Введение к работе
Актуальность работы. Электродуговые технологические процессы широко используются в судоремонтной, судостроительной промышленности и занимают ведущее место среди перспективных способов обработки материалов. Повышение производительности и качества электродуговой поверхностной обработки металлов, получение новых материалов и разработка перспективных технологий являются важнейшими задачами, что требует всесторонних и комплексных исследований дугового разряда. Особенно важным при этом представляется изучение влияния газодинамического воздействия на характеристики дуги, так как такое воздействие в значительной степени определяет технологические свойства дугового разряда. Исследования газодинамического и электромагнитного воздействия, как наиболее эффективных форм внешнего воздействия на дугу, позволяют существенно повысить параметры напряженности электрического поля дуги и управлять размерами характерных зон. Это, соответственно, определяет эффективность электродуговых устройств и расширяет технологические возможности электродуговых процессов. В настоящее время нет достаточного количества экспериментальных данных о возможностях и методах газодинамического воздействия на широко распространенную в практике современного судостроительного производства открытую короткую дугу, что определяет актуальность выполненных исследований. Работа выполнялась в соответствии с плановой тематикой Института химии ДВО РАН (номера государственной регистрации тем: 01.86.0112872,01.91.0053613,01.96.0010350).
Целью настоящей работы является разработка теории и методов эффективного управления электрической дугой в аппаратах для технологических процессов обработки металлов, получения новых веществ и интенсификации сжигания топлива.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие научно - технические задачи:
исследовать влияние турбулентности газового потока различной ин
тенсивности на свойства электрической дуги;
изучить воздействие интенсивного локального обдува открытой дуги
на её свойства;- -.
разработать теоретические основы управления тепловым слоем дугового
разряда на засопловом участке электродуговых устройств;
разработать методику измерения расхода газа при управлении тепловым слоем дуги;
установить зависимость устойчивости дугового разряда от воздействия внешнего магнитного поля;
исследовать технологические параметры электродуговых устройств,
обеспечивающих стабилизацию дуги высокоскоростными сходящимися по
токами газа при резке металлов, при получении новых веществ и плазменном
сжигании топлива;,
исследовать технологические особенности плазменно-механической обра
ботки и поверхностной термической обработки судовых валов электродуго
выми методами с управляемым тепловым слоем дуги.
Научная новизна работы:
экспериментальные исследования влияния искусственной турбулент
ности, создаваемой шестью видами турбулизаторов, на свойства электриче
ской дуги позволили впервые показать, что напряжение,короткой открытой
дуги может изменяться на 40% в зависимости от вида турбулизатора и силы
тока дуги; . ; ...
экспериментальные исследования воздействия высокоскоростных схо
дящихся потоков на короткую открытую дугу позволили впервые-показать',
что область подъема напряженности в районе схождения струй обусловлена
сужением столба дуги, с повышением осевой температуры;
выяснена полная картина распределения напряженности по длине дуги, включая области её подъема, обусловленные как воздействием сходящихся струй, так и развивающейся турбулентностью потока;
построена газодинамическая схема течения в области сжатия столба дуги, косвенно подтвержденная визуальными наблюдениями;
впервые представлена теория специального газодинамического управления тепловым слоем дуги на засопловом участке дугового устройства и теория измерения расхода газа при таком управлении;
впервые установлены области устойчивого горения дуги при воздействии внешнего магнитного поля в зависимости от формы катода и напряженности магнитного поля;
впервые показано наличие закалочных структур в поверхностных слоях массивных валов из низкоуглеродистых сталей после обработки их устройством с управляемым тепловым слоем;
впервые, на базе проведенных исследований, разработан комплекс плаз-менно-дуговых устройств, обеспечивающих розжиг и стабилизацию горения пылеугольных смесей и водо-угольных суспензий;
впервые доказана возможность получения фторсодержащих соединений из Приморского флюорита электродуговым пиролизом для производства пигментов, применяемых в судостроении и судоремонте в качестве основных компонентов защитных покрытий;
предложена технология направленного восстановления поликристаллического кремния для электронной промышленности на основе диоксида кремния;
построена математическая модель для оптимизации режимов резки метал
лов дугой с интенсивным локальным обдувом.
Практическая ценность работы. Полученные научные результаты легли в основу разработок высокоэффективных электродуговых устройств различного назначения и перспективных технологий комплексной переработки мине-
рального сырья Дальнего Востока для судоремонта. Построенные математические модели используются для расчета и выбора режимов при электродуговой поверхностной обработке металлов. Разработанные на основании данных исследований электродуговые устройства применяются в технологических процессах на судоремонтных и судостроительных предприятиях. За внедрение способа дуговой обработки при постройке атомохода «Арктика» в составе авторского коллектива, награжден премией и знаком «Изобретатель СССР». Работа авторов Достовалов В.А., Петросьянц В.В. «Установка плазменного розжига» на конкурсе «Лучшие изобретения Приморья — 2000» заняла первое место и внедряется на ТЭС «Дальэнерго». Это подтверждается соответствующими актами о внедрении результатов работы. Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты экспериментального исследования короткой открытой дуги при взаимодействии с газовыми потоками различной начальной турбулентности.
Результаты экспериментального исследования короткой открытой дуги при взаимодействии со сходящимися высокоскоростными потоками газа.
Теория газодинамического управления тепловым слоем дуги на засопло-вом участке специального дугового устройства.
4.Теория измерения расхода газа при управлении тепловым слоем. 5.3акономерности устойчивого горения дугового разряда в устройстве для розжига углеводородного топлива при воздействии внешнего магнитного поля.
б.Результаты экспериментального исследования и модельного анализа процессов поверхностной резки металлов электрической дугой, стабилизированной высокоскоростными потоками газа,' сходящимися на начальном участке. 7.Результаты экспериментального исследования плазменно-механическои и термической обработки массивных валов дуговым устройством с управляемым тепловым слоем.
5 8.Технология и оборудование плазменно-дугового получения материалов из минерального сырья Дальнего Востока для судоремонтной и судостроительной промышленности.
9.Технология и оборудование плазменно-дугового розжига и стабилизации
горения углеводородного топлива на энергетических установках ТЭС и су
доремонтных предприятиях. .-..
Ю.Принципы направленного восстановления поликристаллического кремния для электронной промышленности на основе диоксида кремния.
Личный вклад автора. Диссертация является итогом многолетних исследований, проведенных на кафедре сварочного производства ДВГТУ, в Институте теплофизики СО АН СССР, Институте сверхтвердых материалов АН УССР, Институте химии ДВО РАН. В работе использованы некоторые результаты кандидатской диссертации Достовалова В.А., а также результаты исследований Гордиенко П.С. в области микродугового оксидирования, выполненных при непосредственном участии автора.
Автор выражает искреннюю признательность коллективу Института химии ДВО РАН за содействие в выполнении настоящей работы и лично профессору Гордиенко П.С. и профессору Урюкову Б.А. ( ИПМ НАНУ г.Киев ) за поддержку и критический анализ результатов исследований. Апробация работы; Материалы диссертации докладывались на юбилейной ХХУ научно-технической конференции по сварке и технологии судостроения (Владивосток, 1976), на ХХ1У научно-технической конференции по сварке (Владивосток, 1977), на VII Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (Алма-Ата, 1977), на Всесоюзной конференции, посвященной 50-летию подготовки инженеров-сварщиков (Владивосток; 1980), на VIII Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (Новосибирск,11980), на X Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (Каунас, 1986), на XI Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (Новосибирск, 1989), на конферен-
ции по технологии упрочнения металлов (Шеньян, КНР 1991), на конференции по перспективным источникам нагрева (Ухань, КНР 1992), на первом международном студенческом форуме стран АТР (Владивосток, 1995), на конференции по высоким технологиям (Ниигата, Япония 1996), на международном симпозиуме «Сознание и наука» (Владивосток, 1999), на первом международном конгрессе по новейшим технологиям (Владивосток, 2000), на научно- практической конференции по энергетике Приморья (Владивосток, 2000).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 33 научных работах, в том числе в монографии, 4 авторских свидетельствах и патентах. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Она изложена на 370 страницах машинописного текста, содержит 154 рисунка, 7 таблиц. Список литературы включает 287 наименований.
