розробки, а також розвиток методів розрахунку й проектування плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів, що дозволило створити плазматрони, спрямовані на розширення технологічних можливостей, підвищення ефективності нагрівання, продуктивності й ресурсу роботи.

1. Розроблено вдосконалену методику розрахунку плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів з поліпшеними енергетичними характеристиками.

2. Уперше створено електродугові плазмотрони постійного струму лінійної схеми потужністю 36, 60 й 350 кВт для обробки дисперсних матеріалів з високою ефективністю, продуктивністю й більшим ресурсом роботи електродів.

3. Експериментально досліджено електричні, теплові й ерозійні характеристики розроблених плазмотронів. Значна частина отриманих результатів узагальнена й представлена узагальненими графіками й критеріальними залежностями, зручними для застосування в інженерній практиці.

4. Виявлено підвищення ефективності обробки дисперсних матеріалів і ресурсу роботи розроблених плазмотронів завдяки накладенню на позитивний стовп дуги зовнішніх електричних збурювань.

5. Уперше знайдено способи підвищення ресурсу роботи й ефективності в плазмотронах для обробки дисперсних матеріалів завдяки примусовому розподілу катодної й анодної прив'язок дуг, застосування подовженої міжелектродної вставки, а також малоерозійного секціонованого катодного вузла, що дозволило в плазмотроні з порожнім циліндричним катодом при струмі дуги 300 А досягти ресурсу понад 70 год, у плазмотроні з подовженої МЕВ за того ж струму – 100 год і в плазмотроні з малоерозійним катодним вузлом при струмі дуги 600 А – понад 800 год.

6. З метою практичного виявлення корисності розроблених плазмотронів були створені плазмові комплекси для обробки вогнетривких поверхонь хіміко-металургійного устаткування, зміцнення продувних кисневих фурм й одержання кисневих і безкисневих порошків.

7. Дослідження оброблених у плазмі кисневих і безкисневих порошків показали, що при диспергуванні кераміки ZrО2–6СаО спостерігається тенденція зсуву дисперсної сполуки у бік дрібних фракцій, а диспергування полімеризованого гелю Si02 дозволило одержувати значне збільшення фракцій порошку в 1...2 мкм.

8. Розроблено математичну модель й алгоритм розрахунку плазмового диспергування кисневих і безкисневих порошків, що дозволило одержати гранулометричну сполуку порошку заданої фракції.

9. Розроблено плазмотрони знайшли застосування при обробці вогнетривких матеріалів (АТ “Алчевський металургійний комбінат”), відновленні зношених вузлів й автотракторних деталей (ПТІмаш м. Луганськ, АТ “Автотехніка”, Краснодарський край, Росія), видаленні дефектів з поверхні шийок прокатних валків (Лутугинський науково-виробничий валковий комбінат) з очікуваним економічним ефектом 50 тис. грн., й у ряді інших виробництв.

10. Результати досліджень включені в навчальний посібник для студентів вузів спеціальності 6.090208 - “Обробка матеріалів спецтехнологіями”.

ПРИЙНЯТІ ПОЗНАЧЕННЯ

– напруженість електричного поля, струм розряду (дуги); , – напруга розряду, позитивного стовпа, анодне й катодне падіння потенціалу; – діаметр, радіус і довжина розрядного каналу; – витрата плазмоутворюючого газу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ
ОПУБЛІКОВАНО У ТАКИХ РОБОТАХ

1. Дзюба В.Л., Волков В.А., Чаленко А.В. Экспериментальных исследования плазмотрона для напыления // Вісник СНУ ім. В. Даля. – 2003. №11 (69). – С.68-71.

Автором поставлено завдання, умови проведення експериментів, проаналізовано й оброблено отримані результати.

2. Дзюба В.Л., Волков В.А. Влияние модуляции тока на ресурс работы плазмотрона // Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції „Україна наукова 2003”. – Дніпропетровськ – Запоріжжя, Т.31, Фізика. – Дніпр.: Наука і освіта, 2003. – С. .

Автором визначено умови й параметри модульованого струму, що впливають на ресурс електродів.

3. Корсунов К.А., Дмитриев П.Ю., Гаврыш В.С., Волков В.А. и др. Пути совершенствования плазмотронов для поверхностной обработки деталей // Технология ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций: Материалы V Международной практической конференции-выставки. – СПб: Изд-во СПб ГПУ, 2003. – С. .

Автором виконано розробки щодо зміни конструкції катодного вузла і його випробування.

4. Корсунов К.А., Волков В.А.. Подгорная Н.А., Сумец А.В. Плазмотрон для напыления с холодным катодом // Технология ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций: Материалы VI Международной практической конференции-выставки. – СПб: Изд-во СПб ГПУ, 2004. – С. .

Автором розроблено порожній “холодний” катод і виконано його опис.

5. Дзюба В.Л., Корсунов К.А., Гаврыш В.С., Волков В.А. и др. Плазмотрон для обработки материалов // Технология ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций: Материалы VII Международной практической конференции-выставки. – СПб: Изд-во СПб ГПУ, 2005. – С. .

Автор брав участь у розробці плазмотронів й у експериментальних дослідженнях.

6. Дзюба В.Л., Чаленко А.В., Волков В.А., Повышение ресурса работы кислородных фурм // Вісник СНУ ім. В. Даля. – 2005. №7 (89). – С.90-93.

Автор розробив метод зміцнення кисневих продувних фурм й одержав експериментальну залежність оптимальної відстані напилюваної фурми від плазмотрона.

7. Дзюба В.Л., Чаленко А.В., Волков В.А Деклараційний патент на винахід 7970, НО1В7/22. Електродуговий плазмотрон. –2005.– Бюл.№ .

Автор брав участь у написанні формули винаходу.

8. Дзюба В.Л., Корсунов К.А., Волков В.А. Результаты исследования плазмотрона многофункционального назначения // Материалы II Международной научно-технической конференции “Надежность и ремонт машин”. – Орел: Орел ГАУ, 2005. – С. 16-21.

Автор брав участь у розробці плазмотрона, у його експериментальному дослідженні й обробці результатів дослідження.

9. Волков В.А., Дзюба В.Л., Хаустова А.В. Результаты исследований по созданию плазмотрона для обработки дисперсных материалов // Материалы XII Международной научно-методической конференции “Технологии XXI века”. – Сумы: СНАУ, 2--5. – С.

Автор розробив і розрахував геометрію розрядного каналу плазмотрона.

10. Дзюба В.Л., Волков В.А. Исследования по созданию высокоресурсных плазмотронов для напыления // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: 3б. наук. пр. – Луганськ: Вид-во СНУ ім. В.Даля. – 2005 –С. .

Автор розробив й експериментально досліджував плазмотрони.

11. Дзюба В.Л., Корсунов К.А., Волков В.А. Влияние модуляции электрической дуги на параметры плазмотрона // Сборник научных трудов ДГТУ. – 2004. – вып. . – С.252-258.

Автор установив вплив модуляції електричної дуги на продуктивність й якість оброблюваного матеріалу.

АНОТАЦІЯ

Волков Вадим Олександрович. Розробка високоресурсних плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.06 - “Зварювання і споріднені технології”. - Приазовський державний технічний університет.- Маріуполь, 2006.

Дисертація присвячена розробці високоресурсних плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів. Плазмово-технологічні процеси з дисперсними речовинами набувають усе більшого значення. Напилення, сферондизація, отримання ультрадисперсних порошків мікронного і субмікронного розміру, вирощування монокристалів, формування конденсаційних плівок – ось далеко неповний перелік їх застосування. Проте використання в плазмотронах плазмоутворюючого газу повітря і суміші повітря з киснем і вуглеводневим газами привело, з одного боку, до збільшення їх потужності, а з іншого – до різкого зниження їх ресурсу роботи. Огляд відомих результатів теоретичних і експериментальних досліджень з використання плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів показав, що загальними їх недоліками є: низькі ресурс роботи (до 50 год.); тепловий ККД нагріву речовини(30...40%), продуктивність (10...15 кг/год.) і високі енерговитрати (25...27 кВтгод/кг). Виходячи з цих недоліків, були виявлені основні напрями підвищення ефективності плазмотронів для обробки дисперсних матеріалів. Пошук шляхів вирішення даних проблем дав можливість виявити конструктивні рішення і умови, що сприяють підвищенню ресурсу роботи і ефективності плазмотронів, і створити плазмотрони з порожнистим мідним циліндровим катодом потужністю 36 кВт, з торцевим термохимічним катодом і подовженою міжелектродною вставкою (МЕВ) 60 кВт і малоерозійним катодним вузлом потужністю 350 кВт. У розроблених конструкціях вперше застосовано способи підвищення ресурсу роботи і ефективності завдяки примусовому розподілу катодної і анодної прив'язок дуг, застосування подовженої МЕВ, а також малоерозійного секціонованого катодного вузла, що дозволило в плазмотроні з порожнистим циліндровим катодом при струмі дуги 300 А досягти ресурсу роботи понад 90 год., в плазмотроні з малоерозійним катодним вузлом при струмі дуги 600 А - понад 500 год. У плазмотронах потужністю 36 кВт і 60 кВт додатково підвищена ефективність обробки дисперсних матеріалів і ресурсу роботи завдяки накладенню на позитивний стовп дуги зовнішніх електричних обурень. На основі відомих теоретичних досліджень розроблено теоретичні основи розрахунку плазмотронів. Значна частина експериментальних досліджень узагальнена і представлена узагальненими графіками і критерійними залежностями, зручними для застосування в інженерній практиці. З метою практичного виявлення корисності розроблених плазмотронів було створено плазмові комплекси для обробки вогнетривких поверхонь хіміко-металургійного устаткування, зміцнення продувочних кисневих фурм і отримання кисневих і безкисневих порошків. Розроблено математичну модель і алгоритм розрахунку плазмового диспергування порошу, яка зі всіх відомих моделей стосовно нагріву частинок в активній зоні струменя є найбільш простою і досить добре описує процес нагріву частинки до температури плавлення матеріалу. Розроблені плазмотрони знайшли застосування при обробці вогнетривких матеріалів, відновленні зношених автотракторних вузлів і деталей, видаленні дефектів з поверхні шийок прокатних валків і в ряді інших виробництв.

Ключові слова: плазмотрон, порожнистий катод, торцевий катод, МЕВ, питома ерозія, секціонований катодний вузол, ресурс роботи, дисперсний матеріал.

АННОТАЦИЯ

Волков Вадим Александрович. Разработка высокоресурсных плазмотронов для обработки дисперсных материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 – “Сварка и родственные технологии”. – Приазовский государственный технический университет.- Мариуполь, 2006.

Диссертация посвящена разработке высокоресурсных плазмотронов для обработки дисперсных материалов. Плазменно-технологические процессы с дисперсными веществами приобретают все большее значение. Напыление, сферондизация, получение ультрадисперсных порошков микронного и субмикронного размера, выращивание монокристаллов, формирование конденсационных пленок – вот далеко неполный перечень их применения. Однако использование в плазмотронах плазмообразующего газа воздуха и смеси воздуха с кислородом и углеводородным газами привело, с одной стороны, к увеличению их мощности, а с другой – к резкому снижению их ресурса работы. Обзор известных результатов теоретических и экспериментальных исследований по использованию плазмотронов для обработки дисперсных материалов показал, что общими их недостатками являются: низкие ресурс работы (до 50 ч); тепловой ККД нагрева вещества(30…40%), производительность (10…15 кг/ч) и высокие энергозатраты (25…27 кВт•ч/кг). Исходя из этих недостатков были выявлены основные направления повышения эффективности плазмотронов для обработки дисперсных материалов. Поиск путей разрешения данных проблем позволил выявить конструктивные решения и условия, способствующие повышению ресурса работы и эффективности плазмотронов и создать плазмотроны с полым медным цилиндрическим катодом мощностью 36 кВт, с торцевым термохимическим и удлиненной межэлектродной вставкой (МЭВ) 60 кВт и малоэрозионным катодным узлом мощностью 350 кВт. В разработанных конструкциях впервые применены способы повышения ресурса работы и эффективности за счет принудительного распределения катодной и анодной привязок дуг, применения удлиненной МЭВ, а также малоэрозионного секционированного катодного узла, что позволило в плазмотроне с полым цилиндрическим катодом при токе дуги 300 А достичь ресурса работы более 90 ч, в плазмотроне с малоэрозионным катодным узлом при токе дуги 600 А – свыше 500 ч. В плазмотронах мощностью 36 кВт и 60 кВт дополнительно повышена эффективность обработки дисперсных материалов и ресурса работы за счет наложения на положительный столб дуги внешних электрических возмущений. На основе известных теоретических исследований разработаны теоретические основы расчета плазмотронов. Значительная часть экспериментальных исследований обобщена и представлена обобщенными графиками и критериальными зависимостями, удобными для применения в инженерной практике. С целью практического выявления полезности разработанных плазмотронов были созданы плазменные комплексы для обработки огнеупорных поверхностей химико-металлургического оборудования, упрочнения продувочных кислородных фурм и получения кислородных и бескислородных порошков. Разработана математическая модель и алгоритм расчета плазменного диспергирования порошка, которая из всех известных моделей применительно нагрева частиц в активной зоне струи является наиболее простой и достаточно хорошо описывает