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:

Урбах Андрей Эрихович. Разработка и исследование электродуговых плазмотронов с длительным ресурсом работы для электротехнологий плазменного воспламенения угля, резки и сварки металлов : Дис. ... канд. техн. наук : 05.09.10 : Новосибирск, 2003 129 c. РГБ ОД, 61:04-5/1508

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Стр.

ОБОЗНАЧЕНИЯ 4

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 14

  1. Дуговые плазмотроны 14

  2. Эрозия термоэмиссионных катодов 20

  3. Особенности эрозии медных и вольфрамовых анодов 24

  4. Выводы и постановка задачи 28

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМОТРОНА ДЛЯ СВАРКИ СТАЛЬНЫХ
И МЕДНЫХ ТРУБ 30

  1. Обжатая дуга ; 30

  2. Разработка микроплазмотрона для сварки труб 34

  3. Расчет стержневого вольфрамового катода 41

  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

  1. Сварка металлов, имеющих плотную поверхностную окисную пленку 57

  2. Исследование микроплазмотрона обратной полярности 59

  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

  1. Термоэмиссионные катоды 81

  2. 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

  1. Плазменное воспламенение угля 95

  2. Система плазменного воспламенения угля теплофикационного котла КВТК-100/150 ...101

  3. Разработка двухкамерного плазмотрона прямой полярности 104

  4. Исследование эрозии электродов двухкамерного плазмотрона обратной полярности 108

Выводы 119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121

ЛИТЕРАТУРА 123

ОБОЗНАЧЕНИЯ

G - величина удельной эрозии, кг/А с; I, U - ток и напряжение дуги, А, В; f - частота пульсаций, Гц;

Lc- длина стержня, м;

je- плотность электронного тока, А/см2;

dc- диаметр сопла, м;

dn- диаметр катодного пятна, м;

q - плотность теплового потока, отводимого от пятна дуги в тело электрода,

Вт/м2;

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 град;

X - теплопроводность материала электрода, Вт/м град;

Q - тепловой поток, Вт;

U3 - вольтов эквивалент катодного падения потенциала, В;

5 - толщина стали, мм; G - расход газа, г/с;

d3- диаметр электрода, мм; Н - расстояние от сопла до изделия, мм;

и - скорость сварки, м/мин; р - плотность, кг/м3;

гс- радиус стержня, мм;

р- удельное сопротивление, Ом/м;

s - интегральный коэффициент излучения материала электрода;

ov постоянная Больцмана;

Ти- время жизни микропятна, с;

Д1 - длина линейной части сопла, мм; а, р - углы заточки электродов, град; к - коэффициент аккомодации;

1пр- предельный ток, А;

Je- плотность тока термоэмиссии, А/м2;

Uj- потенциал ионизации газа, В;

S - доля ионного тока;

Uk- катодное падение потенциала, В;

Q - удельные энергозатраты на воспламенение аэросмеси, кВт ч/кг;

V - выход летучих, %;

V- относительная скорость аэросмеси, м/с;

[х - относительная концентрация угля в аэросмеси;

ds- относительный диаметр частиц, мм;

Tg- относительная температура газа на входе;

Tw- относительная температура стенки муфеля;

Uxx- напряжение холостого хода источника питания, В;

Vn- скорость перемещения пятна дуги, м/с;

di- внутренний диаметр электрода, мм;

1кр- критический ток, А;

пэр- глубина выработки электрода, мм;

Д1Эр- длина зоны выработки, мм;

d2 - диаметр выходного электрода, мм;

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:

  1. Поиск оптимального температурного состояния стержневого вольфрамового катода, обеспечивающего его максимальный ресурс;

  2. Разработка и исследование составного вольфрам-медного анода для сварки изделий на обратной полярности;

  3. Исследование эрозии термохимического катода;

  4. 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:

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.

  4. 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.

  5. 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.

  6. 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).

Подобные работы
Трофимов Дмитрий Викторович
Разработка и исследование процесса плазменного напыления однородных металлических покрытий с формированием потока частиц ультразвуковым распылением пруткового материала
Шумаков Михаил Александрович
Разработка и исследование системы индукционного нагрева вязких жидкостей при производстве строительных мастик
Пронин Александр Михайлович
Исследование и разработка методов расчета индукционных систем с магнитопроводами
Зиннатуллин Дмитрий Анатольевич
Исследование и разработка трубчатого индукционного нагревателя жидкости
Крылов Алексей Николаевич
Исследование и разработка системы косвенного индукционного нагрева при производстве пенополистирольных плит
Данилушкин Василий Александрович
Разработка и исследование индукционных установок косвенного нагрева в технологических комплексах транспортировки нефти
Малышев Александр Анатольевич
Исследование и разработка индукционных нагревателей плоских тел перед прокаткой
Бузуев Алексей Николаевич
Разработка и исследование системы индукционного нагрева для пайки многослойных изделий
Обухова Алла Васильевна
Исследование и разработка индукционной системы выплавки тротила для конверсионных технологий
Демидович Виктор Болеславович
Теория, исследование и разработка индукционных нагревателей для металлургической промышленности

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