Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. 7
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. 28
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ГАФНИЕВОМ КАТОДЕ ПРИ ГОРЕНИИ ДУГИ В КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩИХ ПЛАЗМ0-ОБРАЗУЩИХ СРЕЩАХ. 3.1. Цель и предмет исследования. 42
3.2. Исследование агрегатного состояния материала гафниевого катода плазмотрона в момент горения дуги методом танталовых свидетелей.
3.3. Исследование состава и структуры материала в рабочей зоне гафниевого катода. 48
3.4. Исследование взаимодействия жидкого расплава с твердым гафнием на катоде. 62
3.5. Исследование влияния катодных процессов на состав расплава на гафниевом электроде. 69
3.6. Выводы. у 80
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭРОЗИИ ГАФНИЕВОГО КАТОДА ПРИ ГОРЕНИИ ДУГИ В МСЛОРОДОСОДЕРЖАЩЕЙ ШГАЗМООБРАЗШЦЕЙ СРЕДЕ. 82
5. РАЗРАБОТКА КАТОДА ДЛЯ РАБОТЫ В СРЕДЕ КИСЛОРОДА. 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ИЗ
ЛИТЕРАІУРА 115
ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение к работе
Плазменная обработка является одним из наиболее прогрессивных технологических процессов. Широкое использование плазменной технологии предусмотрено "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981-85 гг." Наиболее важное значение для промышленности имеют плазменные способы обработки в кислородосодержащих средах. Применение таких сред позволяет добиться высокого коэффициента полезного действия преобразования электрической энергии в тепловую и передачи её обрабатываемому изделию, а также использовать тепло экзотермических реакций окисления обрабатываемого металла и, в конечном счете, получить высокую производительность процесса. Возможность применения кислородосодержащих шгазмообра-зующих смесей регламентируется стойкостью электрода. Так широко употребляемый в плазменном оборудовании вольфрамовый электрод при наличии в смеси кислорода имеет крайне низкую стойкость, обусловленную низкой термической устойчивостью его окислов.
Новые возможности применения кислородосодержащих смесей появились в связи с созданием термохимических катодов. Разработка таких катодов основана на образовании на их поверхности термически устойчивых соединений, обладающих высокими эмиссионными свойствами.
К моменту постановки настоящей работы в промышленности на основе использования термохимических катодов с циркониевыми и гафниевыми вставками начала применяться воздушно-плазменная резка. Однако, в ряде случаев её применение породило новую проблему, связанную с тем, что при двухсторонней автоматической сварке под слоем флюса заготовок из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, вырезанных воздушно-плазменной резкой, в сварных швах возникают поры и свищи. Было установлено, что использование кислорода в качестве плазмообразующего газа является одним из путей, предотвращающих порообразование. В то же время выпускаемые промышленностью для воздушно-плазменной резки циркониевые и гафниевые катоды при работе в кислороде имели недостаточный для промышленного использования ресурс.
Целью настоящего исследования явилась разработка катода для работы в среде кисдорода.
Кинетические исследования эрозии показали, что циркониевые катоды при работе в кислороде тлеют высокую равномерную скорость эрозии, что послужило основанием исключить их из рассмотрения при разработке нового катода. Гафниевые катоды при работе в кислороде имеют более высокий ресурс, однако он весь реализуется при использовании только 1/5 части гафниевой вставки. При дальнейшей работе катода происходит резкая интенсификация эрозии. В то же время при работе на воздухе ресурс гафниевого катода реализуется равномерно на всей глубине вставки.
Задача создания катода для работы в кислороде могла бы быть решена путем использования гафниевого катода, если бы удалось предотвратить его переход в режим интенсивной эрозии. Совершенно очевидно, что ключом к решению этой проблемы является понимание различия в характере эрозии гафниевого катода в кислороде и воздухе.
На основании существующих представлений о процессах, протекающих на термохимических катодах, ответить на этот вопрос было нельзя. Поэтому было принято решение перед непосредственно разработкой катода исследовать:
- структуру и состав материала в рабочей зоне гафниевого катода при горении дуги в различных кислородосодержащих средах;
- влияние различных факторов на переход гафниевого катода в режим интенсивной эрозии.
В работе предложена методика определения границы расплава на катоде с помощью танталовых свидетелей. Установлено, что при горении дуги в кислородосодержащей среде на гафниевом катоде существует расплав продуктов взаимодействия гафния с химически активными компонентами среды. Показано, что наблюдаемые после выключения дуги структура и распределение компонентов в расплаве на гафниевом катоде являются результатом кристаллизации и не соответствуют тем, которые существуют во время горения дуги. Для случая работы катода в кислороде и смесях Дґ+ О с помощью рещения обратной диффузионной задачи впервые показано, что при горении дуги на границе с твердым гафнием расплав имеет такой состав, температура плавления которого не превышает температуры плавления металлического гафния.
Впервые обнаружено, что при горении дуги в кислородосодержащей среде окисление материала гафниевого электрода кислородом в установившемся режиме в анодной и катодной областях существенно различается. На аноде продуктом окисления является окисел, по составу близкий к стехиометричекому. На катоде материал существенно недоокислен.
Показано, что при горении дуги в кислороде более высокая окисленность материала вне катодного пятна, чем в пятне, является причиной повышенной подвшшости катодной области. При горении дуги в воздухе наличие азота в расплаве является фактором, стабилизирующим катодное пятно в центре расплава.
Выявлено отличие в характере эрозии гафниевого катода при горении дуги в воздухе и кислороде. Кинетическая зависимость в воздухе линейна. Более высокая подвижность катодной области дуги, горящей в кислороде, способствует переброске катодного пятна с гафниевой вставки на медный держатель.
Показана принципиальная возможность повышения ресурса работы гафниевого катода в кислороде путем введения прокладки между вставкой и держателем. Установлена связь между термической устойчивостью окисла материала прокладки и ресурсом катода.
Разработан катод плазмотрона для работы в кислороде, в котором между гафниевой вставкой и медным держателем помещена алюминиевая прокладка. Катод нашел широкое применение в установках для плазменной резки с программным управлением, в которых в качестве плазмообразующего газа используется кислород.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- при горении дуги в кислородосодержащей среде материал в рабочей зоне гафниевого катода плазмотрона находится в жидком состоянии;
- при горении дуги в кислородосодержащей среде в установившемся режиме продуктом взаимодействия материала электрода с кислородом на аноде является окисел, по составу близкий к стехиометрическому; на катоде материал существенно недоокислен;
- функционирование гафниевого катода в кислороде в отличие от воздуха характеривуется более высокой подвижностью катодного пятна;
- при работе гафниевого катода в кислороде вследствие высокой подвижности катодного пятна по мере эрозии происходит переброска последнего с вставки на медный держатель;
- показана принципиальная возможность предотвращения переброски катодного пятна дуги, горящей в кислороде, с гафниевой вставки на медный держатель путем введения между ними прокладки из материала, окислы которого обладают высокой термической устойчивостью.
