close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102524

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Кузнецов Владимир Евгеньевич
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОДНЫХ УЗЛОВ
ДЛЯ ПЛАЗМОТРОНОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
МОЩНОСТЬЮ ОТ 10 ДО 500 КВТ С ДЛИТЕЛЬНЫМ
РЕСУРСОМ НЕПРЕРЫВНОЙ РАБОТЫ В ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ
СРЕДАХ.
01.04.13 — Электрофизика, электрофизические установки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург — 2005
^1(Ы'Ч
На правах рукописи
Кузнецов Владимир E B I еньевич
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОДНЫХ УЗЛОВ
ДЛЯ ПЛАЗМОТРОНОВ П Е Р Е М Е Н Н О Г О ТОКА
М О Щ Н О С Т Ь Ю ОТ 10 ДО 500 К В Т С Д Л И Т Е Л Ь Н Ы М
РЕСУРСОМ НЕПРЕРЫВНОЙ РАБОТЫ В ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ
СРЕДАХ.
01.04.13 — Электрофизика, электрофизические установки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург — 2005
2Z(777^
Работа выполнена в Институте электрофизики и электроэнергетики
Российской Академии Наук
U o t r T T i r r r r t *%чгжл*-»г>^-»тгчэг'«><»ттг *
Д л и . Т ЛААХМЖЖ ijj t.\.\y±J\J^j^l
t.K/J4Jt
.Al^V'AM*^*
ЖЪ'.ГЬ.ДЛЛЖ
Сафронов Алексей Анатольевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук,
Бобашев Сергей Васшшсвич
кандидат технических наук
Ермаков Сергей Александрович
Санкт-Петербургский
Государственный
Политехнический
Университет
Ведущая организация:
г, в /
/ь3 ч;
Защита состоится 7 декабря 2005г,
часов на заседании
диссертационного совета Д.002.131.01 Института электрофизики и
электроэнергетики Р А Н по адресу: Санкт-Петербург, Дворцовая наб.,
д.18,ИЭЭРАН.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке И Э Э РАН.
Автореферат разослав^^
HC^JjCJ 1<^^Ът.
^„У^^^^г::^
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат техн
РОС- нШ«ОНАЛЬНАЯ
БИБЛИОТЕ!^.
1
Киселев Александр
Александрович
Актуальность работы.
В
настоящее время, промышленные технологии в рамках
традиционтгх
подходов достигли критической
точки в своем
развитии, обусловленной, в основном, тем, что многие производства
сформировались на базе научных концега;ий X I X , начала X X веков
или еще более раннего времени (металлургия), и обладают рядом
недостатков,
связапшлх
с
многостадийностью,
громоздкостью,
расточительностью по энергии и ресурсам, а также большими
отходами. Особенно остро проблема неэффективности традициошплх
промып1ленных тех1ЮЛОГИй встает в связи с постоянно возрастающей
стоимостью углеводородного сьфья и энергоресурсов.
Плазменные генераторы переменного тока, обладают рядом
уникальных свойств:
• Возможность использования, в качестве плазмообразующего, газа с
окислительными свойствами.
• Быстрота протекания физико-химических процессов позволяет
точно рассчитывать на их завершенность.
• Требуемый объем рабочего газа мал, что упрощает систему
очистки и контроля.
• Высокая плотность энергии позволяет решать широкий круг
наушо-технических задач.
• Системы
электропитания
данных
плазмотронов
не
имеют
преобразовательных блоков, конструктивно прости, и надежны в
эксплуатации. Плазменный
генератор
быстро
включается
и
выключается, легко поддается автоматизации.
В связи с этим, применение плазмотронов переменного тока в
составе различных технологаческих комплексов может не только
значительно
увеличить
эффективность
использования
сырья
и
материалов по сравнению с традиционными технологиями, но и
создать принципиально новые технические решения, например, в
вопросе переработки бытовых отходов с получением синтез-г-аза.
Для реализации подобных технологий необходимы плазменные
генераторы, способные непрерывно работать на окислительных
средах в течение длительного времени (десятков и сотен часов, в
зависимости от мощности). Ресурс непрерьгепой работы плазмотрона
определяется,
прежде
всего,
ресурсом
его
электродов,
т.е.
исследование и разработка конструкций электродов с увеличенньпи
ресурсом для работы с окислительными средами в плазмотронах
переменного тока мощностью от 10 до 500 кВт представляют собой
актуальную научно-техническую задачу.
Цель диссертационной работы.
1. Проведение комплекса исследований и создание новых
конструкций
стержневьге
электродных
систем
с
ресурсом
непрерывной работы порядка 100 часов для плазменных генераторов
переменного
тока,
использующих
воздух
в
качестве
плазмообразующего газа.
2. Исследование конструкций и путей увеличения ресурса
непрерывной работы
плазменных
(100 часов и более) электродных систем
генераторов
переменного
тока
с
трубчатыми
электродами, использующих воздух в качестве плазмообразующего
газа.
3.
Исследование
различных, в
возможности
том числе и
и
специфики
применегпм
композиционных, материалов для
изготовления электродов плазменных генераторов переменного тока
мощностью до 500 кВт.
4. Создание экспериментальной установки и проведение на ней
исследований по определению долговечности и ресурса непрерывной
работы
конструкций
электродных
систем
со
стержневыми
и
трубчатыми электродами.
Научная новизна.
Проведены
исследования
двухслойного
(биметаллического)
стержневого электрода, в котором один из слоев обеспечивает
жаростойкость и расположен в области наибольшего нафева со
стороны электрической дуги, а другой является теплопроводным.
Показана принципиальная возможность применения подобных
материалов
для
плазменных
генераторов
переменного
тока
мопдаостью до 50 кВт.
Для плазмотронов переменного тока мощностью до 15 кВт
(стержневые электроды), достигнуто время непрерывной работы
свыше
100
часов
при
использовании
воздуха
в
качестве
плазмообразующего газа.
Проведены исследования по обеспечению длительного ресурса
непрерывной работы (до 100 часов) электродного блока плазменных
генераторов переменного тока с трубчатыми электродами мощностью
до 500 кВт при использова1ши воздуха в качестве плазмообразующего
газа.
Получены
значения
физико-технических
характеристик
электродных блоков плазмотронов данного типа для определенной
мопщости работы в диапазоне до 500 кВт, показаны возможные пути
увеличения
времени непрерывной работы данных электродных
блоков.
Исследованы
композиционные,
различные
для
материалы,
изготовления
в
том
трубчатых
числе
и
электродов
плазменных генераторов переменного тока мощностью до 500 кВт
при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа.
Практическая значимость.
Полученные
экспериментальные
данные
и
выводы
были
использованы при создании плазменных генераторов переменного
тока с линейным или радиальным перемещением пятна привязки
электрической дуги по поверхности электрода и при использовании в
качестве плазмообразующсго, газа с окислительными свойствами
(воздуха). Уменьшение величины износа электродов длл данных
устройств
имеет
большое практическое
значение и открывает
широкие перспективы для применения данных плазмотронов в
промышленности.
Исследованы двухслойные (биметаллические) электроды для
плазменных генераторов переменного тока мощностью до 50 кВт при
использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа.
Создана конструкция двухслойного стержневого электрода с
теплопроводньпк! и жаростойким слоями для плазменного генератора
мощностью до 50 кВт для работы на воздухе.
Исследовано
применение
различных,
в
том
числе
и
КОМПОЗИЩ10ННЫХ, материалов для изготовления трубчатых электродов
плазменных тенераюрои переменно/о тока мо/дностью до 500 кВг ;иш
работы на воздухе.
Определены возможные пути увеличения ресурса непрерывной
работы электродных блоков плазменных генераторов переменного
тока с трубчатыми электродами.
Создана экспериментальная установка, позволяющая, проводить
длительные ресурсные исследования электродных материалов и
электродов в диапазоне мощности до 50 кВт.
Реализация результатов работы.
Основные результаты работы реализованы в И Э Э РАН при
создании плазмотронов персметпюго тока различной мотцности, при
обосновании
темахики
исследований
в
рамках
Программы
Фундаментальных исследований Президиума РАН "Фундаментальные
исследования сильноточных дуг в условиях газовых потоков как
основа создания мощных генераторов плазмы и разработки новейших
плазменных технологий", при обосновании ТЗ к государственным
контрактам с Федеральным агентством по науке и инновациям.
Основные результаты, полученные лично автором.
Выполнены исследования различных конструкций плазменных
генераторов с линейным и радиальным характером перемещением
пятна привязки электрической дуги по поверхности электрода, в
результате
которого
показано
преимущество
плазмотронов
переменного тока с точки зрения обеспечения максимального ресурса
электродов в окислительной среде.
Разработаны
установок
для
технологаческие
проведения
схемы
испытаний
экспериментальных
электродов
плазменных
генераторов переменного тока мощностью от 10 до 500 кВт при
использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа.
Исследованы конструкщ1и электродов и материалы для их
изготовления для плазменных генераторов переменного тока при
работе на воздухе в диапазоне токов до 50 А. Установлено, что
наибольшей эрозионной стойкостью при рабочем токе до 10А
обладаег материал 69,75%Си+30%Ре+<),1%¥2Оз.
Исследованы конструкции электродов и материалы для их
изготовления для плазменных генераторов переменногх) тока при
работе па воздухе в диапазоне токов до 500 А. Установлено, что
разрушение электрода происходит не в результате его расплавления и
прожига. Наиболее вероятной причиной является механическое
разрушение за счет резкого снижения прочностных характеристик при
высоких температурах.
Установлены основные зависимости для выбора оптимальной
конструкции электродного блока плазменного генератора в диапазоне
рабочих токов до 500 А для обеспечения максимального времени
работы
электродов
при
использовании
воздуха
в
качесгве
плазмообразующего газа.
Основные положения, выносимые на защиту;
- Исследование
двухслойного
стержневого
электрода
(с
теплопроводным и жаростойким слоями) для плазменных
генераторов переменного тока мощностью до 50 кВт с
радиальным перемещением пятна привязки электрической
дуги, плазмообразующий газ - воздух;
- Исследования,
направленные
на
увеличение
времетш
непрерывной работы электродов для плазменных генераторов
переменного тока мощностью до 50 кВт с радиальным
перемещением
пятна
привязки
электрической
дуги,
плазмообразующий газ - воздух;
- Исследования,
непрерывной
направленные
работы
на
электродных
увеличение
блоков
времени
плазменных
генераторов с линейным перемещением пятна привязки,
мо1Щ{остью до 500 кВт, плазмообразующий газ - воздух.
Апробация работы и научные публикации.
По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих
конференциях:
1. Ф Н т - 9 5 Физика низкотемпературной плазмы. 11с1розаводск
20-26 июня, 1995
2. ICOPS-98, Raleigh NC, USA, The 25th Anniversary
International Conference on Plasma Science
IEEE
3. ФНТП-98 Физика низкогемпературпой плазмы. Петрозаводск,
1998.
4. 5 Европейской Конференции по Термическим Плазменным
Процессам,
г. Санкт-Петербург, 1998г.; Россия.
5. ТРР-6
Thermal
Plasma
Processes. The
European
Materials
Conference. ICEM-2000 Strasbourg (May 30 - June 2, 2000)
Symposium A.
6. The 28* I E E E International Conference on Plasma Science. The 13*
I E E E International Conference. June 17-22, 2001, Las Vegas,
Nevada. USA
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения,
списка использованной литературы. Диссертация содержит
ПО
страниц машинописного текста, 25 таблиц, 77 рисунков по тексту,
список литературы из 112 источников отечественных и зарубежных
авторов.
Основное содержание работы.
Во
введении
кратко
описывается
область
применения
плазменных генераторов, основные достоинства систем переменного
тока, обосновывается актуальность темы и формулируется цель
работы.
В
первой
главе
Рассмотрена
классификация
плазменных
генераторов. Описаны некоторые характерные конструкции двух
принципиальных
схем плазменных генераторов с линейным и
радиальньпч перемещением пятна привязки электрической дуги по
поверхности электрода.
10
Показано, на примере рассмотренных консфукций плазменных
генераторов,
что
эрозия
электродов
является
следствием
совокупности сложных электрофизических, тепловых, химических и
механических процессов и, на настоящий момент, не существует
универсальных рен1епий для увеличения ресурса работы электродов.
Во
второй
главе
рассмотрены
физические
процессы,
происходящие на электродах и в приэлектродных областях, onncain.i
явления связанные с электрической эрозией электродов. Особое
внимание уделено рассмотрению влияния кислорода, содержащегося
в
плазмообразующем газе и процесса смены
работоспособность
и
величину
износа
полярности на
электродов
плазменных
генераторов.
Показано,
что
даже
для
относительно
устойчивой,
к
кислородному окислению меди, лепсо можно заметить динамику
разрушения материала элекгрода в зависимости от количества
кислорода в плазмообразующем газе рис.1.
G.nr/Kn
lO-'O-
%
10-n
1(Г«
\
I
10
•%
'^/'^Л9Ат
I
20
1
30
1
40
<.ч
Рис. I. Зависимость удельной эрозии медного электрода-анода от
времени работы плазмотрона t, в течение которого процентное
содержание кислорода в рабочем газе ~ азоте убывало. I = 180 А.
Отмечены
некоторые
особенности
плазмотрона: по мере нарастания плотного
работы
электрода
слоя окалины на
1юверхности электрода время, в течение которого пятно привязки
дуги остается неподвижным, увеличивается; в силу этого вероятность
и
образования каверн в металле вофастает, а с их появлением резко
увеличивается скорость эрозии материала анода и вынос закиси и
окиси меди потоком газа из зоны шунтирования дуги. С появлением
окислов и каверн связано ухудшение стабильное!и горения дуги —
наблюдается увеличение амплитуды колебаний средней длины дуги,
тока и напряжения.
Рассмотрены
различия
электрофизических
процессов,
происходящих на поверхностях катода и анода и уравнения баланса
энергии для катода и для анода:
Qk=IS(U,-(p4Ui)+Q'
Va
^ » L"-'i
' <Р ' - " V i e ' ^ V J T L I X
i,,
1«W
Q' — тепловой поток неучтенных процессов (в первую очередь,
тегшопроводности газа), а,н - коэффициент аккомодации иона, прев­
ратившегося в нейфальный атом, <р — работа выхода, (5/2) • (1кТе/е) вклад тепловой энергии электронов, qrfa - включает приток энергии к
аноду от плазмы дугового столба за C4ei тешюпроводности, реком­
бинации
и
может
быть
выражено
для
больших
градиентов
температуры в пристегшом слое (а oira имеют место в большинстве
случаев) через разность энтальпий:
Ят = ('^w /Ср« )[h* - h„ ) / Z ] , где
- где h* — удельная энтальпия плазмы, при которой прюводимость
обращается в нуль при аппроксимации истинной зависимости
a*(h);
- h„ — энтальпия газа при температуре стенки;
Z — расстояние от поверхности анода по нормали, на котором
энтальпия меняется от h* до h„.
Электроны, бомбардирующие анод, кроме работы, равной
работе
выхода
электрона
из
материала
катода,
обладают
определенным запасом кинетической энергии, приобретенной под
12
действием элекпрического ускоряющего поля. При эгом энергия
электронов вначале передается «электронному газу» у анода и уже от
него передается атомам или ионам кристаллической решетки, пре­
вращаясь в тепловую энергию.
Катод бомбардируют более сложные частищ>1 — возбужденные
ионы. Кроме кинетической энергии, они обладают определенным
запасом
потенциальной
энергии, которая
состоит
из
энергии
ионизации и энергии возбуждения атомов и ионов. Энергия,
приносимая на катод, переходит непосредственно к атомам или ионам
кристаллической решетки. Энергия, приносимая на катод ионами,
значительно больше, чем энергия связи атомов в кристаллической
решетке, и она расходуется не только на испарение вещества, но
также на вырывание атомов металла из решетки и образование
микровзрывов на поверхности катода. Наличие подобного рода
механизма передачи энергии приводит к значительному превьппению
эрозии катода по сравнению с эрозией от тепловых эффектов,
развивающихся на поверхности анода.
Так как в случае перемен1Юго тока, происходит смена полярности
электрода каждый период с частотой питающей сети, то с точки
зрения долговечности и длительности времени работы плазменного
генератора,
процесс
смены
полярности
электродов
через
определенный промежуток времени нивелирует различную степень их
износа в катодной и анодной фазах.
Также, во Бторой главе, рассмотрены схемы проведения
измерений
(оптических
металлографических,
рис.2,
химического
состава
электродинамических,
фаз,
определение
механических и электрических характеристик материала электрода) и
выполнения экспериментов.
13
Рис.2. Схема оптических измерений.
Пл - плазмотрон, Э - экран, L - линза
Оптическая схема включала в себя фокусирующий объектив и
непрозрачный
экран.
Для
ограничения
светового
потока
использовались нейтральные светофильтры. Электродинамические
измерения проводились с помощью датчиков тока и напряжения
требуемого
диапазона,
преобразования
при
этом
обеспечивалась
линейность
сигнала ке менее 0.05?'о от входного сигнала.
Химический состав фаз в образцах электродов определялся методом
рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) на микроанализаторе
«Camebax micro», оснащенном энергодисперсионным спектрометром
«Link - 860» при энергии электронов зонда 15 кэВ. Расчет массовых
долей элементов проведен по программе ZAF4. Использованное
оборудова1ше позволяет определять локальное содержание элементов
тяжелее Na (атомный номер Z > 11), превьппающее несколько десятых
долей процента.
Разработаны
технологические
схемы
экспериментальных
установок рис. 3 для проведения длительных ресурсных испытаний
для плазменных генераторов с рабочим током от 50 А до 700 А, в
состав
которых
входят
следующие
системы:
система
энергообеспечения, система газоснабжения, система охлаждения,
система сбора и обработки информации, система сбора и очистки
отходящих
газов,
функционирование
измерительной
эксперимента.
призванные
1шазменного
аппаратуры
в
обеспечить
генератора
ходе
нормальное
и
контрольно-
проведения
физического
14
Рис.3. Диагностическая камера для проведения ресурсных испытаний
электродов плазмотрона переменного тока мопщостью до 50 кВт. 1 корпус, 2 - термопара, 3 - фланец для присоединения плазменного
генератора со стержневыми электродами, 4 - патрубок отвода газов.
Третья глава посвящена исследованию конструкций электродов
и материалов для их изготовления в плазменных генераторов
переменного тока при рабочем газе с окислительными свойствами в
диапазоне токов до 50 А.
В случае небольших по величине токов (до 50 А) в плазменных
генераторах
применяется
стержневая
конструкция
электродов
плазменного генератора переменного тока.
При изготовлении электродов однофазного плазмотрона из
электротехнической меди были получены следующие данные для
рабочего газа с окислительными свойствами (воздух).
Таблица 1
Материал
Время наработки, час
1д,А
ид, В
Эрозия, г/Кл
Медь
25
2.8
950
2.7810^
15
Очевидно, что
полученные
результаты
по долговечности
электродной системы не могли быть признаны удовлетворительными
для полномасштабного промышленного применения данной системы.
Для
того,
чтобы,
случае
получить
электродов,
в
системы,
использовался
технологических
достаточный
использования
решений
стержневой
комплекс
с
ресурс
целью
работы
электродной
конструкторских
обеспечить
и
эффекгивное
охлаждение электрода и распределение тепловой и эрозионной
нагрузки по его поверхности (торцу).
Для решения этой задачи было выполнено:
1. исследование возможности использования конструкции
электрода в виде обоймы со специальной вставкой из
эрозионно-стойкого материала;
2. исследование
и
создание
нового,
с
точки
зрения
эрозионной устойчивости, материала для изготовления
электродов.
Для определения возможности использования материала для
изготовления
электродов
были
выполнены
эксперименты
по
определению удельной эрозии ряда образцов с использованием
однофазного плазмотрона переменного тока.
Было установлено, что наилучшей эрозионной стойкостью
обладают сплавы на основе железа и меди и сталь 45Х25Ю5С2.
Данные материалы являются
наиболее технологичными для
изготовления электродов.
Также были проведены исследования каркасных карбидных
композиционных материалов содержащих медь. Каркасная структура
(два взаимопроникающих каркаса - карбидный и металлический)
обладают уникальным комплексом свойств: физико-механических,
теплофизических, электрофизических, что обуславливает хорошую
эрозионную стойкость этих материалов в электрической дуге в
16
окислительной среде. Тугоплавкий, стойкий к окислению карбидный
каркас удерживает в порах медь при температурах выше точки
плавления последней, сохраняя, таким образом, работоспособность
материала.
Результаты экспериментов представлены на рис.4.
Эрозия, г/К/г
Р,
(«хяип
'
I •
Эрозия при 1-7,8 А
Эрозия при 1=4,5 А
1 ■ I ' 1 «—I—■—1 ' ' ч — « - т — ' — I — ' — г — » — 1
'
tit-m ТОвЦ 31% 32% 34 3% З Г % Лт
41АК 4Sjl% 471%
I
■—t
Процентное содержание меди в
Рис.4. Зависимость величины удельной эрозии от тока и состава
композиционного материала на основе карбида хрома.
Установлен
фазовый
состав
композиционного
соответствующий минимальному эрозионному
материала,
уносу. Это материал
с содержанием меди около 45%.
Аналогичные эксперименты были проведены с карбидом титана,
где в качестве материала пропитки использовалась медь и кремнистая
бронза. Эрозионные свойства композита на основе карбида титана
сравнимы с результатами, полученными при использовании карбида
хрома.
Проведенные
эксперименты
позволили
обеспечить
непрерывный ресурс работы электродов инжектора в течение 35 часов
(электрод - изготовлен из композита па основе карбида хрома), а
после проведения оптимизации конструкции электрода время его
непрерывной работы составило более 100 часов (таблица 3).
17
Таблица 3
Материал
Время
1л, А
нара­
'
Од,
Эрозия,
В
г/Кл
1550
4.42 10-*
Прим.
ботки.
час
'
Метало-
100
керамика
2.2
Износ
незначителен
(карбид
хрома+мсдь)
Металокерамика
(карбид
Износ
60
1150
4.8
7.43 10'*
увеличился.
но электрод
хрома+медь)
сохранил
работоспо­
собность.
Анализ механизма работы материалов элек-1родов в условиях
повышенной температуры показывает, что не всегда ресурс работы
может быть увеличен за счет введения добавок, снижающих
интенсивность испарения меди в процессе создания плазмы (железо,
тугоплавкие соединения, оксиды типа Y2O3). Так как введение
тугоплавких
добавок
параметров
материала,
также
приводит
например,
к
работы
изменениям
выхода
других
электронов,
снижению тепло- и электропроводности, что может негативно
отражаться на работоспособности электродной системы плазмотрона.
Представляется
целесообразным
создание
двухслойных
(биметаллических) электродов, один из слоев (теплопроводный)
обеспечивает интенсивный отвод тепла, а дру10й слой (тугоплавкий)
обеспечивает жаростойкость и расположен в области наибольшего
нагрева со стороны электрической дуги рис. 5.
18
Г/
Рис,5. Схема конструкции двухслойного электрода
высоковольтного плазмотрона переметюго тока.
1 - жаростойкий слой, 2 - теплопроводный слой.
Наружная
часть
двухслойных
электродов
изготовлена
из
медного порошка марки I1MC-1 ГОСТ 4960-75. Центральная часть из композиционных материалов на основе меди с добавками железа
марки ПЖРВ-2 ГОСТ 9840-86 в количестве 30%, никеля марки ПНЭ-1
ГОСТ 9722-79 в количестве 3, 10 и 30% массовых и сплава на основе
никеля H73XI6C3P3 в количестве 3- 30%. Состав сплава: 73% Ni; 16%
Сг, 3% Si, 3% W.
Результаты экспериментов приведены на рис.6. Из результатов
следует, что наилучшие результаты были достигнуты на электродах
системы железо-медь.
19
итии
iiim
тштттш
s ■» е
4 9 ?
^
S
«п 5
й
й '■
Рис.6. Величина удельной эрозии двухслойных электродов.
Мощность плазмотрона 30 кВт, Напряжение 900-1000 В, Ток=20 А.
Расчет распределения температур по диаметру (принято, что
температура водоохлаждаемого торца равномерно распределена по
диаметру) и высоте однослойного и двухслойного (биметаллического)
электрода цилиндрической формы при условии, что горение дуги при
этом происходит со стороны одного торца, а другой торец
водоохлаждаемый, показывает:
Поток теплоты, проходящий через единицу площади за единицу
времени, прямо nponopiuioHajieH градиенту температуры:
,dt
а = Л—
^
dx
(1)
То же самое - в цилиндрической системе координат:
q =X
где
rdt
dr
(2)
q — поток теплоты,
Л - коэффициент тсшюпрюводности.
R результате интегрирования получаем в прямоугольной системе
20
координат:
(3)
Л
{3-ck^{dt
(4)
•"Я
а
t-—x+c
Л
(5)
а
х = 0, t = t„.
(6)
t = t ——X
° Л
Таким образом, в первом приближении можно считать, что вдоль
оси электрода распределение температуры близко к линейному.
В цилиндрической системе коордашат:
'-'^ = dt
(7)
Лг
,^^=f-
«
f = ^lnr + c
(9)
r = r„t^t„
c^t,-^]nr, (10)
/ = r„-fln^
л
(11)
г
Таким образом, распределение температуры по радиусу близко к
логарифмическому с максимумом в цешральнои части и постепенно
уменьшается к краю цилиндра.
Исходя из линейного характера распределения температурного
поля по оси цилиндрического электрода, полный тепловой поток от
нагреваемого к водоохлаждаемому торцу можно подсчитать по
формуле:
,-^^-^S
где
1г, и
(.2).
температура холодного и горячего торца,
21
1 - теплопроводность,
S ~ площадь сечения,
/ - высота электрода.
Температуру холодного конца примем равной 40°С, температуру
горячего конца равной температуре плавления (1083°С для Си, 1430°С
для сплава Cu+30%Fe). Теплопроводность меди равна 3,84 Вт/см*°С,
теплопроводность сплава Си ( 30%Fe равна 1,05 Вт/см*°С. Размеры
электрода плазмотрона трехфазного высоковольтного плазмотрона
составляют: г = 1 см, площадь сечения 5=3,14 см^, расстояние от
нагретого до холодного торца 8 см.
При указанных выше данных полный тепловой поток для
медного электрода - 1,58 кВт, для электрода из композиционного
материала Си + 30%Fe - 0,51 кВт.
Расход энергии на расплавлеш1е и испарение материала горячего
торца электрода под воздействием дуги:
W = Mf-E^
где
(13),
AM - изменение массы электрода,
Ejoucn - суммарная теплота испарения едини1р^1 материала.
Указанные величины составляют для меди: ЛЛ/=^0,30 г/час,
Е^
=5,88*10*' Дж/кг; для композиции Си + 30%Ре: 4М=0,16 г/час,
£г^=6,34*10'^Дж/кг.
в результате подсчетов получаем:
W,„ = 0,49 Вт;
W,^^^,^,, =0,28 Вт
Для медного электрода потери через испарение и расплавление
составляют 0,03% от теплового потока, отводимого через материал и
составляющего 1,58 кВт. Для состава Си + 30%Fe потери составляют
0,07% от теплового потока, равного 0,51 кВт. Таким образом,
наблюдается снижение теплового потока с 1,58 кВт до 0,51 кВт, т.е. в
3,1 раза.
22
Рассмотрим пример двухслойного электрода при следующих
условиях: радиус внутреннего слоя составляет 0,6 см, состав композиционный материал Си + 30%Fe. В этом случае тепловой поток
через жаропрочный слой, подсчитанный по формуле (12), составит
0,14 кВт, тепловой ноток через теплопроводный слой составляет ~ 1
кВт, суммарный поток составляет -1,14 кВт, что в ~2,23 раз больше,
чем у материала состава Си + 30%Fe и близко к тепловому потоку
чисто медного электрода.
Теплоотвод через электрод возрастает по мере увеличеггая
относительной толщины теплопроводного слоя, в то время как
ресурсы жаропрочности при этом сокращаются. В этой связи можно
высказать предположение о существовании оптимального радиуса
жаропрочного слоя, который в первом приближении близок к
половине радиуса электрода и составляет ориентировочно 40 - 60% от
его
величины.
Для
электрода
трехфазного
высоковольтного
плазмофона 020 мм он составляет 8-12 мм.
Четвертая
глава
посвящена
исследованию
конструкций
электродов и материалов для их изготовления в плазменных
генераторов переменного тока при рабочем газе с окислительными
свойствами в диапазоне токов до 700 А.
В основу работы плазмотронов переменного тока в данном
диапазоне токов и мощности положен принцип электродинамического
движения дуг в поле собственного тока (рельсотронный эффект).
Величина
воздействия
на
электрическую
дугу
пропорциональна величине дугового тока.
F = IBhma,
где I - величина тока, А
В
величина мапнитной индукции, Тл
1 - протяженность проводника, м
а - угол между направлением скорости и индукции.
прямо
23
Быстрое перемещение привязки дуги по электроду распределяет
тепловую нагрузку по длине электрода, что даст возможность
использовать
электроды,
выполненные
из
относительно
легкоплавкого материала с хорошей теплопроводностью и водяным
охлаждением.
Первоначально, в этих плазмотронах использовались медные
трубчатые электроды. Несмотря на достаточно хорошие показатели
удельной эрозии 10'' ^ 10"^ г/Кл, длительного времени работы
плазменного генератора при использовании электродов подобной
конструкции
добиться
не
удалось.
При
взаимодействии
плазмообразуюшего газа (с включенными в него примесями) с
материалом электродов поверхность последних приобретает рыхлую
структуру (образуется слой карбида меди), что приводит к ее
быстрому разрушению потому, что тегглопроводиость и дугостойкость
карбидтгого слоя ниже чем у меди. На поверхности электрода
появляются трещины уходящие в тело материала и приводяпще к
прорыву
жидкости
из
канала
охлаждения
электрода
в
электроразрядную камеру плазмотрона рис.7.
50х
ЮОх
Рис.7. Микроструктура зоны разрушения электрода.
Как показали эксперименты, проведенные на макетной установке
без газового потока, скорость движения дуг по электродам изменяется
от 10 до 30 м/с при изменении тока от 200 до 600 А. При этом угол
24
раскрытия электродов составлял 30°. При увеличении угла раскрытия
скорость движения дуги падает. Таким образом, для оргаггизации
оптимального режима работы электродов для каждого значения тока
(мощности) необходимо организовать такой режим их работы, при
котором рабочая зона горения дуг будет занима1ъ всю рабочую длину
электрода, а вторичное шунтирование происходит в тот момент, когда
дуга будет находиться на расстоянии 3-5 мм от его торца.
Было выполнено исследование взаимосвязи и влияния на время
непрерывной работы электродов следующих параметров:
величины тока;
угла раскрытия электродов;
материала и конструктивных особенностей электродов.
Па основе полученных данных, были выявлены следующие
закономерности:
Ток
короткого
замыкания
500 А.
В
этом
режиме
мощность плазменного генератора лежит в пределах 140 - 155
кВт:
1. При использовании электродаюго блока с углом раскрытия
а=75°(ё~25мм)
с
выполненным
симметршшо
каналом
охлаждения максимальное значение времени непрерывной
работы установки составило 5 часа.
2. При использовании электродного блока с углом раскрытия
а=30"(<1=25мм) с выполненным симметрично каналом
охлаждения максимальное значение времени непрерывной
работы установки составило 14,5 час.
3. При использовании электродного блока с углом раскрытия
а=25°((1=25мм) с выполненным асимметрично каналом
охлаждения максимальное значение времени непрерывной
работы установки составило до 30 часов.
25
4. При использовании элект|50дного блока с углом раскрытия
a=^15°(d'~25MM) с выполненным асимметрично каналом
охлаждения максимальное значение времени непрерывной
работы установки составило более 100 часов.
Ток
короткого
замыкания
700
А.
В
этом
режиме
мощность плазменного генератора лежит в пределах 230 - 280
кВт:
1. При использовании электродного блока с углом раскрытия
a-25°(d=25MM)
с
выполненным
симметрично
каналом
охлаждения максимальное значение времени непрерывной
работы установки составило ~ 10 часов.
2. При использовании электродного блока с углом раскрытия
а=30''((1=25мм) с выполненным асимметрично каналом
охлаждения максимальное значение времени непрерывной
работы установки составило
от 30 до 33,4 час в
зависимости от материала электрода.
В заключении приводятся основные результаты и выводы:
1. Достигнуто время непрерывной работы
стержневых
и
трубчатых
конструкции
электродов
соответствуют
поставленной
100 часов для
электродов.
и
Разработаш1ые
электродных
задаче
по
блоков
достижению
максимального времени непрерьгеной работы плазменных
генераторов неременного гока различного типа мощностью
от 10 до 500 кВт, яшиюгся отработанными и готовыми к
дальнейшему использованию в составе этих плазмотронов.
2. Исследованы
материалов
физико-технические
для
изготовления
параметры
электродов
ряда
однофазных
плазмотронов переменного тока. Установлено, что при
работе в окислите 1ьных средах, благодаря использованию
26
перюменного тока, появляется возможность изготавливать
элекфоды
из
относительно
недорогих
достаточно
высоких
добиваться
удовлетворяющих
технологические
материалов
и
показателей,
требования
по
длительности непрерывной работы.
3. Исследована
возможность
использования
каркасных
карбидных композиционных материалов различного состава
содержап1ие
медь
для
изготовления
электродов
для
плазмотронов переменного тока. Установлено, что фазовый
состав, соответствующий минимальному эрозиошюму уносу
определяется содержанием меди ~ 45%.
4. Исследована
материалов
возможность
для
применения
изготовлегшя
многослойных
электродов
плазменньпс
генераторов переменного тока. Исследован химический
состав
наружного
Установлено,
и
что
внутреннего
для
слоя
электродов.
изготовления
наружного
(теплопроводного) слоя следует использовать медь в виде
медгюго
порошка
изготовления
марки
ПМС-1 ГОСТ
внутреннего
жаростойкого
4960-75, для
слоя
следует
использовать смесь указанного выше медного порошка с
порошком железа марки 11ЖРВ-2 ГОСТ 9849-86.
5. Выработаны рекомендации
по разработке
электродных
систем с длительным ресурсом работы для плазменных
генераторов
переменного
тока
различного
назначения
мощностью до 500 кВт, плазмообразующий газ - воздух.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих
работах.
1. "Мощный
плазмотрон
переменного
А.А.Сафронов, В.Н.Ширяев,
тока
",
Ф.Г.Рутберг,
В.Е.Кузнецов, ФНТП-95
Физика
27
низкотемпературной
плаэмы.
Материапы
конференции.
Петрозаводск 20-26 ИЮ1Ы, 1995, т.З, стр. 422-425, (1995)
2. " К
вопросу о влиянии неустойчивости электрической дуги
трехфазного плазмотрона переменного тока на его работу",
Ф.Г.Рутберг,
А.А.Сафронов,
Р.Б.Гончаренко,
В.Е.Кузнецов,
Известия А Н Энергетика, №4, 1996, УДК 533915, стр. 114-120.
("Effect of Instability of the Three-Phase AC Plasma Arc on its
Operation"), (1996)
3. "Специфические особенности систем электропитания промышлен­
ных трехфазных плазмотронов переменного тока", Ф.Г.Рутберг,
Р.Б. Гончаренко, А.А.Сафронов, В.Н.Ширяев, В. Е. Кузнецов,
Известия Академии Наук (Российская академия наук ISSN 00023310). Энергетики. №1.1998, стр. 93-99. (1998)
4. The Possibility of Garbage Medical and Other Toxic Waste Treatment
by Plasma Chemical Method, ICOPS-98, Raleigh NC, USA, The 25th
Anniversary IEEE International Conference on Plasma Science, June 14,
1998,
4p61,
Ph.G.Rutberg
A.A.Safronov
A.N.Bratsev
V.E.Kuznetsov
5. "Трехфазные плазмотроны переменного тока и их применение ",
Ф.Г.Рутберг,
А.А.Сафронов,
В.Н.Ширяев,
В.Е.Кузнецов,
Материалы конференции по физике низкотемпературно и плазмы
ФНТП-98. Из-во Петрозаводского Университета, стр. 578-581,
(1998)
6. Arc three-phase plasma generators and their application, TPP-5, Fifth
European Conference on THERMAL PLASMA PROCESSES, 13-16
July 1998, St.Peterburg 61, Ph.G.Rutberg A.A.Safronov V.N.Shiryaev
V.E.Kuznetsov
7. Three- Phase AC Plasma Generators and their applications. Progress
in Plasma Processing of Materials 1999 (International Thermo Plasma
Processes Conference 5* 1998 St.Petersburg Russia Printed in USA
28
1999 Begell House Inc. ISBNl-56700-126-299-105, Ph.G.Rutberg
A.A.Safronov V.N.Shiryaev V.E.Kuznetsov
8. Research of Erosion of Water Cooling Electrodes of Powerfiil AC
Plasma Generators, The European Materials Conference. Book of
Abstract E-MRS. ICEM-2000 Strasbourg (May 30 - June 2, 2000)
Symposium A.TPP-6 Thermal Plasma Processes A/P-98, pA-36,
Ph.G.Rutberg A.A.Safronov V.E.Kuznetsov A.B.Surov S.D.Popov
9. Multi-phase AC
Plasma Generators
I E E E Conference Record
Abstract 01.СШ7255, PPPS-2001, PULSED P O W E R
PLASMA
SCIENCE 2001. '1Ъе 28* I E E E btemational Conference on Plasma
Science. The \f^ I E E E International Conference. June 17-22, 2001,
Las Vegas, Nevada, USA P1A03 p. 164, Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov,
V.N.Shiryaev, V.E.Kuznetsov, A.V.Surov, S.D.Popov
10. Research of Erosion of Water Cooling Electrodes of Powerful AC
Plasma Generation
Progress in Plasma Processingof Materials 2001.
Editor Pierre Fauchais. Library of Congress Cataloging in Publication
Data 2001 by Begell House Inc. I S B N 1-56700-165-3 Printed in the
USA
1234567890,
229-234,
Ph.G.Rutberg,
A.A.Safronov,
V.E.Kuznetsov, S.D.Popov, A.V.Surov
11.
"Исследование
мехаштзмов
износа
электродов
и
пла:шагронов", С Е . Винофадов, В.В. Рыбин, Ф.Г. Рутберг, А.А.
Сафронов, B.I1 Шекалов, В.Н. Ширяев, В.Е. Кузнецов, Вопросы
материаловедения, №2 (30), 2002.
'
^
Подписано в печать « _ _ _ _ »
^2005
Формат 60x90 1/16. Тираж 100 экз Заказ №
Отпечатано в типографии СПГУТД.
Санкт-Петербург, ул. Моховая, 26
РНБ Русский фонд
2006-4
22579
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
940 Кб
Теги
bd000102524
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа