Введение к работе
Актуальность темы. В последние десятилетия в различных областях науки н техники широко применяются элёктродуговые генераторы низкотемпературной плазмы. Важным достоинством плазменных ^устройств является возможность создания новых ресурсосберегающих и экологически чистых технологий. Кроме этого, использование плазменной техники обеспечивает существенное снижение металлоемкости и энергоемкости процессов плавления, резки, сварки и др. процессов, что повышает их экономическую и технологическую эффективность. Это стало возможным благодаря созданию технических устройств, обеспечивающих получение плазмы с высокой концентрацией энергии в малом объеме и, как следствие, высокую интенсивность теплового воздействия на тела, помещенные в плазму.
Наибольшее распространение.в Практических приложениях получили плазмотроны со стержневыми и полыми катодами. Как известно, стержневые катоды принципиально не обеспечивают устойчивых режимов работы при давлениях, меньших 100 Па, что не позволяет использовать их при получении особочистых и реакционных металлов. Другим фактором, сужающим область применения стержневых катодов даже при атмосферном давлении, является существенный нагрев рабочей части катода при контрагнрованной форме привязки (как наиболее часто реализуемой на стержневых катодах) с ростом тока дуги. Это приводит к 'значительному испарению материала (удельная эрозия находится в пределах 10-9-10-'0 кг/Кл). Подобное явление накладывает ограничение на величину рабочих токоп, и следовательно, на мощность плазмотрона. Для стержневых катодов промышленных плазмотронов, работающих в непрерывном режиме, максимальный ток составляет несколько сотен ампер.
Таким образом, несмотря на кажущуюся простоту стержневого катода, при его использовании имеются ограничения как по величине рабочего тока и, следовательно, мощности плазмотрона, так и по ресурсу непрерывной работы. Наиболее логичный путь повышения максимально допустимых рабочих параметров плазмотронов с учетом требований современных технотогпй в металлургии — реализация диффузной привязки душ к катоду Така!! форма взаимодействия дуги г катодом без применения каких-либо дополнительных мер реализуется в дуговых разрядах с полым катодом. Благодаря этой особенности полый г">7«;'. '"тзипвитгя наиболее перспективным при создании сильноточных
( !: ,'\\1Н'.'. П !'' Г!<>1 роппм !!ОПЫШГНН"Й 1\дш ИГЧНЩ МОЩНОСТИ Г ресурсом
работы до нескольких сотен часов. Однако, отсутствие ясности в приоритетности и взаимовлиянии различных физических процессов и условий тепло- и электрообмена катода с плазмой не позволяют прогнозировать ресурс работы катода и решать связанные с этой проблемой вопросы единичной мощности (рабочего тока) плазмотрона.
Вакуумный плазмотрон, являясь составной частью электротехнологического комплекса или системы, обеспечивает рабочие характеристики и другие параметры промышленного оборудования в целом. Кроме того, разработанные в последнее время конструктивные схемы кольцевых полых кагодов, допускающие обработку порошковых, жидких и газообразных исходных продуктов, позволяют реализовать принципиально новые электротехнологии - сфероидизация порошков, плакирование, переплав с целью рафинирования тугоплавких металлов.
Вышеизложенное обуславливает актуальность темы диссертационной работы, направленной на изучение процессов и параметров, определяющих эксплуатационные характеристики плазменных генераторов. ,
Работа выполнялась в соответствии с комплексной координационной программой "Сибирь" на 4991-95 г. "Новые материалы и технологии" н координационным планом РАН по проблеме "Физика низкотемпературной плазмы".
Целью работы является исследование рабочих параметров и процессов в полых катодах вакуумных плазмотронов, которое позволило бы в промышленных масштабах:
1. Обеспечить ресурс работы полого катода не менее 500 часов при
уровне, единичной мощности плазмотрона 800 кВт и выше.
2. Обеспечить оптимальные соотношения рабочих параметров
вакуумных, плазмотронов Для получения минимальных расходных
характеристик полого катода.
-
Определить область изменения параметров, при которых наблюдается устойчивая работа вакуумного плазмотрона с полым катодом.
-
Разработать инженерную методику расчета вакуумных плазмотронов, позволяющую реализовать устойчивые н. экономичные режимы работы с необходимой надежностью.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие задачи:
1,. Экспериментальные исследования тепловых и эрозионных характеристик полых катодов вакуумных плазмотронов.
2. Исследование основных эксплуатационных режимов работы
полого катода на основе теплового баланса.
-
Расчетно-теоретическое исследование теплового состояния полого катода на основе двумерной постановки задачи^ Проведение анализа особенностей теплового взаимодействия плазмы с поверхностью катода с целью повышения его термической стойкости и снижения эрозии.
-
Определение критериев подобия режимов работы дуги с полым катодом.
5. Исследование механизма эрозии полого катода.
-
Определение области устойчивости горения дуги с полым катодом в рабочих диапазонах параметров электротехнологических установок. .
-
Создание инженерной методики выбора геометрических и рабочих параметров вакуумного плазмотрона с полым катодом с учетом электротехнологического назначения плазмотрона..
8. Разработка промышленной конструкции вакуумного плазмотрона мощностью до 800 кВт.
Методы проведения исследований. Сложность поставленных задач обусловила необходимость применений комплексного метода исследований, включающего экспериментальные и численно-теоретические исследования. Эксперименты приводились в лабораторных условиях на экспериментальной вакуумно-плазменной элёктротсхнологической установке. Основные выводы работы проверялись на опытно-промышленной плазменной установке, созданной на базе электропечи ДДВ-2.5В-0,6 на Ульбинском металлургическом заводе (г. Усть-Каменогорск). При проведении исследований наряду с применением средств вычислительной техники использовались такие методы, как измерение цветовой температуры при фотоэлектрической системе регистрации, фотографический, метод физико-математического моделирования и теория подобия.
Научная новизна:
показано, что основная роль в эрозионном разрушении полого катода принадлежит катодному распылению. Унос массы за счет катодного , распыления намного превышает лэнгмюровское испарение материала;
получен теплофизическнй критерий различных форм привязки дуги к катоду. Использование данного критерия позволяет ввести следующее разграничение: при Цет/Чт а ' на катоде реализуется диффузная привязка, при qem/Чг >> 1 может существовать только контрагиронанное пятно, где qem - плотность термоэмисгиошюго потока с внутренней поверхности катода, qr - плотность радиационного потока с наружной поверхности;
- в результате исследования внутрнполостных процессов получены
критерии подобия режимов работы полого катода. С помощью этих
критериев проведено обобщение эрозионных, электрических и энерге
тических характеристик вакуумного плазмотрона с полым катодом;
показано, что запуск катода через тлеющий разряд является самым благоприятным для обеспечения наименьшей эрозии катода. В этом случае эрозией катода в пусковом режиме можно пренебречь по сравнению с эрозией в рабочем режиме; установлено, что при запуске катода через микродуговые (искровые) разряды эрозия в 30-40 раз больше, чем в рабочих режимах;
предложена инженерная методика расчета рабочих параметров вакуумного плазмотрона с полым катодом мощностью до 1000 кВт, включающая номограмму для выбора этих параметров.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- на основе комплексного экспериментально-теоретического ис
следования разработана инженерная методика определения рабочих
параметров и геометрических размеров вакуумного плазмотрона с
вольфрамовым и танталовым полыми катодами с использованием
различных плазмообразующих газов (аргон, гелий, азот). С помощью
данной методики произведен расчет опытно-промышленного сильноточ
ного вакуумного плазмотрона;
для промышленных плазмотронов получены оптимальные с точки зрения минимума эрозии соотношения рабочего тока к диаметру полости: lfd = \,bA&A/N - для вольфрамовых катодов, Ijd=\,\\<^AJM -для танталовых катодов;
использование разработанного тенлофизического критерия диффузной привязки дуги к катоду позволило разработать на базе вакуумного разряда с полым катодом новый катодный узел, обеспечивающий нагрев крупногабаритного тигля до высоких температур (2000-2200С);
определена область рабочих параметров вакуумного плазмотрона с полым катодом, при которых обеспечивается безаварийный режим работы и удовлетворительный ресурс работы (500 часов).
На зашиту выносится:
- результаты теоретических и экспериментальных исследова
ний механизма самоподдержания устойчивых режимов работы
полых катодов вакуумного плазмотронов, учитывающие роль мас
сивности катода в формировании и самоиоддержаннн нелинейных
взаимосвязей между рабочими токами и тепловыми полями катодов;
теплофизический критерий различных форм привязки дуги к поверхности катода;
результаты исследования механизма эрозии полых катодов вакуумных плазмотронов, включая анализ экспериментально полученных эрозионных-характеристик полых катодов в пусковых и рабочих режимах;
инженерная методика расчета геометрических размеров и рабочих параметров вакуумного плазмотрона в полым катодом, включающая оценку рабочих режимов на основе теплофизического критерия диффузной привязки дугового разряда к катоду.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме по электрическим контактам ISECTA'93 (г.Алма-Ата, 1993г.), научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Новосибирск, НГТУ, октябрь 1995г.), научно-технических семинарах кафедры "Автоматизированные электротехнологические установки" НГТУ. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 печатных работах.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы из 1-07 наименований. Материал изложен на 173 страницах, 50 рисунках и 3 таблицах.