Разработка и исследование электродуговых плазмотронов с длительным ресурсом работы для электротехнологий плазменного воспламенения угля, резки и сварки металлов

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 электродовб) влияние температурного состояния стержневого вольфрамового катода на выход окиси лантана, лимитирующего ресурс электродав) разработка и исследование электродов новых конструкцийг) влияние скорости перемещения дугового пятна на эрозию цилиндрических анодовд) 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, вольфрамб) вольфрам насыщают присадками, снижающими работу выхода электроновв) опорное пятно дуги быстро «перемещается» по поверхности металла за счет действия, аэродинамических и электродинамических сил на радиальные участки дугиг) расщепление радиального участка дуги на несколько токопроводящих каналовд) 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 1 682) и «Научно-технологические основы создания новых систем промышленной теплоэнергетики и энергосберегающих технологий» (Гос.рег. 01.9.50 1 683), а также на кафедре АЭТУ Новосибирского государственного технического университета по плану НИР НГТУ «Физикохимический анализ термодинамических свойств и процессов затвердевания многокомпонентных сплавов» (Гос.рег. 02.9.8 001 857). Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры АЭТУ НГТУ (г. Новосибирск, 2001,2002, 2003 г.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.

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.

ОБЬЕМ 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 научнотехническом семинаре (г. Томск).

Выводы.

1. Разработана и внедрена плазменная система воспламенения угольной аэросмеси в теплофикационном котле КВТК- 100/150.

2. Впервые в системе плазменного воспламенения для обеспечения оптимальных значений скорости аэросмеси V и концентрации угля при которых энергозатраты на воспламенение аэросмеси минимальны, применён концентратор.

3. Исследован процесс эрозии внутреннего электрода — анода и показано, что для повышения ресурса двухкамерного плазмотрона его выгоднее использовать при обратной полярности подключения электродов.

4. Экспериментально получен критерий, при выполнении которого обеспечивается максимальный ресурс внутреннего электрода — анода.

Заключение

.

1. Разработан, испытан и внедрён в производство микроплазмотрон для | сварки стальных и медных труб в автоматическом режиме, когда требуется его стабильная работа в течение нескольких десятков часов. Плазмотрон обеспечивает качественную сварку тонкостенных труб при токах от 15 до 200А со скоростью до 4,9 м/мин.

2. На основе расчётно-экспериментальных данных впервые получены формулы для расчёта оптимальных значений диаметра вольфрамового электрода, диаметра сопла, расхода плазмообразующего газа и скорости сварки стальных труб разной толщины в зависимости от тока сварочной дуги.

3. На основе разработанного способа сварки медных стержней с вольфрамовыми разработан микроплазмотрон и серия составных малогабаритных вольфрам-медных анодов для сварки металлов с оксидной плёнкой на обратной полярности.

4. Расчетно-экспериментальным путём получены обобщённые формулы для определения оптимальных значений тока и геометрических размеров анода, при которых обеспечивается его длительный ресурсэкспериментально определена взаимосвязь основных размеров сопла и расхода аргона с величиной сварочного тока.

5. Проведены экспериментальные исследования эрозии термохимических катодов и показана перспективность разработки электродов с несколькими вставками для увеличения их ресурса.

6. Разработана и внедрена плазменная система воспламенения угольной аэросмеси в теплофикационном котле КВТК — 100/150, в которой впервые для снижения энергозатрат применён концентратор угольной пыли.

7. Исследован механизм эрозии внутреннего цилиндрического электродаанода двухкамерного плазмотрона для розжига и подсветки пылеугольного потока и определён критерий, при выполнении которого обеспечивается его максимальный ресурс (1000 часов и более).