Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электротехнология

Диссертационная работа:

Зверев Сергей Геннадьевич. Разработка и исследование высокочастотной плазменной установки для обработки тугоплавких дисперсных материалов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.09.10.- Санкт-Петербург, 2002.- 239 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/1436-9

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

1. Обзор оборудования высокочастотных плазменных установок для обработки
мелких дисперсных порошков 11

  1. Плазменные установки и плазмотроны 11

  2. Порошковые питатели 23

  3. Источники питания 27

  4. Промышленные ВЧИ плазменные установки 31

  5. Варианты высокочастотных индукционных плазменных установок для получения сфероидизированных порошков различных материалов 40

  1. Высокочастотная плазменная установка для получения дисперсного плавленного кварца (горизонтальная плазменная струя) 40

  2. Высокочастотная плазменная установка для получения плавленных дисперсных порошков электротехнического периклаза (вертикальная плазменная струя) 43

  3. ВЧИ-установка для получения плавленных сфероидных ультрадисперсных порошков диоксида кремния 46

2. Описание экспериментальных плазменных установок и проведенных
экспериментов 49

  1. Применение высокочастотной индукционной плазмы 49

  2. Особенности технологического процесса сфероидизации порошкового материала 66

  3. Описание экспериментальных установок для обработки дисперсных материалов в ВЧИ-плазмотроне 70

3. Расчет параметров ВЧИ~плазмы 87
3.1. Система уравнений, описывающих поведение плазмы 87

  1. Электромагнитные уравнения 8 8

  2. Уравнение баланса энергии 92

  3. Уравнение неразрывности 94

  4. Уравнение движения 94

  5. Граничные условия 96

  6. Основные положения метода контрольного объема 100

  7. Расчетная сетка 102

  8. Дискретные аналоги уравнений, описывающих поведение плазмы 105

  9. Алгоритм решения 117

  10. Исходные данные для расчета. Результаты расчета 121

4. Расчет динамики движения и нагревания мелкодисперсных тугоплавких
частиц в плазменной струе 136

  1. Методика расчета движения частицы в плазме 140

  2. Методика расчета нагревания частицы в плазме 144

  1. Стадии нагрева частицы в плазме и механизмы передачи энергии 144

  2. Физические процессы, связанные с потерями массы 149

  1. Результаты расчета движения и нагревания частицы дисперсного материала в плазменной струе 153

  2. Плазменная струя, загруженная большим количеством мелкодисперсных частиц 168

  1. Анализ критериальных формул теплообмена сферических тел в высокотемпературных и плазменных потоках 179

  2. Экспериментальная часть 207

  1. Определение скорости движения мелкодисперсных тугоплавких частиц в факеле плазменной струи 209

  2. Исследование энергетических характеристик плазменных установок 212

  3. Измерение температуры плазмы 217

  4. Определение максимальной степени загрузки плазмы мелкодисперсными частицами 222

Заключение 225

Список литературы 228

Введение к работе:

В последние годы плазменные процессы получают все более широкое применение в различных отраслях промышленности. К ним предъявляются определенные требования, направленные на повышение эффективности производства, постоянное совершенствование и обновление на основе последних достижений науки и техники.

Все большее значение начинают приобретать технологические процессы и установки, основанные на применении низкотемпературной плазмы. Необычайно широкие возможности практического применения низкотемпературной плазмы з технологических процессах объясняются ее свойствами как теплоносителя с высокой концентрацией энергии. С помощью низкотемпературной плазмы сейчас успешно решаются такие технологические задачи как резка металлов, напыление жаростойких покрытий, наплавка, сфероидизация различных мелкодисперсных порошковых материалов, специальная термическая обработка поверхности строительных материалов. Таким образом, в настоящее время определился ряд направлений использования низкотемпературной плазмы в технике.

Для получения низкотемпературной плазмы используют различные виды электрических разрядов: дуговой, высокочастотный индукционный (ВЧИ), высокочастотный емкостной (ВЧЕ), сверхвысокочастотный (СВЧ). Наиболее исследованными и широко распространенными в промышленности в настоящее время являются дуговые и ВЧ-плазмотроны [1-5].

Дуговые плазмотроны не во всех случаях обеспечивают необходимые параметры плазмы для ведения технологического процесса, а также имеют серьезный недостаток, связанный с загрязнением плазменной струи материалом электродов при их эрозии, и ограниченный ресурс непрерывной работы. В этих случаях целесообразно использовать ВЧИ-плазмотроны, которые по ряду технологических характеристик обладают лучшими показателями по сравнению с дуговыми.

Высокочастотный индукционный плазмотрон - это устройство, позволяющее получать при атмосферном давлении плазму с температурой 7000-11000 К. Мощность современных ВЧИ-плазмотронов - от единиц до сотен и тысяч киловатт. Нагревание плазмы в высокочастотном безэлектродном плазмотроне индукционного типа связано с широко известным явлением электромагнитной индукции и представляет собой индукционный нагрев проводящей среды в высокочастотном переменном электромагнитном поле индуктора.

Благодаря кольцевой форме индукционных токов и отсутствию электродов ВЧИ-плазмотрон является одним из немногих источников, позволяющих генерировать чистую плазму в большом объеме, не загрязненную материалом электродов, и обладает широкой возможностью изменения скорости истечения плазменного потока и практически неограниченным ресурсом работы с любой газовой средой.

Сегодня высокочастотные плазмотроны прочно заняли свое место в научном и техническом арсенале заводов и исследовательских лабораторий.

Среди плазменных процессов с использованием особенностей ВЧИ-плазмотронов особое место занимает термообработка и сфероидизация мелкодисперсных частиц тугоплавких порошковых материалов. Такие порошки применяются в широких областях техники: при изготовлении фильтров, катодов электровакуумных приборов, композиционных материалов и материалов для нанесения покрытий, наплавки и сварки, а также в качестве наполнителей пластмасс, твердого топлива, смазок и для многих других целей.

Обеспечение высокой эффективности обработки мелкодисперсных частиц в ВЧИ-плазмотроне требует проведение всестороннего исследования процесса сфероидизации порошкового материала с целью выявления различных факторов, влияющих на технологию.

С ростом мощностей индукционных плазмотронов и увеличением при этом затрат на проведение экспериментов важное значение приобретают теоретические исследования с использованием математических моделей. Такие

исследования позволяют выделить основные закономерности и важнейшие параметры процесса и обладают рядом особенностей, которые в сочетании с экспериментами на установках, позволят повысить эффективность проектирования и качество исследовательских разработок.

Математическое моделирование процессов требует ясной физической постановки, разумных ограничений и упрощений, достаточной математической строгости и сопоставления результатов расчетов с независимыми экспериментальными данными. Выполнение этих условий позволяет во многих случаях получить результаты быстрее, чем с помощью сложных и дорогостоящих экспериментов, выявить скрытую в экспериментальных данных информацию, оптимизировать технологию и дать исходные данные для разработки критериев подобия, столь необходимые при проектировании промышленных плазменных процессов.

Все вышесказанное убеждает в актуальности работы по разработке и исследованию высокочастотной плазменной установки для обработки и сфероидизации дисперсных материалов.

Цель и содержание поставленных задач. Разработать эффективный технологический процесс обработки мелкодисперсных частиц в струе ВЧИ-плазмотрона на примере очистки и сфероидизации порошков электротехнического периклаза MgO и кварцевого песка 8іОг. Создать математическую модель, адекватно описывающую взаимодействие потока твердых частиц с плазменной струей, для определения основных параметров при плавлении дисперсных порошков в плазме, оценки качества получаемых при этом продуктов, а также для выбора оптимальной технологической конструкции ВЧ-установки по обработке частиц различного дисперсного материала.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

1. Создать лабораторную установку для проведения экспериментальных исследований процесса термообработки различных порошковых материалов.

  1. Провести ряд экспериментов для исследования энергетических характеристик установки, определения скорости движения мелкодисперсных частиц в струе ВЧИ-плазмы, нахождения радиального распределения температуры в плазменной струе.

  2. Экспериментальна определить максимальную степень загрузки плазмы мелкодисперсными частицами.

  3. Определить пространственное распределение параметров плазмы (температуры, составляющих скорости, электромагнитных величин) в разрядной камере ВЧИ-плазмотрона.

  4. Провести анализ и сравнение критериальных зависимостей теплообмена плазмы и частицы с многочисленными экспериментальными данными.

  5. Провести математическое моделирование процессов движения, нагревания и испарения частиц порошкового материала в плазме. Проанализировать влияние условий ввода частиц.

  6. Провести расчетную оценку производительности плазменной струи с учетом массовой загрузки дисперсными частицами.

Объект исследования - процесс плазменной обработки различных мелкодисперсных частиц порошкового материала в ВЧИ-плазме.

Основные методы исследования. При проведении исследований применялись математическое моделирование и экспериментальные методы.

Математическое моделирование ВЧИ-плазмотронов основывалось на двумерных уравнениях баланса энергии, движения, неразрывности и электромагнитных уравнениях. Математическое моделирование процесса плазменной обработки дисперсных материалов - на уравнениях движения, нагрева, фазовых превращениях, баланса энергии и сохранения импульса системы струя-частицы.

Параметры плазменной струи определялись спектрально - по абсолютной интенсивности континуума, движение частиц в потоке плазмы - по стробоскопической трековой методике, энергетические характеристики установок - калориметрическим способом.

Экспериментальное исследование технологических схем проводилось на лабораторных экспериментальных установках в процессе термообработки частиц тугоплавких материалов: оксида магния и диоксида кремния.

Методологической основой диссертации послужили научные работы СВ. Дресвина, B.C. Клубникина, В.В. Кудинова, А.Л. Мосеэ, И.П. Дашкевича, Ю.В. Цветкова, С.А. Панфилова, М.Ф. Жукова, О.П. Солоненко, И.С. Бурова, А.Л. Суриса, С. Патанкара, М. Булоса, П. Фуше, Д. Сполдинга, Е. Пфендера и других исследователей.

На защиту выносятся:

  1. Результаты расчета двумерного распределения параметров плазмы в разрядной камере ВЧИ-плазмотрона.

  2. Результаты анализа и сравнения критериальных формул теплообмена сферических тел в плазменных потоках с экспериментальными данными.

  3. Результаты математического моделирования процессов движения, нагревания и испарения мелкодисперсных частиц Si02 и MgO в плазме.

  4. Результаты расчета плазменной струи, загруженной большим количеством мелкодисперсных частиц.

  5. Результаты экспериментального исследования ВЧИ-установки для обработки дисперсных материалов: определение скорости движения мелкодисперсных частиц в факеле плазменной струи, измерение температуры плазменной струи, определение максимальной степени загрузки плазмы мелкодисперсными частицами, определение энергетических характеристик.

Научная значимость результатов. Проведено комплексное исследование процессов теплообмена движущихся в плазме частиц. Предложена новая поправка в критериальную зависимость теплообмена сферических тел в плазменных потоках. При расчете нагревания порошкового материала в плазменной струе поправка учитывает смену характера теплопередачи от плазмы к частице. Полученные результаты хорошо согласуются с многочисленными экспериментальными данными. Расчетным путем получены двумерные распределения параметров плазмы в разрядной камере ВЧИ-

плазмотрона. Уточнена и расширена математическая модель движения и нагревания мелкодисперсных частиц в плазменной струе с учетом их испарения. Разработана методика расчета плазменной струи с учетом массовой загрузки дисперсным материалом. Экспериментально изучено влияние основных параметров на эффективность и производительность процесса плазменной обработки различного дисперсного материала. Экспериментально определены технологические характеристики различных вариантов схем плазменной обработки дисперсного материала, выявлены их преимущества и недостатки.

Практическая значимость результатов. Результаты проведенных расчетов и экспериментальных исследований позволяют глубже понять и обосновать физико-химические процессы, протекающие при плазменной обработке дисперсных материалов. На основе разработанной математической модели определены условия для стабильного и эффективного расплавления частиц, обеспечивающие улучшение качества обрабатываемых материалов. Разработанная методика расчетной оценки влияния порошкового материала на параметры плазменной струи может быть использована для различных вариантов схем ВЧИ-плазмотронов. Созданы экспериментальные лабораторные установки колебательной мощностью 60 кВт с частотами 1,76 и 5,28 МГц с вертикальным и горизонтальным расположением высокочастотных индукционных плазмотронов соответственно для исследования обработки различных порошковых материалов, в том числе и тугоплавких. Разработана высокоэффективная технологическая схема процесса очистки и сфероидизации порошков электротехнического периклаза MgO и кварцевого песка SiOi различного фракционного состава, включающая особенности режимов ВЧИ-установки и ввода частиц дисперсного материала в плазменную струю. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы при создании и оптимизации промышленных ВЧИ-установок для термообработки и сфероидизации дисперсных частиц различного порошкового материала.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: политехнический симпозиум «Молодые ученые - промышленности Северо-западного региона» (Санкт-Петербург, 2001); VI Европейская конференция по термическим плазменным процессам и технологиям (Франция, Страсбург, 2001); XXIX Неделя науки СПбГТУ - Межвузовская научная конференция (Санкт-Петербург, 2001); XV Международный симпозиум по плазмохимии (Франция, Орлеан, 2001); XXX Юбилейная Неделя науки СПбГГУ - Межвузовская научная конференция (Санкт-Петербург, 2002); VII Европейская конференция по термическим плазменным процессам и технологиям (Франция, Страсбург, 2002).

Публикации. По результатам теоретических и экспериментальных исследований опубликованы восемь статей и тезисы одного доклада.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации - 239 страниц, рисунков — 92, таблиц — 34.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net