Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи 14
1.1. Дуговые плазмотроны 14
1.2. Эрозия термоэмиссионных катодов 20
1.3. Особенности эрозии медных и вольфрамовых анодов 24
1.4. Выводы и постановка задачи 28
Глава 2. Исследование плазмотрона для сварки стальных и медных труб 30
2.1. Обжатая дуга ; 30
2.2. Разработка микроплазмотрона для сварки труб 34
2.3. Расчет стержневого вольфрамового катода 41
2.4. Особенности эксплуатации плазмотрона на установке для сварки труб в длительном режиме 49
Выводы 56
Глава 3. Разработка и исследование вольфрамового анода для сварки изделий на обратной полярности 57
3.1. Сварка металлов, имеющих плотную поверхностную окисную пленку 57
3.2. Исследование микроплазмотрона обратной полярности 59
3.3. Исследования эрозии составного вольфрам-медного анода 68
3.4. Физическая модель и расчёт электрода - анода 72
Выводы 77
Глава 4. Исследование плазмотрона для воздушно - плазменной резки металлов 78
4.1. Плазмотрон для резки металлов 78
4.2. Термоэмиссионные катоды 81
4.3. Исследование термохимического катода с одиночной вставкой 83
4.4. Разработка и исследование термохимического катода с 4-мя гафниевыми вставками 91
Выводы 94
Глава 5. Плазменный розжиг и стабилизация горения угля 95
5.1. Плазменное воспламенение угля 95
5.2. Система плазменного воспламенения угля теплофикационного котла КВТК-100/150 ...101
5.3. Разработка двухкамерного плазмотрона прямой полярности 104
5.4. Исследование эрозии электродов двухкамерного плазмотрона обратной полярности 108
Выводы 119
Заключение 121
Литература 123
- Эрозия термоэмиссионных катодов
- Разработка микроплазмотрона для сварки труб
- Исследование микроплазмотрона обратной полярности
- Исследование термохимического катода с одиночной вставкой
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В современном обществе интенсификация
промышленного производства во многом определяется новыми
высокоэффективными электротехнологиями. К их числу относятся
плазменные процессы в химической, металлургической,
машиностроительной и других областях производства. Источниками высокотемпературных потоков в силу простоты оборудования и возможности автоматизации технологических процессов являются электродуговые нагреватели газов (плазмотроны). Плазмотроны во многих случаях являются наиболее ответственными узлами электротехнологических установок. Часто именно от них зависит не только эффективность использования электроэнергии, но и производительность установок в целом, и качество конечных продуктов. Спектр применения плазмотронов достаточно широк: нанесение износостойких, антикоррозионных и иных покрытий, резка и сварка металлов, переработка токсичных отходов и т.д. В последнее десятилетие началось использование плазмотронов для плазменного розжига и подсветки пылеугольных котлов ТЭС.
С применением электродуговой низкотемпературной плазмы открываются широкие возможности замены существующих многостадийных процессов одностадийными, упрощается задача создания установок замкнутого цикла, что важно для решения одной из современных задач - защиты окружающей среды.
Дальнейшее расширение области применения низкотемпературной плазмы и повышения эффективности использования электродуговых плазмотронов будет определяться, главным образом, успехами в разработке надежных и простых в обслуживании плазмотронов с высоким
ресурсом работы электродов. Решение этой задачи в значительной мере связанно с выяснением таких вопросов, как:
а) тепловое воздействие приэлектродных участков дуги на эрозию
электродов;
б) влияние температурного состояния стержневого вольфрамового
катода на выход окиси лантана, лимитирующего ресурс электрода;
в) разработка и исследование электродов новых конструкций;
г) влияние скорости перемещения дугового пятна на эрозию
цилиндрических анодов;
д) поиск методов повышения устойчивости горения дугового разряда,
общего КПД плазмотрона и многих других проблем.
Перечисленные проблемы представляют не только большой научный интерес, но и практический. Их решение может оказать значительное влияние на разработку эффективных технологических плазмотронов. Одной из актуальных в настоящее время проблем является взаимодействие электрической дуги с твердыми поверхностями, в особенности в области опорных пятен дуги. Этот процесс определяет одну из основных характеристик плазмотрона-удельную эрозию электродов, и в конечном счете его ресурс непрерывной работы. Контрактация (сужение) столба дуги вблизи металлических охлаждаемых электродов определяет высокую плотность тока и, следовательно, большую плотность теплового потока в электрод в зоне привязки дуги. Плотность теплового потока достигает 109 Вт/м2 и более. Поэтому даже при интенсивном охлаждении электродов их эрозия высока. В настоящее время снижение удельной эрозии идет по нескольким путям:
а) используются тугоплавкие металлы, например, вольфрам;
б) вольфрам насыщают присадками, снижающими работу выхода
электронов;
в) опорное пятно дуги быстро «перемещается» по поверхности металла
за счет действия, аэродинамических и электродинамических сил на
радиальные участки дуги;
г) расщепление радиального участка дуги на несколько
токопроводящих каналов;
д) применение плазменного катода и т.д.
Применение таких тугоплавких металлов как вольфрам предъявляет определенные требования к рабочей среде - она должна быть инертной по отношению к материалу электрода. В противном случае его надо защищать от окисления инертными газами. Кроме того, следует учитывать, что по мере выхода присадок из вольфрама возрастает работа выхода электронов и его эрозия.
В случае «перемещения» пятна дуги по поверхности электрода величина удельной эрозии зависит от его скорости, т.е. от аэродинамических процессов в разрядной камере плазмотрона, а также от топологии и величины внешних магнитных полей. Вышеназванные факторы определяют также устойчивость горения дугового разряда, теплового КПД плазмотрона и другие локальные и интегральные характеристики.
Взаимная связь вышеперечисленных проблем требует комплексного решения при создании надежных плазменных устройств. Несмотря на обширные исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, решение этих проблем далеко от завершения. Особенно недостаточно исследованы температурные состояния электродов, определяющие тип привязки опорного пятна дуги к электроду (дуга со стационарным пятном, без пятна и с нестационарными быстро перемещающимися пятнами). Недостаточно сведений о тепловых потоках через пятна дуги, а также о влиянии аэродинамики потока на эрозию медных
цилиндрических анодов. По-прежнему актуальными остаются вопросы создания высокоресурсных сварочных плазмотронов.
НАУЧНАЯ АКТУАЛЬНОСТЬ И ПРАКТИЧЕСКАЯ
ЗНАЧИМОСТЬ определили задачи данной диссертации:
Поиск оптимального температурного состояния стержневого вольфрамового катода, обеспечивающего его максимальный ресурс;
Разработка и исследование составного вольфрам-медного анода для сварки изделий на обратной полярности;
Исследование эрозии термохимического катода;
Разработка систем плазменного воспламенения угля и совершенствование плазмотронов для розжига теплофикационных котлов.
Работа выполнялась в лаборатории электротехнологий Института теплофизики СО РАН в рамках программы «Сибирь» (раздел «Новые материалы и технологии»), плана НИР ИТ СО РАН по темам: «Исследование динамики низкотемпературной плазмы» (Гос.рег. 01.9.50 001682) и «Научно-технологические основы создания новых систем промышленной теплоэнергетики и энергосберегающих технологий» (Гос.рег. 01.9.50 001683), а также на кафедре АЭТУ Новосибирского государственного технического университета по плану НИР НГТУ «Физикохимический анализ термодинамических свойств и процессов затвердевания многокомпонентных сплавов» (Гос.рег. 02.9.8001857). Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры АЭТУ НГТУ (г. Новосибирск, 2001,2002, 2003г.г.).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключалась в исследовании и разработке технических плазмотронов, повышении их ресурса и надежности.
НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И НОВИЗНА результатов работы состоит в том, что выполнен комплекс экспериментальных и расчётных
научно-исследовательских работ, обеспечивающих основу повышения ресурса плазмотронов и их надежности.
На основе экспериментальных данных по скорости выхода лантана из стержневого электрода расчетным путем выведена формула для вычисления оптимального тока, при котором обеспечивается максимальный ресурс непрерывной работы стержневого вольфрамового катода. Показано, что температурное состояние катода определяет скорость выхода легирующих присадок и лимитирует ресурс электрода.
Впервые на основе сварки вольфрама с медью разработан составной анод, исследована его эрозия, определены токовые нагрузки и показана его перспективность для сварки алюминиевых труб в автоматическом режиме.
Разработан и исследован термохимический катод с 4-мя гафниевыми вставками. Экспериментально доказана перспективность его применения в плазмотронах для резки металлов и нагрева кислородосодержащих сред.
Исследован процесс эрозии внутреннего электрода - анода двухкамерного плазмотрона и определён критерий, при выполнении которого обеспечивается его максимальный ресурс (>1000 часов).
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы определяется тем, что полученные научные результаты позволили найти новые технические решения и формулы, следуя которым можно обеспечить высокий ресурс плазмотрона.
Предложен и исследован составной медно-вольфрамовый анод для сварки изделий на обратной полярности. Показано, что на базе составных электродов возможно создание сварочных плазмотронов для широкого диапазона токовых нагрузок.
Разработан термохимический катод с несколькими гафниевыми вставками. Ресурс катода, как минимум, в 1,5 раза выше серийно выпускаемых для плазменных резаков типа ПВР.
11 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
Расчетно-экспериментальным путём выведена формула для определения оптимального тока, при котором обеспечивается максимальный ресурс непрерывной работы стержневых вольфрамовых катодов различного диаметра. Показано, что температурное состояние катода определяется током и диаметром вольфрамового стержня. Оно определяет скорость выхода легирующих присадок из вольфрама и лимитирует ресурс катода.
Для сварочных плазмотронов с обжатой дугой экспериментально определены формулы для расчета оптимальных значений скорости сварки стальных труб, размеров сопла и расхода рабочего газа - аргона в зависимости от величины токовой нагрузки.
На основе сварки вольфрама с медью разработан составной анод и исследована его эрозия, выведена формула для расчета токовых нагрузок, при которых обеспечивается высокий ресурс электрода, и показана его перспективность для сварки металлов с поверхностной окисной пленкой в широком диапазоне токов.
Предложен и исследован термохимический катод с 4-мя гафниевыми вставками. Экспериментальное исследование эрозии предложенного катода показало перспективность его применения в плазмотронах для резки металлов и нагрева кислородосодержащих сред.
В результате проведенных экспериментальных и расчётных исследований разработано несколько плазмотронов: для сварки на прямой полярности, для сварки на обратной полярности, для резки металлов и нагрева воздуха.
Впервые в систему плазменного воспламенения угольной пыли теплофикационного котла введен концентратор, позволяющий не только снизить энергозатраты на розжиг котла, но и повысить надёжность плазменного розжига.
Методологически работа построена на использовании и развитии теоретических положений в области плазменной техники и теплофизики, разработанных научной школой академика М. Ф. Жукова и заведующим кафедрой Автоматизированных систем электротехнологических установок В.С.Чередниченко. В экспериментах использовались специально разработанные устройства и стенды.
ДОСТОВЕРНОСТЬ результатов исследований, основных положений и выводов гарантирована необходимым набором статистики, использованием измерительной техники и приборов.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Работа состоит из: введения с описанием актуальности выбранной темы, научной и практической ценности, пяти глав.
В первой главе описана обзорная часть, в которой содержатся сведения по теме диссертации и определена её задача.
Во второй главе изложены результаты расчетов температурного состояния стержневых катодов от тока. Показано, что температурное состояние катода определяет скорость выхода присадок из вольфрама и лимитирует ресурс электрода. На основе проведенных расчетов и экспериментов получена формула для вычисления оптимального тока, при котором обеспечивается максимальный ресурс стержневого вольфрамового катода. В этой главе также представлены формулы для расчета оптимальных значений скорости сварки стальных труб, размеров сопла и расхода рабочего газа - аргона в зависимости от величины токовой нагрузки сварочных плазмотронов с обжатой дугой.
Третья глава посвящена исследованию составного анода, разработанного на основе сварки вольфрамовых стержней с медными. Исследована его эрозия и выведена формула для расчета токовых нагрузок, при которых обеспечивается высокий ресурс электрода. Экспериментально показано, что
при правильно выбранных геометрических размерах электрода и токовой нагрузки ресурс анода может быть выше, чем катода. На основе составного анода разработаны 2 варианта микроплазмотронов: для сварки в автоматическом режиме и для ручной сварки изделий из металлов с поверхностной окисной пленкой.
В четвертой главе изложены результаты исследований эрозии термохимических катодов, и предложена схема катода с 4-мя гафниевыми вставками. Экспериментально доказана перспективность его применения в плазмотронах для резки металлов и нагрева кислородосодержащих сред. В этой главе также описан плазмотрон для резки металлов, имеющий более высокую надежность, чем серийно выпускаемый резак типа ПВР.
В пятой главе описана система плазменного воспламенения теплофикационного котла, в которой впервые применён концентратор для снижения энергозатрат на розжиг и подсветку котла. В этой главе также приведены результаты исследования эрозии внутреннего электрода - анода и показано, что ресурс двухкамерного плазмотрона при обратной полярности его подключения к источнику питания выше, чем при прямой.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах (24, 32, 45, 46, 51, 52, 54, 55, 57, 58,) и доложены на III и VI Межд. конф. по физике плазмы и плазменным технологиям (г. Минск), на Всерос. науч. конф. по физике низкотемпературной плазмы (г. Петрозаводск), на XXVI Сибирском теплофизическом семинаре (г. Новосибирск), на Межвузовской научной студенческой конференции (г. Новосибирск), на Международном научно -техническом семинаре (г. Томск).
Эрозия термоэмиссионных катодов
Важной проблемой при разработке промышленных плазмотронов является снижение скорости эрозии электродов; только при малом её значении возможно создание плазмотронов с длительным ресурсом работы и малой загрязнённостью высокотемпературного потока газа продуктами разрушения электродов. Этим и объясняется большое внимание к вопросам эрозии и выяснению причин, приводящих к разрушению материала электродов [4,7-13].
В сварочных плазмотронах в основном используются вольфрамовые стержневые катоды, в электродуговых нагревателях газа - торцевые вольфрамовые (см.рис.1.3) или медные цилиндрические (см.рис.1.4), а в плазмотронах для резки металлов - термохимические. Вольфрамовые катоды называют термокатодами, а медные - «холодными». «Холодными» электродами принято называть катоды, изготовленные из металлов с незначительной эмиссией электронов даже, при температуре их плавления. Механизмы разрушения материалов термокатодов и «холодных» электродов существенно различаются, но во всех случаях основной причиной их разрушения является термическое воздействие опорного пятна дуги на металл.
Для характеристики скорости разрушения электродов используется величина удельной эрозии G =Am/IAt, где: Am - унос массы электрода, 1-ток дуги, At - время эксперимента. На рис. 1.5 представлена зависимость удельной эрозии вольфрамового торированного катода от длины стержня [14]. Она показывает, что эрозия катода с увеличением длины стержня возрастает почти на 2 порядка. Авторы связывают это явление с изменением температурного состояния электрода с ростом его длины. Минимальное значение эрозия электрода имеет при длине выступающей части Рис. 1.5. Зависимость удельной эрозии вольфрамового торированного катода от длины стержня. Рабочий газ - аргон, dc= 0,5см, I = 680А вольфрамового стержня Lc=0. Приведенные данные также показывают, что при конструировании сварочных плазмотронов нужно стремиться к минимальной длине выступающего из цанги вольфрамового стержня. При этом, чем короче будет Lc, тем больше ресурс непрерывной работы горелки до смены или перезаточки электрода.
Приводимые в литературе данные по эрозии катодов, как правило, не уточняются характеристиками тока (амплитуда, частота пульсаций). Однако пульсации тока могут оказывать существенное влияние на эрозию катодов. Влияние этих параметров исследовалось в работе [15] на катодах различной геометрии при постоянном значении средней величины тока 1—150А.
Частота пульсаций f= 1200Гц обеспечивалась питанием плазмотрона от генератора постоянного тока, г=300Гц и і=150Гц - за счёт выпрямления переменного тока, г=50Гц - при наложении на постоянную составляющую тока переменного напряжения от однофазного генератора. Опыты показали, что с уменьшением частоты выпрямления и увеличением амплитуды тока эрозия катодов возрастает более чем на порядок. При постоянной частоте несущего тока наложение колебаний от постороннего источника с повышением амплитуды пульсаций тока до ±40% эрозия возрастает на 2 порядка от 5 10 пкг/Кл до 6 10"9кг/Кл.
Видно, что плотность тока очень сильно зависит от потенциала работы выхода электронов. Для чистого вольфрама ф =4,5-4,6В. При таком ф электронный ток эмиссии мал, и температура рабочей поверхности вольфрама превышает Тщ,. Эрозия электрода очень велика. Поэтому чистый вольфрам в плазмотронах не используется. Для снижения работы выхода электронов в вольфрам вводят легирующие присадки, например Ьа20з- Вольфраму с присадками присваивается индекс, например, ВЛ-20. Буква «Л» означает, что в вольфраме содержится 2% окиси лантана в весовых единицах. Вольфрам имеет поликристаллическую структуру, окись лантана располагается в теле вольфрама между кристаллами. При горении дуги окись лантана диффундирует из вольфрама к дуге (в сторону большей температуры). Постепенно вольфрам обедняется активатором, ф увеличивается, растет температура вольфрама под пятном дуги, увеличивается эрозия электрода.
В работе [18] показано, что скорость выхода присадок из стержневого вольфрамового катода зависит от тока и температурного состояния электрода. Однако в тот период, когда выполнялась работа, она не была доведена до логического завершения - не была получена формула, позволяющая рассчитать для каждого диаметра электрода оптимальную величину тока, при которой обеспечивается его максимальный ресурс.
Что касается торцевых вольфрамовых катодов, используемых в дуговых нагревателях газа, то в работе [14] экспериментально показано, что для них существует оптимальный диаметр вольфрамовой вставки ёс=5мм. В работе [15] рекомендуется выбрать значение dc на 10-30% больше размера катодного пятна dn. Дальнейшее увеличение диаметра ведёт к быстрому износу вольфрама и не даёт повышения ресурса электрода.
В плазмотронах небольшой мощности, используемых для нагрева воздуха и других кислородосодержащих сред, а также для плазменной резки металлов, широко используются термохимические составные катоды. Они обеспечивают хотя и приемлемый для практики ресурс плазменных устройств, но задача увеличения длительности их работы остается актуальной. Так, например, ресурс серийно выпускаемого гафниевого катода для плазменной резки при токе 300А не превышает 4-х часов. В работе [19] описан многодуговой сильноточный гафниевый катод. Он имеет стаканообразную форму и небольшие размеры, близкие к серийно выпускаемому торцевому катоду. В нем осуществлено расщепление дуги на несколько дуговых каналов, горящих на несколько гафниевых вставок. Например, при токе 300А дуга расщепляется на 2 дуговых канала и горит на две гафниевые вставки, а всего их 6 штук. Это минимум в 2 раза повышает ресурс катода, что чрезвычайно важно для практики. Недостатком этого катода является необходимость поддерживать определенный расход воздуха, подаваемого в плазмотрон. Изменить расход воздуха более чем на ± 10% нельзя, так как при этом нарушаются условия привязки дуги к вставкам, и медное тело электрода может быстро разрушиться. К настоящему времени на базе катодов с расщеплением дуги разработано два, отличающихся габаритами, сильноточных плазмотрона для резки металлов при токах 300-500А и 500-900А. Для их питания необходимы источники с повышенными напряжением и токовой нагрузкой. Это сдерживает их внедрение в производство. Но в будущем такого типа плазмотроны, несомненно, найдут широкое применение на крупных предприятиях для раскроя нержавеющих сталей и цветных металлов толщиной 50-150мм и более.
Разработка микроплазмотрона для сварки труб
Как уже отмечалось во введении, сжатая дуга формируется специальной горелкой - плазмотроном. На рис 1.2 представлен общий вид наиболее простого по устройству микроплазмотрона, предназначенного для сварки труб в автоматическом режиме. Микроплазмотрон не имеет второго сопла для подачи защитного газа и крепится в фильерном узле сварочной установки. Защитный газ подается в фильерный узел.
Основное влияние на качество свариваемых труб оказывает плазмотрон, его надежная и стабильная работа. Значения тока дуги в процессе сварки не должны отклоняться от номинального более, чем на ± 3%. Основной причиной возникновения крупномасштабных колебаний тока дуги является её шунтирование в промежутках катод - сопло, сопло - изделие (рис.2.3). Шунтирование дуги возникает при неправильном выборе расхода рабочего газа G, диаметра электрода d3 и диаметра сопла dc.
Процесс возникновения и роста, так называемых усов сопровождается периодическим появлением шунтирующего тока (рис.2.3). На рис.2.4,б представлены осциллограммы тока и напряжения сварочной дуги через 6 минут после включения плазмотрона (I = 72A, dc = 1,6мм). Колебания U и I нерегулярные, амплитуда отдельных выбросов по току и напряжению достигает 15%. При этом производится бракованная трубка.
Из многих работ, в частности из [18], известно, что образование «усов» связано с возвратом под действием электрического поля части испарившихся положительно заряженных ионов обратно на электрод. Это явление носит название - рециклинг. Оно проявляется тем сильнее, чем больше ток дуги и чем меньше диаметр электрода. Поэтому для обеспечения качественной сварки и увеличения ресурса непрерывной работы плазмотрона необходим подбор оптимальных значений тока и диаметра электрода.
На практике это означает, что для каждого диапазона толщин свариваемого металла должен быть разработан отдельный плазмотрон с соответствующими параметрами.
Качество микроплазменной сварки очень сильно зависит от соосности электрода с отверстием сопла. В плазмотроне, представленном на рис. 1.2, центровка электрода осуществляется оператором тремя винтами 8, требует много времени и зависит от «человеческого» фактора.
На рис.2.5 представлен общий вид плазмотрона, разработанного в ИТ СО РАН, отличающийся от представленного на рис. 1.2 тем, что электрод в Рис.2.5. Общий вид микроплазмотрона для сварки труб в автоматическом режиме. 1 - катодный корпус; 2 - сопловой корпус; 6 -колпак; 7 - катод; 8 - гайка; 9 - цанга; 10 - пружина; 11 - гайка; 12 - сопло; 13 - изолятор; 14 - штуцер подвода воды; 15 - изолятор
этом плазмотроне «самоцентрируется». Центровка электрода (соосность с отверстием сопла) обеспечена тем, что большая часть электрода со стороны рабочего конца помещена в протяжённую цилиндрическую трубу 1. Труба центрируется в сопловом корпусе 2 (рис.2.5) двумя разнесенными друг от друга изоляторами 5 и 12. Диаметр центрального отверстия на 0,1мм больше, чем диаметр вольфрамового стержня. Расстояние 1у (см.рис.2.2,б) между электродом и соплом регулируется поворотом цангового зажима 8.
Первоначально сварка стальных труб с толщиной стенки 5=0,6мм проводилась при токе « 60А со скоростью 1,5м/мин. Диаметр вольфрамового стержня с1э=2,5мм, диаметр сопла с!с=2мм, длина линейной части сопла 1С= 1,5мм, расстояние от сопла до изделия Н=1,1мм, расход аргона GAr=0 015r/c. В дальнейшем скорость сварки постепенно повышалась, соответственно повышался и ток дуги. К настоящему времени скорость сварки возросла до 4,9м/мин (рис.2.6), ток сварки повысился до 180-190А. С повышением тока увеличились и диаметр электрода до 3,2мм, и диаметр сопла до 3,0мм. Расширился и диапазон толщин стенок труб (см.табл.1). U, м/мин О 80 120 160 I, А
Зависимость скорости сварки трубы из аустенитной стали от тока. Толщина стенки труб 5 = 0,6 - 0,7мм Переход к сварке труб другой толщины для обеспечения максимальной производительности стана требует его переналадки. Скорость протяжки ленты в стане регулируется дискретно, поэтому необходимо заранее знать: каковы должны быть ток и скорость сварки, основные размеры сопла и электрода. При анализе экспериментальных и литературных [1] данных, накопленных за длительное время («Юлет), выведены формулы, позволяющие рассчитать все основные параметры процесса сварки в автоматическом режиме.
В работе [18] приведены результаты исследования скорости обеднения вольфрамового стержня присадками и длительности работы электрода от тока, диаметра электрода и других параметров. В данной работе автор показывает, что чрезмерное увеличение тока для заданного диаметра электрода ведёт к повышенному износу катода. Величина удельной эрозии быстро увеличивается с ростом тока. То же самое происходит и при малых токах. В связи с этим возникает задача определения оптимального тока для каждого диаметра электрода.
Исследование микроплазмотрона обратной полярности
В Институте теплофизики СО РАН разработан способ сварки вольфрамовых стержней с медными, обеспечивающий надежный контакт и достаточную механическую прочность. Это позволяет изготавливать составные медно-вольфрамовые аноды (рис.3.1,с) [31,32], имеющие меньшие поперечные размеры, удовлетворительное охлаждение вольфрама и более обтекаемую форму, чем у паяных анодов (рис.3.1,6). Такие электроды могут найти широкое применение в сварочных плазмотронах.
Снимок показывает, что вольфрам внедрился в медь в расплавленном состоянии, и при остывании его кристаллизация произошла перпендикулярно зоны контакта. Ширина сварного шва (зона взаимного проникновения металлов) ЮОмкм. Ширина продольных трещин и пор на порядок меньше ( 10мкм). Согласно [33] при таких размерах пор обеспечиваются высокие электропроводность и теплопроводность, достаточные для реального использования электродов в электроду го вых устройствах различного назначения. Практическая проверка электродов проводилась на трех малогабаритных плазмотронах: двух сварочных и одном металлургическом. По конструкции они однотипны и отличаются только внешним видом. Плазмотрон для ручной сварки имеет ручку и дополнительное сопло для подачи защитного газа, а металлургический имеет защитную водоохлаждаемую рубашку.
На рис.3.3 представлен общий вид микроплазмотрона с обжатой дугой. Плазмотрон разработан для сварки тонкостенных алюминиевых труб с толщиной стенки 5 0,5мм в автоматическом режиме. Верхний электрод служит анодом, изделие - катодом; рабочий газ - аргон или смесь аргона с гелием (0,9Ar + 0,1 Не). Данный плазмотрон не имеет дополнительного сопла для подачи защитного газа, так как сварка трубы происходит в фильерном узле (рис.2.14), в который также подаётся аргон.
Плазмотрон состоит из двух основных узлов: анодного корпуса І, в который вкручивается анод 1, и соплового корпуса И, на который накручивается сопло 2. Соединение обоих узлов плазмотрона осуществляется гайкой 3 через изолятор 4. Плазмотрон охлаждается водой. Холодная вода поступает вначале через штуцер 5 в анодный узел, а затем в сопловой. Рабочий газ поступает в плазмотрон через штуцер 7 и далее через отверстия изолятора 8 в сопло 2. Изолятор 8 обеспечивает также центровку электрода по оси отверстия сопла. Прокладка 9 служит для регулировки зазора между анодом и соплом. Зазор составляет 0,6-0,8мм. Токоподвод к аноду осуществляется через клемму 10. Провод поджига дуги подсоединяется к газовому штуцеру 7. Изолятор 11 служит промежуточным звеном при креплении плазмотрона в фильерном узле (рис.2.14) сварочного стана.
Как далее будет показано, составной электрод может успешно служить не только анодом, но и катодом. Поэтому представленный на рис.3.3 плазмотрон может после смены полярности подключения электродов на одном и том же стане использоваться не только для сварки алюминиевых труб, а также стальных и медных. Использование такого плазмотрона делает установку для сварки труб универсальной, что очень важно для практики, особенно в мелкосерийном производстве.
Вольт - амперные характеристики дуги данного плазмотрона как при прямой полярности подключения электродов, так и при обратной - слабо падающие. Они отличаются только тем, что напряжение на дуге при обратной полярности на 3-4 В выше, чем при прямой, что позволяет использовать один и тот же источник питания для сварки широкого круга металлов, в том числе и с оксидной плёнкой.
Работоспособность плазмотрона (ресурс его непрерывной работы) и качество сварки зависят от многих факторов: тока дуги, диаметра отверстия сопла, расхода аргона, размеров электрода, расстояния между соплом и изделием. На рис.3.4 представлены зависимости тепловых потоков в анод и сопло от тока дуги. Кривая 1 показывает, что вольтов эквивалент анодного падения потенциала U3 даже при малых токах не зависит от величины тока и составляет « 6,15 В, что совпадает с литературными данными [4].
В экспериментах использовались остро заточенные под разными углами электроды. Рабочий газ - аргон. Установлено, что, с течением времени, заостренный конец электрода принимает форму полусферы, переходящей в конус. Размер поверхности полусферы увеличивается с ростом тока. Зная ток и измеряя площадь шаровидной поверхности, можно оценить плотность тока J«(K3) 10 А/см .
Исследование термохимического катода с одиночной вставкой
Термохимический катод по существу является термокатодом, и свое название получил в связи с тем, что в воздухе высокотемпературная поверхность циркониевой (гафниевой) вставки химически взаимодействует с азотом и кислородом, образуя оксонитридную пленку, обладающую хорошими эмиссионными свойствами, электропроводностью и термостойкостью [37, 38, 39]. Образовавшаяся пленка надежно защищает циркониевую (гафниевую) вставку от дальнейшего окисления, что, собственно, и обеспечивает работоспособность катода в воздушной среде.
На рис.4.3 приведены экспериментальные зависимости тепловых потоков в катод от тока. Как следует из уравнения (4.2), тепловые потоки пропорциональны току. Численное отличие кривых связано с тем, что измерения тепловых потоков проводились в разных условиях. Кривая 1 получена на плазмотроне линейной схемы (рис.4.4,б), кривая 2 - на плазменном резаке типа ПВР (рис.4.4,а), а кривая 3 в эксперименте со свободно горящей дугой [40]. Диаметр сопла резака равен 3,6мм, а диаметр дугового канала в плазмотроне - 11мм, что существенно больше, чем в резаке. Давление в плазмотроне слабо зависело от тока и не превышало 0,3 ати, а в резаке при токе 320А составляло 0,5ати. Учитывая, что измерения тепловых потоков проводились при одинаковых расходах охлаждающей воды и от одного источника питания, имеющееся численное различие можно объяснить различием давлений. Рост давления вызывает повышение катодного падения потенциала UK и излучения дуги, что ведёт к увеличению теплового потока QK в катод (см. уравнение 4.2). Следует отметить, что, по мере увеличения глубины 8 выработки электрода, тепловой поток QK увеличивается. Для примера на рис.4.3 отмечены значения QK через 1, 2, 3 часов работы Hf-катода при токе 275А (крестики 5-7). Поэтому измерения тепловых потоков проводились в течение 10-15 минут на новых электродах, когда 5 не превышала 0,5мм. Схемы плазмотронов: а) для воздушно-плазменной резки металлов; Ь) для нагрева кислородсодержащих сред воды периодический контроль перепада температуры на входе и выходе позволяет определить ближайший отрезок времени, когда электрод выйдет из строя.
Электроды плазменных резаков типа ПВР с гафниевыми вставками сік=2мм выходят из строя при глубине выработки 5«2,5мм. При этом дуга переходит с гафниевой вставки на медь, медь попадает на гафний и электрод спонтанно (« в течение одной минуты) разрушается, вызывая при этом шунтирование дуги катод - сопло - изделие. Ток дуги резко возрастает, сопло выходит из строя.
Ранее упоминалось, что на работоспособность электрода влияет интенсивность его охлаждения, так как от неё зависит температура гафниевой (циркониевой) вставки и скорость её испарения. Эксперименты показали, что в отечественных резаках типа ПВР каналы отвода и подвода охлаждающей воды имеют недостаточные сечения, что вызывает перегрев электрода и его повышенный износ. Увеличение проходных сечений в 1,5 раза повысило срок службы электродов почти в два раза. Эксперименты проводились на заготовительном участке механической мастерской в Институте теплофизики СО РАН. Ресурс электрода возрос не только за счёт снижения эрозии электрода, но и за счёт более полного использования гафниевой вставки. С увеличением количества проточной воды электроды стали выходить из строя при глубине выработки 5«3мм.
Большое влияние на работоспособность электрода оказывает диаметр гафниевой (циркониевой) вставки. В работе [39] показано, что оптимальный диаметр вставки из обоих металлов при токе 300А составляет с!к=2,5мм. Анализ литературных данных [37-44] и результатов наших экспериментов показал, что при токах до 80А целесообразно использовать термовставки диаметром сік=1,6мм; при 80А Ід 200А - с!к=2мм; при 200А 1д ЗООА с1к=2,5мм; при ЗООА 1Д 400А - di MM. Это связано с двумя факторами:
Во-первых, у гафниевых и циркониевых вставок низкая теплопроводность (при 1000К теплопроводность нг20,7Вт/мК, Х.Г-24Вт/мК), и тепло от дугового пятна отводится в медную обойму в основном через узкий поясок боковой стенки вставки, а не через её тело. Поэтому, в случае, когда диаметр пятна дуги на вставке меньше её диаметра, из-за её плохой теплопроводности гафний под пятном дуги нагревается до температуры большей, чем это необходимо для обеспечения электронного тока (см. уравнение 4.1), что вызывает повышенную эрозию электрода. Именно по этой причине невозможна длительная работа катода, изготовленного целиком из гафния или циркония.
Вторым фактором повышения эрозии является увеличение плотности тока и температуры гафния под пятном дуги (см. уравнение (4.1)). Это происходит в условиях, когда диаметр вставки не соответствует рекомендуемой токовой нагрузке. Например, катод с диаметром вставки dK=2MM используется при токе свыше 200А. Уже при токе 200А (экспериментальный факт) диаметр дугового пятна (следы оплавления) равен диаметру вставки. Далее с увеличением тока площадь пятна не увеличивается, но из-за этого растёт плотность тока, соответственно (см. уравнение (4.1)) увеличивается температура рабочей вставки, что, собственно, и ведет к повышенному износу электрода.
Похожие диссертации на Разработка и исследование электродуговых плазмотронов с длительным ресурсом работы для электротехнологий плазменного воспламенения угля, резки и сварки металлов
