автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование электронагрева порошковых материалов в вакуумных плазмотронах с полым катодом

На правах рукописи УДК 621.365.9

ЗЬгряной Сергей АлексеепиЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛШРОНАГРЕВА ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В ВАКУУМНЫХ ПЛАЗМОТРОНАХ С ПОЛЫМ КАТОДОМ

Специальность: 05.09.10 - Электротехнология

Автореферат диссертапии на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1997

и ,1

- 9 Ю

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете Научный руководитель -доктор технических наук,

профессор Чередниченко B.C.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Сшюненко О.II.

кандидат физико-математических

наук, доцент Юднн Б.И.

Ведущая организация Институт теплофизики СО РАН

Защита состоится 2 Т шеи я 19:91г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 063.34.09 Новосибирского государственного технического университета по адресу 630092, г. Новосибирск 92, пр. К. Маркса 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан ¿?£Г_1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /Г /г-

канд. техн. наук, доц. А.И. Алнферов

Общая характеристика работы .

Актуальность темы. Применение процессов физико-химической обработки материалов концентрированными потоками энергии является основой развивающихся новых технологий и представляет интерес для металлургии и обработки материалов.

При этом необходима интенсификация производственных процессов и перевод их в аппараты с разреженной и контролируемой атмосферой с целью снижения потери материалов, улучшения условий труда, исключения загрязнения окружающей среды.

Использование вакуумного дугового разряда с полым катодом дает возможность наиболее полно реализовать преимущества плазменного нагрева. Ряд особенностей определяют приоритетное использование данного типа дугового разряда для проведения перспективных технологических процессов. К таким процессам в первую очередь следует отнести: рафинирование и сфероидизацию порошков металлов, изменение их дисперсности, получение пара чистого вещества и перевод его в ионизированное состояние с осуществлением химических реакций и последующей конденсацией или осаждением на изделие продуктов этих реакций.

Основным преимуществом вакуумного дугового разряда с полым катодом следует считать возможность получения высокого теплового КПД (до 85-90%) при изменении в широких пределах состава и расход4 плазмообразующего газа, давления в рабочем объеме и скорости движения потока, прй минимальном загрязнении рабочего объема материалом катода. Особо следует отметить, что использование полого катода позволяет вводить порошковые материалы в плазму через полость катода. Такой способ подачи порошка создает условия, при которых Частицы попадают в центральную часть столба токонесущей плазмы и нагреваются, причем выброс частиц за пределы столба плазмы незначителен.

В течение последних двадцати лет в России в зя рубежом проведены широкомасштабные исследоваиия по изучению синтеза химических веществ; восстановления и окисления, легирования и плакирования материалов, распыления и плазменного травления, а также других технологических процессов

с целью оптимизации параметров этих технологий. Фундаментом этих исследований являются результаты теоретического и экспериментального изучения теплофизических и газодинамических пилений в зоне взаимодействия фаз. Расчеты температурных полей, концентраций, скоростей компонентов процесса и интерпретация на их основе опытных данных физико-химического анализа являются методологической основой разработки новых процессов с использованием вакуумного дугового разряда для ибработки материалов в виде-порошков.

Существующие модели процессов тепло- и массообмена частиц в плазменном потоке главным образом ориентированы на процессы напыления, сфероиднзации и плакирования частиц, а также плазмохимического синтеза в потоке. В них рассматриваются процессы взаимодействия частицы с потоком плазмы в широхом спектре давлений и составов плазмообразующих и транспортных газов в приложении к распадающейся плазме дугового и , высокочастотного разрядов.

Принципиальным отличием нагрева и обработки частиц в потоке плазмы вакуумного дугового разряда с полым катодом заключается в том, что процесс взаимодействия плазмы с дисперсными частицами происходит в столбе токонесущей плазмы разряда с диффузной прииязкой дуги к катоду.

Появление принципиально нового технического решения рассматриваемой проблемы определило актуальность комплексного исследования электронагрева порошковых материалов в вакуумных плазмотронах с полым катодом.

Основной целью работы является исследование электронагрева порошковых материалов в вакуумных плазмотронах с полым катодом, включая экспериментальные исследования токонесущего столба разряда, взаимодействие мелкодисперсного порошка с плазмой, его нагрев в спутном потоке плазмы и разработка опытно-промышленных устройств для реализации новых элеггротехнологических процессов обработки порошковых материалов.

В соответствии с поставленной целью а диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Экспериментальные исследования потенциальных и энергетических характеристик пнешнего столба вакуумного дугового разряда и их зависимостей от определяющих исходных параметров.

2. Общая характеристика свойств порошковых материалов, их классификация и постановка сопряженной задачи взаимодействия порошковых материалов с плазменным потоком.

3. Постановка физической и математической моделей электронно-ионного взаимодействия порошковых материалов со спутным потоком плазмы в столбе вакуумного дугового разряда с полым катодом.

4. Исследование электронагрева порошка для различных режимов: до температуры появления термоэмиссии с поверхности порошка при наличии интенсивного испарения материалов с поверхности частиц порошка и в период появления интенсивной термоэмиссии электронов с поверхности порошка.

5. Анализ физических связей, интенсивности электронагрева и электротехнологических процессов при электронагреве порошковых материалов в плазменных потоках низкого давления.

6. Разработка инженерных решений для реализации электротехнологических процессов обработки порошковых материалов в спутном потоке вакуумной плазмы.

7. Создание инженерной методики расчетов и моделирующего программного комплекса для исследования взаимодействия порошковых с плазмой я определения эксплуатационных характеристик промышленных устройств.

8. Опытно-экспериментальные исследования нагрева порошковых материалов (на примере танталовых порошков).

Методы проведения исследования. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием аналитических и численных методов расчетов электронагрева, физических исследований с оценкой точности экспериментов в установленном порядке. Достоверность методов и результатов нсследовапий

ь

проверялась путем сравнения с результатами экспериментов на опытно-промышленной установке.

Научная новизна и значимость работы состоит в том, чю комплекс-научных и прикладных задач исследован но новому направлению развития злектротехнологической техники - нагреву порошковых материалов в столбе дугового разряда вакуумного плазмотрона с палым катодом. При этом впервые установлены распределения потенциальных и энергетических характеристик а столбе разряда, обеспечивающих качественные и количественные взаимосвязи с дисперсной фазой технологического материала, введенною в поток плазмы. Показано, что за счет взаимодействия собственного магнитного поля тока рафяда и заряженной частицы, приобретающей в плазме плавающий потенциал, обеспечивается полная электротехнологнческая обработка всех, частиц материала с дифференциацией по интенсивности нагрева в зависимости от свойств материала, размера частиц, времени пребывания частиц в зоне нагрева и характеристикам * плазменного потока. Разработан моделирующий программный комплекс для численного исследования процессов электронно-ионного нагрева порошков в спутном потоке низкого давления.

Доказано, что при появлении термоэмиссии с поверхности отдельной тугоплавкой частицы процесс взаимодействия с плазмой качественно изменяется, что позволяет интенсифицировать электронагрев и использовать это явление для реализации новых электротехнологий. '

Совокупность научных результатов позволила решить вопросы, сдерживающие расширение использования новых технических решений для реализации плазменных процессов в промышленности.

Практическая ценность работы определяется тем, что создана и экспериментально апробирована методика определения времени пребывания частицы в столбе плазмы, необходимого для достижения требуемых параметров обрабатываемого материала, в зависимости от параметров разряда. Рассмотрены вопросы определения теплового потока на частнцу в зависимости от параметров плазмы.

Результаты работы использованы при разработке конструкции и отработке

режимов промышленного вакуумного плазмотрона для реализации процессов переработки дисперсных материалов.

Вклад автора а проведенные исследования состоит в единоличном обосновании и постановке задачи экспериментальных исследований по определению скоростей перемещения частиц различных размеров и свойств в спутном потоке плазмы, в самостоятельном выборе экспериментальных средств, физико-математических исследований процессов физико-химического взаимодействия в системе "плазма-частица", непосредственном участии в других экспериментах и обработке их результатов.

fía защиту выносятся следующие положения:

1. Комплекс экспериментальных и физико-математических исследований взаимодействия в системе "плазма-частица".

2. Результаты исследования процесса движения дисперсной фазы в потоке низкотемпературной разреженной плазмы.

3. Физическая модель и математическое описание процессов переноса энергии и испарения материалов при нагреве дисперсных частиц в потоке разреженной плазмы вакуумного плазмотрона с полым катодом.

4. Результаты опытно-промышленных экспериментов обработки порошка тантала и программный комплекс расчетной оценки сопряженных электро- и теплофизических процессов электронагрева для использования в инженерной практике при определении параметров плазменной переработки порошков.

Апробация работы. Основные положения н результаты докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Новосибирск, 1995), научно-технических семинарах кафедры "Автоматизированные электротехнологические установки" НГТУ (г. Новосибирск 1993, 1994, 1995, 1996).

Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в 4 статьях и двух отчетах по научно-исследовательским работам, зарегистрированным в

установленном порядке.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести, глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Содержание работы представлено на 139 страницах машинописного текста, графический материал на 24 рисунках, список литературы содержит 108 наименований работ.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, в том числе создание физической модели н ее математической реализации для изучения процессов переноса, нагрева и фазовых переходов при движении дисперсных частиц в потоке разреженной плазмы столба дугового разряда с полым катодом. Отмечается, что представленные в данной работе результаты физического и математического моделирования в совокупности с экспериментальными исследованиями являются составной частью комплекса работ по созданию и исследованию вакуумного плазмотрона, на протяжении ряда лет проводимых и лаборатории электродугового нагрева кафедры "Автоматизированные электротехнологические установки" Новосибирского государственного технического университета, под руководством д-ра техн. наук, проф. B.C. Черед-иенко. Сформулирована цель диссертационной работы, подчеркнуть! новизна и личный вклад рвтора в решение проблемы, сведения о структуре диссертации.

В первой главе дан обор исследований режимов и параметров вакуумного плазмотрона для нагрева дисперсных материалов. Отмечается отсутствие разработок и исследований по использованию вакуумного плазменного разряда с полым катодом для нагрева мелкодисперсных порошковых материалов, приводится общая характеристика исследований вакуумных плазмотронов с полыми катодами различного назначения и анализ литературных данных по этому направлению развития техники.

Приведено описание экспериментальной установки и методики экспериментов по определению электрических и энергетических характеристик столба вакуумного плазменного разряда. На основе их анализа формулируются исходные положения для формирования физической модели воздействия плазмы на движу-

щуюся частицу: состав плазмы, энергетические параметры компонентов плазмы, допущения используемые при рассмотрении процессов переноса в плазме.

Во второй главе рассмотрены характеристики процессов физико-химического взаимодействия в системе «плазма-частица», определяющих основы для разработки и анализа плазменных технологий обработки порошковых материалов. Рассматриваются кинетика взаимодействия металлов с газами, углеродом и примесными металлами на поверхности, а также образование соединений в объеме частицы. Определена значимость физико-химических процессов в плазмоповерхностиых взаимодействиях и роль ионов и возбужденных частиц в гетерогенных реакциях. Проанализированы процессы испарения и конденсационного роста, а также их влияние на явления на поверхности раздела "плазма-частица", коллективные эффекты в потоке дисперсной фазы. Показано, что совокупность процессов, происходящих на поверхности взаимодействия металла с низкотемпературной разреженной плазмой, объединяет комплекс физико-хнмических процессов с участием атомов поверхности и частиц плазмы, причем фактором, определяющим интенсивность, является плотность потока компонентов плазмы на поверхность, состав и энергия частиц плазмы, температура и состав материала на поверхности металла, соотношение длин свободного пробега частиц плазмы и определяющего размера обрабатываемой частицы.

В третьей главе рассматривается нагрев порошков металлов в потоке низкотемпературной разреженной плазмы с целью определения тепловых потоков на частицу в столбе плазмы с учетом свойств порошка.

Рассматриваются два подхода к определению тепловых потоков на частицы обрабатываемого материала. Традиционный подход связан с определением коэффициентов теплообмена между частицей и плазменным потоком. Показано, что такая постановка используется при вычислении потоков в слабо ионизированной термической плазме атмосферного и повышенного давления. В плазме с резким различием температур электронной, ионной и нейтральной компонент для учета составляющих процесса теплоотдачи частицу необходимо рассматривать как электростатический зонд, потенциал которого определяется из

условия равенства нулю полного тока на частицу (плавающий потенциал). При этом для плазмы низкого давления получены расчетные уравнения, определяющие тепловые потоки на частицу малых размеров с учетом изменения параметров плазмы и частицы, а также затрат на испарение материала частицы. Изучен нагрев частиц с учетом влияния размеров частицы на поглощение энергии, которое за счет размерных 'эффектов оказывается зависящим как от температуры частицы, так и от температуры плазмы. Определены методы расчета тепловые потоков, приносимых на частицу отдельно ионами, электронами и нейтральными молекулами. Показано, что в известных работах при расчете тепловых потоков приносимых компонентами плазмы используется кинетическая модель равновесной изотермичной плазмы.

Порошок +транспортны11 raj

Пла1мообра1ующий rai

Катод

Активная юна

Частицы порошка Столб разряда

В диссертации на основе результатов исследования энергетических характеристик столба дугового разряда с полым катодом и с учетом принципиальной схемы процесса взаимодействия частиц порошка с плазмой столба дугового разряда с полым катодом (рис.1) для определения потоков частиц плазмы на поверхность используются методы теории электрических зондов, учитывающие возмущение, вносимое частицей в плазму. При постановке задачи плазма считается полностью ионизированной, двух-компонентной; рассматривается стационарная задача без учета колебательных и релаксационных процессов, задача решается для одиночной частицы в бесконечной плазме. Принимается, что частица имеет отрицательный потенциал из-за различия тепловых скоростей электронов и ионов (суммарный Ток заряда на частицу равен нулю).

Анод

Рис. 1. Принципиальная схема процесса взаимодействия частиц с плазмой дугового разряда с полым катодом

Анализ пропесса нагрева микросферы показывает, что при достижении определенной температуры возникает ток термоэмиссии, соизмеримый с ионным током и существенно влияющий на величину теплового потока на сферу. Поэтому решение задачи о нагреве частицы проводилось в два этапа:

1) вычисление теплового потока на частицу без учета термоэмнссии (режим с относительно низкой температурой);

2) уточнение полученных результатов с учетом тока термоэмиссии.

Показано, что при оценке вклада различных составляющих в суммарный

тепловой поток применительно к нагреву в аргоновой плазме разряда с полым катодом (температура электронов Т< - 5 - 10 эВ и ионов Ъ ~ 1 эВ, потенциал х = 15,8 эВ) можно пренебречь их тепловой энергией ионов по сравнению с энергией рекомбинации. В плазме с указанными параметрами сферическая частица приобретает потенциал порядка 20 В, поэтому необходимо учитывать вклад кинетической энергии еУ - ( V а - <ро), приобретаемой ионами в поле частицы. Таким образом, каждый ион и электрон приносят на частицу соответственно: о = х + еУ, & = 2кТе. Кроме того, при поглощении электрона поверхностью частицы выделяется энергия, равная работе выхода электрона; такое же количество энергии затрачивается при рекомбинации иона на поверхности частицы.

В рассматриваемой модели предполагается, что все ионы попадая на сферу рекомбинируют, а электроны поглощаются. Для ионов это обстоятельство приводит к отсутствию потока отраженных от сферы ионов и, как следствие, возникает отличие функции распределения ио!юв от максвелловской. Значительный отрицательный потенциал сферы (до 20 В) приводит к отражению большей части электронов от ее поверхности. Поэтому, как это принято в теории зондов, функцию распределения электронов в дальнейшем можно принять максвелловской. При этом поверхности сферы достигают только электроны, кинетическая энергия которых достаточна для преодоления возникающего потенциального барьера. Величины электронного тока и электронного теплового потока на сферу определялись как:

I- '' (--—

.......<"

где е, т - заряд и масса электрона соответственно.

Диалогичные выражения для ионной компоненты определялись с учетом функции распределения ионов в плазме, "возмущенной" присутствием металлической сферы. В разреженной плазме для расчета тока заряженных частиц, притягиваемых зондом, применена модель, предложенная И.Е. Аллеиом. Известно, что приближение Аллена - Бома справедливо в предельном случае Я »го (Д - радиус частицы, го - радиус Дебая). При этом, поскольку рассматривается бесстолкноин-тельная плазма, должно выполняться условие // >:• К ( где 4 - длина свободного пробега). Показано что, рассматриваемая модель справедлива для диапазона изменения параметров, определяемого соотношением k » R » го . Для частиц диаметром 10 - 40 мкм при рассматриваемых параметрах плазмы дугового разряда с полым катодом соблюдаются указанные условия и, следовательно, такой подход можно считать допустимым для определения ионного тока на частицы. Расчет потока ионов на зонд (сферу) в этом случае проводился при следующих параметрах: принималось 7V > > 71; движение ионов происходит под действием электрического поля сферы и является строго радиальным; полный поток на сферу сохраняется, так как предполагается, что столкновения и ионизация отсутствуют. С учетом условия квазинейтральности получены следующие выражения для ионного тока и плотности потока энергии на сферу:

Ч, = 2 + Х~Ф> • <2)

где М - масса иона плазмообразующего газа.

В выражениях (1) и (2) потенциал сферы остается неизвестной величиной и определяется из условия равенства нулю полного тока на сферу

1 ЬТ,, (2 М\

К *= ---£./„ - . (3)

2 е V лт /

Полная плотность теплового потока на "холодную" сферу записывалась в виде

(4)

2 V М\ 2 топ )

Два первых слагаемых в скобках этого выражения отражают вклад в тепловой поток ионов, третье слагаемое 2kTt - тепловой поток, приносимый электро-

1Л

нами. Показано, что несмотря на сравнительно малый вклад электронов (например, в режиме холодной частицы около 25% дли аргоновой плазмы с Т< = 5 эВ), тепловой поток сильно зависит именно от их температуры. Эго спязано, во-первых, с зависимостью в модели Аллена ионного тока от температуры электронов ~ V кТе , а во-вторых, с зависимостью от этой температуры энергии, приобретаемой ионом в поле частицы. Таким образом, анализ выражения (4) показал, что свойства плазмообразующего газа ( ^ , А/) и температура электронов Те - являются основными параметрами, меняя которые можно управлять тепловым потоком на частицу.

Показано, что выражение (4) справедливо при обработке порошковых легкоплавких материалов, когда током термоэмиссии со сферы. можно пренебречь. При обработке порошка из материала с высокой температурой плавления наличие тока термоэмнссии со сферы существенно влияет на тепловой поток через изменение величины "плавающего" потенциала. Значение ^получено из решения уравнения баланса токов на поверхности сферы '

и + Л - Л = 0 • . (5)

гдеу'|, _/'), > - плотность ионного тока, тока термоэмиссии и электронного тока на сферу. Считая, что все электроны, эмиттируемые сферой, уходят в плазму, выражение (5) приведено к виду

+ -е-п^^е"' =0, (6)

2 V М \2rnn

где Т, А, Ф - соответственно температура, коэффициент термоэмнссии и работа

выхода электрона. Из выражения (6) получено соотношение для определения

потенциала сферы с учетом влияния термоэмиссии с поверхности

кТ

т -Ч>/

лт А -Т, -е /кт +

I лт

чш

[к ■■"ол}

2 М . . \кТт/

2 л т

(7)

Пренебрегая энергией, уносимой электронами термоэмиссии (а-2А:Г~0,ЗэВ), для теплового потока на "горячую" сферу

2 М

х + 1кТе1п — +2кТе-кТ€ х 2 тп

х 1п

1 + 2-

АТ1

.- + 4 ——-—~=

■цкуи. -.ж

■кТ

(8)

С точностью до членов первого порядка по выражение (8) может быть представлено в виде, иллюстрирующем влияние тока термоэмиссии

д = + А Г2 -е'кт ■ кТе , где до - значение теплового потока, вычисленное по (4).

41. Вт?м:

Т., зВ

Т., эВ

41,, Вт/м2 ц, Вт/м!

Рве. 2. Зависимости теплового потока на частипу д и его составляющих в разреженной плазме от энергии электронов (7») и температуры частицы Тр

На рис 2. показаны расчетные зависимости составляющих (электронной, ионной и термоэмнсснонной) теплового потока на частипу в разреженной плазме от энергии ионов и температуры частицы. Как следует Из графиков. Первые три слагаемых в (8) совпадают с выражением (4), а отрицательный вклад четвертого

слагаемого связан с уменьшением потенциала частицы, и, как следствие, уменьшением кинетической энергии, приобретаемой ионом в иоле частицы.

Представленные зависимости позволили показать, что на начальном пине холодная частица в плазме нагревается преимущественно за счет энергии ионов;

при достижении частицы температуры ~ 2500 К слабое логарифмическое уменьшение ионной составляющей теплового потока компенсируется линейным ростом его электронной составляющей, вследствие увеличения тока шрмоэмиссни и, следовательно, потока электронов плазмы, попадающих на сферу при снижении ее потенциала. Проведенная в данной главе на базе каналовой модели дуги оценка плотности плазмы столба разряда позволила получить соотношения для определения приближенного значения плотности компонентов плазмы в зависимости от тока разряда.

В четвертой главе дано математическое описание процессов тепло- и массообмена при нагреве частиц. Произведены оценки н сформулированы следующие допущения: рассматривается на1рев твердой частицы, расплавление, нагрев расплавленной частицы, испарение при установившейся температуре частицы; коллективные эффекты в потоке частиц незначительны и возможно рассмотрение взаимодействия плазмы с одиночной частицей; нагреваемая частица с массой М имеет форму шара с радиусом й; обрабатываемый сплав является совершенным раствором и имеет N компонентов с массовой концентрацией см.

Показано, что математическое описание нагрева частицы существенно зависит от распределения температуры по сечению частицы. При большой разности температур необходимо учитывать изменение температурного поля частицы в зависимости ог времени для описания массобмена между фазами рассматриваемой системы.

В общем виде система уравнений, описывающая нагрев, изменение состава за счет испарения частиц в условиях разреженной плазмы получено в виде

з

4-л-К1 ■(9-£.(гТ4) + У*----■

''г

O Uh , I 3 ^ А/, (9)

Вычисление времени расплавления частицы производилось исходя из рассмотрения -энергетического баланса частицы. Если компоненты сплава при температуре плавления не испаряются, подводимая к Поверхности частицы энергия расходуется на расплавление и излучение с поверхности. Для этого случая энергетический баланс может быть представлен как

q-Sdi = е а-Т4 S-dr-j^L dM ,

i-i ' '

где: M¡ - масса нерасплавленного,/-го компонента.

Интегрирование дает выражение для определения времени в течение которого частица полностью расплавляется

У L dM t , ; , - (q-s-v-T')-S

где Mjo - масса j-го компонента в момент начала расплавления.

При анализе рассмотренных процессов использовался программный комплекс для расчета нагрева И испарения частицы; проведены расчеты нагрева сплавов с различными концентрациями примесей Н размерами частиц при различных тепловых потоках на частицу. Проведенные расчеты для ряда металлов позволили получить зависимости изменения температуры, состава и размера частиц тугоплавких металлов.

Пятая глава представляет результаты экспериментальных исследований, которые проводились с целью подтверждения адекватности представленных выше моделей.

Исследования движения дисперсной фазы необходимы для определения эффективности нагрева порошка в плазменном потоке н объединяют две основные задачи: определение структуры двухфазного потока и скорости движения частиц.

Проведенный анализ, описанных в литературе н используемых на практике способов измерений параметров в двухфазных потоках, позволил сделать вьюод о

том, что фоторегистрирующне методы скоростной киносъемки являются наиболее доступными и обеспечивают необходимую точность временных и пространственных измерений.

Исследование плазменного двухфазного потока в пространстве между кольцевым анодом и приемным устройством проводилось на экспериментальной установке с вакуумным плазмотроном с кольцевым катодом (рис.3, рис.4,а).

(!'"............ ......... '•"( ьи*

_ полый кольцевой катод

кольиеиой анод

СКС-1М

приемное усг|Юйство

?

Рис.3. Схема эксперимента Рис. 4. Фотография а) и кинограмма б) процесса

Съемка с малыми частотами V » ¡000 к/с позволила получить изображения траекторий движения частиц. Как следует из рис.4,б, частицы двигаются прямолинейно. Отклонение траекторий частиц от осевого направления заметно для крупных частиц, двигающихся по периферии потока, и составляет <р=10°-13°.

Мелкая фракция частиц локализуется в центральной части потока и образует области более высокой интенсивности свечения. Для определения скорости частиц съемка проводилась с частотой у = 2500 к/с в режиме непрерывной развертки. В результате обработки экспериментального материала и расчета скоростей идентифицированных одиночных частиц и сравнения их треков с треками других частиц определено, что частицы имеют скорость от 20 м/с до 50 м/с, причем изменение скорости движения частиц не выявлено. Следовательно, время, в течение которого частица находится в плазме, составляет от 6*10 3 с до 1,5*102 с.

Проведенные эксперименты позволили установить, что движение частиц в потоке плазмы прямолинейное и скорость движения частиц в промежутке между

анодом н катодом не изменяется; время движения частиц заданного размера в потоке плазмы достаточно для полного либо частичного расплавления; ((ютометрические исследования показывают, что крупные частицы частично оплаяляются, а мелкие сфероидизируются.

В дополнение к указанным выше проведены исследования свойств И состава порошка. На основании полученных выражений были выполнены расчеты величин тепловых потоков, необходимые для нагрева порошка тантала в столбе плазмы, и выбран режим работы вакуумного плазмотрона требуемый для обработки конденсаторного порошка тантала 5-го класса в плазменном потоке.

Конденсаторный порошок тантала мг/кг 5» , м2/кг У. кг/м5

Исходный 90 72 4940

Обработанный 100 59 4140

(при 1Р = 2000 А)

Здесь &,з - полная удельная Поверхность; 5& - удельная поверхность по методу воздухопроницаемости; У - насыпная плотность.

Технологическое тестирование полученных изделий (конденсаторов) из порошков, обработанных в столбе плазмы, показало, что удельный заряд (мк.Кл/г) па 10 % выше, а ток утечки (мкА) на 14 % меньше, чем у аналогичных изделий из исходного порошка.

Таким образом, положительные результаты экспериментов, часть из которых представлены в таблице, подтверждают предположение, что электрофизические н тепловые процессы, протекающие при нагреве сферы, связаны между собой, а разработанная методика может использоваться для определения режимов вакуумного плазмотрона, необходимых для нагрева порошка любого материала, а также решить вопрос разработки энерго- и ресурсосберегающих плазменных технологий переработки порошковых материалов.

В шестой главе представлен моделирующий расчегно-информационный программный комплекс, который является программной реализацией разработанной физической и формализованной математической модели, и который необходим для практического использования результатов исследования.

1У

Представленный расчетно-ннформационный комплекс позволяет про» ¡водить расчет требуемых технологических параметров установок для осуществления процессов обработки дисперсных материалов в потоке плазмы дугового ра)ряда с полым катодом.

Основные выводы по работе:

1. Определены качественные отличия структуры внешнего сголба вакуумного дугового разряда с полым катодом от других типов разрядов, позволяющие характеризовать его как поток заряженных частиц, приобретающих в электрическом поле столба с напряженностью 1-3 В/см энергии: ионы « 1 эВ; электроны от 4 до 7,5 эВ. Плотность частиц плазмы в столбе Ю'МО21 м3.

2. Совокупность процессов, происходящих на поверхности взаимодействия частицы с низкотемпературной разреженной плазмой, объединяет комплекс физико-химических процессов с участием атомов поверхности и частиц плазмы, причем, определяющим фактором взаимодействия является состав'и энергия компонентов плазмы, температура и состав поверхности обрабатываемой частицы, соотношение длин свободного пробега частиц плазмы и определяющего размера обрабатываемой частицы.

3. Доказано, что при рассмотрении частицы обрабатываемого материала по аналогии с изолированным электростатическим зондом, приобретающим в плазме равновесный (плавающий) потенциал, параметры внешнего сголба вакуумного дугового разряда с полым катодом допускают использование приближения "холодных ионов" для определения ионного и электронного токов на поверхность частиц радиусом от 10 до 40 мкм.

4. Сформированная физическая и математическая модели электронно-ионного взаимодействия порошковых материалов со спутным потоком плазмы в столбе вакуумного дугового разряда с полым катодом доказывают, что при нагреве частиц свыше 2300 К термоэлектронная эмиссия существенно влияет на процессы переноса в системе "плазма-частица". Что является актуальным при исследовании процессов обработки тугоплавких материалов.

5. Выявлено и доказано, что высокая интенсивность потока энергии из нлазмы на поверхность частицы определяется энергией электронов вследствие значительного отличия их энергии от кинетической энергии ионов в столбе разряда.

6. Разработаны инженерные решения для реализации электротехнологических процессов дистилляции и сфероидизации порошковых материалов в спутном потоке вакуумной плазмы.

7. Создан моделирующий программный комплекс для определения эксплуатационных характеристик промышленных устройств, реализующий инженерную методику расчетов требуемых параметров взаимодействия порошковых материалов с плазмой.

8. Впервые представлены результаты комплексных опытно-экспериментальных исследований нагрева порошковых материалов в плазме вакуумного дугового разряда с полым катодом (на примере танталовых порошков).

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Зырянов С.А. Нагрев дисперсных частиц в плазменном столбе низкого давления// Электротермические процессы и установки; Межвуз. Сб. научи, тр./ Новосибирский электротехнический институт.- Новосибирск, 1989. - С. 31-34.

2. Нагрев порошковых материалов в сильноточных вакуумных дугах. B.C. Чередниченко, Г.П. Еременко, С.А. Зырянов, М.В. Чередниченко// Изв. СО АН СССР. Сибирский физ.-тех. журнал. -1991. Вып. 6. - С. 99-105.

3. Зырянов С.А. Исследование движения частиц в потоках разреженной низкотемпературной плазмы// Электротехнолог, процессы и установки; Сб. научн. тр./ - Новосибирск: ИТ СО РАН, 1995. - С. 91-96.

4. Энерго- й ресурсосберегающая технология переработки порошковых материалов. С.Г. Галкин, А.И. Алиферов, С.А. Зырянов н др.// Экологически перспективные системы и технологии; Сб. научн. тр./ - Новосибирск; НГТУ, 1997. - С.86-92.

5. Исследование процесса нагрева порошковых материалов в вакуумных плазменных установках с сильноточным полым катодом: Отчет НИР/ НЭТИ; Научн. руководитель проф. Чередниченко B.C. - № ГР 01840035546, -Новосибирск, 1984.

6. Исследование процесса рафинирования порошковых материалов в плазменном потоке. Отчет НИР/ НЭТИ; Научн. руководитель проф. Чередниченко B.C. -№ ГР 01880007550, - Новосибирск, 1988.