автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование модулированных дуг и разработка высокоресурсного плазмотрона для обработки порошковых материалов

НАЦІОПАЛЬШІЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛГГЕХШЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Оде Халіль Д. Абу Дарвіш

Р Г б 0<$°РДанія) і З СЕН Я

УДК 621.793.7

ДОСЛІДЖЕННЯ МОДУЛЬОВАНИХ ДУГ І РОЗРОБКА ВИСОКОРЕСУРСПОГО ПЛАЗМОТРОНА ДЛЯ ОБРОБКИ ПОРОШКОВИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.03.06 - зварювання та споріднені технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Київ-2000

Дисертацією с рукопис.

Робота виконана на кафедрі загальної та прикладної фізики Донбаського гірші' металургійного інституту

Науковий керівник

заслужений діяч науки та техніки України, доктор технічних наук, професор Дзюба В’ячеслав Леонідович,

Донбаський гірничо-металургійний інститут, зав. кафедрою ЗПФ

Офіційні опоненти

Доктор технічних наук,

Петров Станіслав Володимирович, Інститут газу НАН України, ведучий науковий співробітник

Кандидат фізико-математичних наук Кривцун Ігор Віталійович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона України, старший науковий співробітник

а

Провідна установа

Приазовський державний технічний університет, кафеї «Зварювального виробництва»

Захист відбудеться «22» травня 2000 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вчеі ради Д.26.002.15 при Національному технічному університеті України «Київськ політехнічний інститут» за адресою: 07056, м. Київ 56, нр. Перемоги 37, корп.19, ауд. 41

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного універеїт України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 07056, м. Київ :

пр. Перемоги 37.

Автореферат розіслано «21» квітня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д.26.002.15, доктор технічних наук, професор

Л.Ф.Головко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Розвиток у кінці 50-х років техніки генерування изькотемпературної плазми дозволив одержати надзвичайно зручний інстру-ент для створення й обробки конструкційних матеріалів. Одним із найбільш озвинених, у теперішній час, таких процесів с плазмове напилення. Це пояс-госться перш за все тими перевагами, які вже дають плазмові покриття в ігазпі ілузей техніки. Плазмові покриття дозволяють одержувати значний техніко-¡сономічпий ефект за рахунок підвищення зносостійкості, корозійної стійкості, ароміцності, ресурсу робота деталей, апаратів, інструменту й технологічного ліащення, а також за рахунок економії дефіцитних матеріалів і трудових рейсів. Плазмові методи розпилювання дозволили в свою чергу розвинути спо-днені технології: одержання дисперсних матеріалів (порошків), високоморальних і композиційних матеріалів, армованих волокнами; виробництво із ту->плавких металів деталей складної форми. Однак, як і раніше стримуючими шпиками використання низькотемпературної плазми у вказаних вище проце-іх і технологіях, є недостатні ресурс роботи плазмотронів та інтенсивність на-цву дисперсних частинок (ККД використання плазми). Роботи останніх років зказали, що з точки зору вказаних проблем найбільш перспективними є вико-істовування при розробці напилювальних плазмотронів і обробці порошків [теїстів шунтування й розщеплення дуги в прикатодній і прианодній областях і здуляції струму дути з метою одержання резонансу в різних режимах роботи іазмотрона й нагріву порошка. Відсутність систематичних експериментальних ісліджень, пов'язаних із використанням цих ефектів, погребують додаткових »сліджень і вказують на актуальність теми дисертації.

Дисертаційна робота виконана на кафедрі загальної та прикладної фізики знбаського гірничо-металургійного інституту (ДГМІ) в рамках державної нау-іво-технічної програми за напрямком «Екологічно чиста енергетика й ресур-зберігагочі технології».

Мета роботи полягас в розробці високоресурсного плазмотропа для об-ібки порошкових матеріалів і в пошуку методів підвищеппя його працездатно-і й ефективності.

Завдання дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно в рішити наступні завдання:

- проаналізувати відомі теоретичні та експериментальні дослідження, її правлені на підвищення ресурсу робота плазмотрона й ефективності обробі порошкових матеріалів у струмені плазми;

- накреслити шляхи щодо створення високоресурсного й ефективно плазмотрона для обробки порошкових матеріалів;

- на підставі одержаних даних по п.1 і п.2 розробити плазмотроп з п рожнистим торцевим катодом із розщепленням анодної та катодної ділянок д потужністю до 50 кВт, і дослідити його характеристики;

- на підставі результатів дослідження, аналізу процесів, які відбупаїотьс; дуговій камері, розробки моделі дуги в плазмотроні отримати розрахункс формули для оцінки його електричних і теплових характеристик і виявити впл модуляції струму дуги на працездатність плазмотрона й ефективність оброб порошкових матеріалів;

- здійснити практичне випробування створеного плазмотрона.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- виявлено тенденцію формування розподіленої дифузійної прив'язки ду в розрядному каналі плазмотрона в режимі модуляції струму в діапазоні/= 0,: 4 кГц, Іеф = 0 - ЗО А, в = (0,2 - 0,8)-10“3 кг-с"1 прир = 1-Ю5 Па;

- виявлено, що в режимі модуляції струму дуги поряд зі значним скор ченням довжини струменя відбувається різке розширення високотемнературі го ядра. Розроблено спосіб керування інтенсивністю нагріву дисперсних часі нок;

- установлено вплив модуляції струму дуги на зниження ерозії порожні того мідного катода в повітрі ~ на 20% у діапазоні: 1 = 100 - 300 А, Іеф — 30 в = 0,85-10"3кг-с-1,/= 0,3 - 3 кГц;

- одержало теоретичні формули для розрахунку теплових та електричн характеристик плазмотрона з нестаціонарною електричною дугою змінного ] діуса в каналі.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- розроблено і досліджено плазмотрон для обробки порошкових матер лів потужністю до 50 кВт. Ресурсні дослідженім плазмотрона при струмові дз

з

Ю 300 А, напрузі на дузі 130-250 В і витраті робочого газу (повітря) до 1,5 г/с жазали, що термін служби його електродів становить більше 100 год. Таким пюм вирішене завдання щодо створення плазмотрона підвищеної сфективнос-і працездатності з порожнистим торцевим катодом із розщепленням анодної катодної ділянок дуг, який працює на повітрі, потужністю до 50 кВт,

- вирішено питання додаткового підвищення ресурсу роботи створеного іазмотрона до 108 год і ефективної обробки порошкових матеріалів за рахунок ікладашія на позитивний стовп дуга зовнішніх електричних збурень;

- теоретичні формули для розрахунку теплових та електричних характе-істик плазмотронів можуть бути використані для інженерних розрахунків пла-ютронів створеного класу в діапазоні змін: І — 50 - 300 А, /У 130 - 250 В, = (0,2 - 1,5)-10~3 кгчГ1, 3-10 кг/год,/= 0,3 -3 кГц, Іеф до 60 А.

- розроблений плазмотрон пройшов промислове випробовуваїшя при на-сенпі захисних покриттів на оснащення при виробництві карбіду вольфраму й [я одержання ультрадисперсних порошків.

Апробація роботи. Основні положення й результата дисертації доповілася і обговорювались на 5-й Міжнародній конференції з термічних плазмових юцесів (С. - Петербург, 1998 р.), на Міжнародній науково-технічній конфере-[ії «Плазмотехіюлогія-2000» (Запоріжжя, 2000 р.), а також на науково-атічних конференціях Донбаського гірничо-металургійного інституту . Алчевськ, 1996-1999 рр.). ■

Публікація матеріалів. За темою дисертації опубліковано 6 наукових атей, у тому числі в збірниках, затверджених ВАК України, 4 статті.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох зділів, висновків і списку використаних джерел із 145 найменувань.

Дисертаційна робота містить 153 сторінки машинописного тексту, 52 ринки і 5 таблиць.

Особистий внесок автора. Дисертаційна робота виконана під керівпицт-м професора Дзюби В.Л. за участю Сергієнко С.М., Корсунова К.А., Бірюко-ї Т.В. Особистий внесок автора відображено в наступних положеннях, винених на захист:

- у виявленні принципів і прийомів, які сприяють підвищенню ефективно-і обробки порошкових матеріалів і працездатності плазмотрона;

- у розробці високоресурсного плазмотрона для обробки порошкових м теріалів потужністю до 50 кВт, який працює на агресивному робочому газі;

- у результатах теоретичних і експериментальних досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі подано короткий огляд експериментальних і теореті чних робіт по досліджуваній темі, який дозволив виявиш умови, що сприяю' підвищенню працездатності плазмотрона й ефективності обробки порошкові матеріалів. Установлено, що основними напрямами при створенні високор сурсного й ефективного плазмотрона є застосування мідних водоохолоджув них електродів, розподілення дуги по довжині розрядного каналу й використа ня динамічних властивостей дуги, тобто режиму модуляції струму. Сформуль вано завдаїпія дисертації.

У другому розділі міститься опис експериментальної установки, п складається із систем електро-, газо- та водозабезпечення й методика вимір та оцінка похибок. Подано розрахунок і конструктивну схему створеного іша мотрона (рис. 1), який являє собою однокамерний лінійний плазмотрон з газ<

вихровою стабілізацією. Він місти катодний 1 і анодний вузол 2, влаї товані в корпус колектора 3. Кате ний вузол складається з мідного п ліндричного катода, розміщеного сталевому катодотримачі. Така кс струкція допускає багаторазове е користання катодотримача й швид заміну катода ири виході його з ла; В циліндричному каналі катода на] зано канавки глибиною 1,5 мм довжині 25 мм, які сприяють розп плешпо катодної ділянки дуги утворешно кількох опорних плям дуг. Анодотримач анодного вузла складаєть із фланца і диска з’єднаних між собою зваренням і забезпечених отворами д

Рисунок 1 - Конструктивна схема плазмотрона ПЛ-8: 1 - катодний вузол; 2 - анодний вузол; 3 - колектор

роходжешш охолоджуючої води. На внутрішній циліндричній поверхні фланця і сторони катодотримача виконана шестизахідну прямокутну різь, що забезпе-ує вихрову подачу робочого газу до розрядного каналу. Зовнішня поверхня нодотримача має отвори з різзю для підключення клеми електроживлення і для ріштенпя вузла подачі напилюваного матеріалу. Мідний анод виконаний у г,и-ляді порожнистого циліндра, в середині якого, так як і в середині катода, нарі-апо поперечні канавки глибиною 1 мм на довжині 11 мм для розщеплення ано-пої ділянки дуги. Технічна характеристика створеного плазмотрона потужніс-ю до 50 кВт типу ГТЛ-8 подана в табл. 1.

аблиця 1 - Технічна характеристика плазмотрона потужністю до 50 кВт

Тип N, кВт І, А с, 10~3 кг/с V б*,» кг/год СшР , 10"4 кг/с 10 Зм 4, 10'3 м 7'’ . 10'3м к, 10"3 м

ІЛ-8 36-50 300 0,2-1,5 0,6-0,7 3-10 0,16-2,6 5 6,5 23 30

Промислове застосування плазмотронів для обробки порошкових матері-лів потребує подальшого підвищення їх ефективності і ресурсу роботи. Поніу-и розв’язання даної задачі привели до ідеї впливу на ПС дуги частоти зовніш-ього збурення, тобто створення нестаціонарного режиму роботи плазмотрона, (ля реалізації такого режиму на плазмотрон подавалось мале синусоідне

збурення (рис. 2) від генератора Г в широкому діапазоні зміни частоти ґ через підсилювач У типу ТУ-5-4. Джерело змінної напруги включене паралельно основному джерелу UZ. Ефективне значенім змінної складової струму 1^ змінювалось до 30 А залежно від діапазону відтворюваних частот.

У третьому розділі подано результати експериментальних і теоретичних ;осліджень розробленого плазмотрона. У процесі експериментів досліджува-

исунок 2 - Принципова схема реалізації естаціонарного режиму роботи лазмотрона

лись характеристика плазмотрона і плазмового потоку, як у стаціонарному таї в модульованому режимі. Експерименти проводились при наступних параме рах плазмотрона, який працював на повітрі: с!х =5-10~3л/, / — 55• 10“3; І =50-300 .<4, / = 0,3-4 кГц, Іеф = 0-30А, Є = (0,2-1,5)-10 Зкг/с пр

р= І-10і Па.

Дослідження показали, що в стаціонарному режимі роботи плазмотрона збільшсппям струму збільшується довжина струменя, що пояснюється зроста ням потужності розряду, й, відповідно температури і швидкості потоку. Збіл шешія виграти газу приводить до збільшення /с. У модульованому режимі до жина струменя зменшусгься, але при цьому помітно розширюється високоте: пературне ядро і змінюється структура струменя. Вплив глибини модулях струму дуги на Іс показано на рис. 3. Як видно, із збільшенням Іеф довжин

струменя різко зменшується, пра нучи до деякого граничного зн чення. Швидкість зменшення Іс ростом Іеф залежить від витрат

плазмоутворюючого газу, ностійн складової струму та частоти кол вань.

Досліди показали, що при з

0 <0 20 50 Ьф,А .

даних параметрах плазмотрона і

Рисунок 3 - Залежність довжини струменя ,

. . нує деяке критичне значення /.

від сили струму в модульованому режимі '

1/=4 кі'ц; 2/=1 кГц; 3 /-0,3 кГц; таке, що при Іеф > Іефжр режим р

<7=0,4-Ю-3кг-с“1; о, А, □ -І0=75 А; А-50 А я ...

’ боти плазмотрона стає нестіиким.

Мінімальне значення Іс визначається Іефхр. Коливання струму різних частот н

однаково впливають на плазмовий струмінь. Із даних рис. 4 видно, що залез

ність 4(/) суттєво нелінійна, спостерігається яскраво виражений мінімум, які

посилюється з ростом величини змінної складової струму. В області / > 1 кГц

збільшенням частоти коливань Іс збільшується, досягаючи при / = 4 кГц зн

чення в стаціонарному режимі. Досліджешія показали, що найбільший вплі

соливань струму на довжину плазмового струменя спостерігається при великих і піратах газу. Із збільшенням витрати газу вплив збурень електричних параметрів на Іс слабшає, так як при цьому зростає роль газодинамічпих збурень. Методом спектральних вимірів були визначені радіальні розподілення температури і струмені плазми. За одержаїшми експериментальними даними були збудовані температурні поля у плазмовому струмені. Вольт-амперні характеристики плазмотрона ПЛ-8 у стаціонарному режимі мають спадаючий характер. Збільшення

витрати газу приводить до збіль-шеши напруги на дузі, що пояснюється збільшенням електропровідності плазми із збільшенням струму. Розпізнавального рисою вольт-амперної характеристики у змінному струмі є її зростаючий вид. У дослідженому діапазоні зміни параметрів при фіксованому значенні І€ф вплив частоти коливань струму на величину 1/еф не виявлений.

Реалізація нестаціонарного режиму роботи плазмотрона привела до зміни іроцесу шунтування за рахунок зміни частоти збурення, що накладається на ду-у і змінної складової струму. Це в свою чергу привело до зміни характеру роз-іоділу ерозії матеріалу в досліджуваному діапазоні струмів при інших рівних /мовах (складу і витраті газу й геометрії розрядного каналу), тобто до зміни максимальної та мінімальної довжини ІІС дуги.

Електроди на ерозію досліджувались при струмах 100-300 А. Експерименти для кожного значення струму тривалістю не менше 6 год повторювались гричі. При цьому електроди (окремо катод і анод) зважувались на демпферних ш ах (з точністю до 10~7 кг) до запуску та після закінчення експерименту.

Подалі на рис. 5 дані дозволили виявити критичне значення сили струму, три якій відбувається різке збільшення питомої ерозії мідного порожнистого катода. Однак при нестаціонарному режимі спостерігається деяке відставання

?исунок 4 - Залежність довжини струменя зід частоти коливань струму: 1 -Іе<р= 10 А; 2-20 А; 3-30 А,С = 0,4-10'3 кг-с‘‘; /0- 75 А

зростання ерозії. Подальші експерименти показали, що за допомогою зміни ча тоти коливань струму дуги можна у певних межах змінювати ерозію електроді Ефект зниження ерозії при нестаціонарному режимі роботи іілазмотрона моя нюється усунешіям великомасштабного шунтування і формуванням розподіл ної дифузної прив'язки дуги в розрядному каналі.

Рисунок 5 - Ерозія катода в повітрі Рисунок 6 - Ерозія катода при зміні d - 5-Ю Зм, G = 0,85-10_3кг/с частоти модуляції струму: І - 150 А,

1 - стаціонарний режим; 2 - нсстаці- G = 0,85-10“3 кг-с_1,/е^= ЗО А онарний режим./ = 3 кГц, Іеф = 30 А

Ресурсні досліджешія плазмотрона ПЛ-8 у режимі модуляції струму шл хом серії тривалих запусків при І = 150 А і Сі = 0,85 г/с дозволили збільши працездатність плазмотрона без заміни електродів понад 108 год.

З метою одержання аналітичних залежностей для розрахунку тепловм електричних характеристик ПС нестаціонарної дуги в каналі з потоком га прийнято низку спрощуючих припущень: у рівнянні збереження енергії для П дуги можна знехтувати роботою сил статичного тиску й сил в'язкого тертя, п ренесеїшям тепла в напрямку осі каналу за рахунок теплопровідності в порі шшні із джоулевою дисипацією енергії, перенеседням тепла в радіальному н прямку осі ПС і випромінюванням.

У вказаному наближенні теплові і електричні характеристики ПС описуі ться системою рівнянь

5І?+±^И=о, (2)

а Ісо 8г У ’

<9

І = 2к112Е^ огсіг. (3)

т

Помножимо (2) па \мт, складемо з (1) і введемо функцію 5, = | %<ІТ.

о

При лінійній апроксимації рм = , и та є від Б задача зводиться до

, . ¿5 V ¿Б ад( п2 _ ІД» ...

юзв язання рівнянь-------ь-----=------г— + с.Е - -------л. (4)

а і & гдгКсг) х 2 і&

' і

І(і) = 2 л-/?2Я(г,г)ст1| 5(г,2,/)гс/г (5)

(6)

три початкових і граничних умовах

5(гД?) = р,(г,/), 8(г,2,0)=<рг{г,г) ,

Б(С.г.і) = 0, 5(0,2,/) = 0.

Тут

1 є< ХТ ^1 о 5с

а = —----, с, = —с, = ——, N. =----, Є, = —. (7)

П2соМ, 1 аМ, соИ, аЧ 5 ! <ЗБ

Нехай

у = у0-а(^), + ^>0, £=£0л[і + кіпа, к> 0. (8)

Перейдемо до нових незалежних змінних

г' = г/¿¡, х = г, г = ґ -Іпаиь>:', Ь = у0/Ісо. (9)

Після чого рівняння (4) приймає вигляд

, „2<Я7 , ,, \тт/-г ^ Г ,<^Л 1 «з,, і ,д\] ....

4<-- + (с> + И,)^ .--Дг'-] +і? ЬИсг'-, (10)

яке будемо розв’язувати методом розділення змінних. Нехай

и(г,,х,т)=Еі(г')-Р(х,т). (11)

0

У разі, коли на дугу постійного струму накладені зовнішні збурення 9^.*)= А-фМ,г/£),

І{І)=Іо{і + ІС05І),І = Іт/І0, пл'їп^'іяинам птттшттш і П М г

(і:

Туг

8(г,г,і) = І^-Ф^.г/^ліїсг^^(г./у,] \ (і:

£'(2,/) = 50(і + /со5ґХ^/Со)2!лг/^,^«Сг/“‘ -^''(*■*)■ (Ь

£0 = /0(2^2^024Гі)‘1,

Т(7,г) = Ей(\ + ісо8і)^/^/М)-а^\

(1-

(1<

Одержані формули (13) і (14) дозволяють розрахувати теплові та електрі чні характеристики ПС дути змінного радіуса з урахуваїшям їх залежності ві фізичних властивостей, витрати і швидкості витікашія газу вздовж осі плазмотрона, розмірів дугової камері

І та початкового розподілу фун

кцій теплопровідності при до вільному законі зміни струму В окремих випадках одсржа ний розв’язок (рис. 7) співпа ^2 дає з експериментальними і

теоретичними результатам і

Рисунок 7 - Розподіленім напруженосгі г10. Даугова, Ф.А.Сальянова

електричного поля /<го0 А; 0=0,2-10 кг-с ;

/=4 кГц; Іеф=24 А; ІС\-А. 1,2 розрахунок по М.М.Шаранова.

формулі (14) при К=10 та 40 відповідно;

3,4-даіші Ф.А.Сальянова і М.М.Шаранова

У четвертому розділі наведені деякі результати практичного застосування розробленого плазмотрона в установках для нанесення захисних покриттів на зснащення для виробництва карбіду вольфраму і диспергування кисневих та Зезкисневих порошків. Реалізація розробленого плазмотрона у вказаних техно-іогіях показала його високу ефективність.

ВИСНОВКИ

1. Літературний огляд досліджень нагріву газів стабілізованої електричної туги показав, що з точки зору ефективності нагріву й ресурсу роботи плазмові іпарати (плазмотрони) для обробки порошкових матеріалів далекі від досконалості. Для подальшого розширення сфери їх промислового застосування необхідний пошук технічних рішень, які сприяють ефективності наїріву порошка, ііднищеїшю працездатності електродів і знижегапо експлуатаційних витрат. Зирішеїпія цих проблем можна частково здійснити за рахунок розщеплення шодної та катодної ділянок дуги, застосувати порожнистих електродів і керу-іання динамічними характеристиками плазмотрона. Все це вимагає проведення іодапсових досліджень процесів, що відбуваються в розрядному каналі плазмотрона, і пошуку нових конструктивних рішень.

2. Розроблено й досліджено плазмотрон для обробки порошкових матері-шів потужністю до 50 кВт. Ресурсні випробування плазмотрона при струмові туги 100-300 А, напрузі на дузі 130-250 В і витраті робочого газу (повітря) до 1,5 г/с показали, що термін служби його елекіродів становить понад 100 год. Таким чином вирішене завдання щодо створення плазмотрона підвищеної ефективності та працездатності з порожнистим торцевим катодом з розщепленням інодної й катодної ділянок дуг, працюючого па повітрі, потужністю до 50 кВт.

3. Уперте виявлено тенденцію формування розподіленої дифузійної привязки дуги в розрядному каналі плазмотрона в режимі модуляції струму в діа-іазоні / = 0,3—і кГц, Іеф = 0-30 А,Є = (0,2 - 0,8)-10~3 кг-с“1 при р = 1-І 05 Па.

4. Вирішено питання додаткового підвищення ефективності обробки порошкових матеріалів і ресурсу роботи плазмотрона створеного класу за рахунок шкладсння на позитивний стовп дуги зовнішніх електричних збурень. Ресурсні шпробування з урахуванням реалізації нестаціонарного режиму роботи плазмо-

трона й розщеішешія катодної та анодної ділянок дуги показали працездатністі електродів плазмотрона 108 год при струмі душ 150 А і витраті плазмоутворю ючого газу (повітря) 0,85 г/с.

5. Досліджено залежність довжини плазмового струменя, який витікає : ішазмотрона, від ефективного значення змінної складової струму й частоти йоіч коливань. При малих витратах газу залежність Іс{/) має характерний мінімум прі /= 1 кГц. При фіксованій частоті довжина струменя монотонно зменшується і: збільшеїпіям Іеф. При великих витратах газу, а також при £ = 4 кГц і більші вплив коливань струму на довжину плазмового струменя не виявлений. Показа на можливість керування температурним полем струменя за допомогою зовніш ніх збурень струму при малих витратах газу.

6. Отримано аналітичні залежності для розрахунку теплових та електрич них характеристик ПС нестаціонарної електричної дуги змінного радіуса з ура хуваїпшм фізичних властивостей, витрати й зміни швидкості газу вздовж ос плазмотрона, розмірів дугової камери й початкового розподілешш функцій теп лопровідності при довільному законі зміни струму. В окремих випадках одер жаний розв’язок співпадає з результатами відомих теорій Г.Ю.Даутовг Ф.А.Сальянова.

7. Подано порівняння результатів розрахунку за одержаними формулами власними експериментальними результатами й даними інших авторів. Показа но, що врахування змінності радіуса електропровідної області дає задовільн згоду теорії й експерименту.

8. З метою пракгачного виявлешія корисності плазмотронів було розроС лено плазмові комплекси для нанесеїпія захисних покриттів на оснащення дл виробництва карбіду вольфраму й плазмове одержання кисневих і безкисневи порошків.

9. Зразки оснащення, захищені композиційним плакованим матеріало: системи (№) (графіт) марки ПГН-75 випробовувались на Торезському заво; наплавочних твердих сплавів. При цьому стійкість захищених графітових чоі ників збільшилась в два і більше рази.

10. Дослідження оброблених у плазмі кисневих і безкисневих порошкі показали, що при диспсріуванні кераміки 2г02-6Са0 спостерігається тенденц зміщення дисперсного складу в бік дрібних фракцій, а диспергування полімері

зованого геліо БЮг дозволило одержати значне збільшення фракцій порошку в 1-2 мкм.

Основний зміст дисертації опубліковано в працях:

1. Дзюба В.Л., Брожко Р.Н., Оде Халиль Д. Лбу Дарвиш. Теоретическое исследование положительного столба нестационарной дуги в разрядном канале плазмотрона // Сборник научных трудов Донбасского горно-металлургического института(ДГМИ).-Вып. 9-Алчевск: ДГМИ, 1999-С. 108-112.

2. Дзюба B.JL, Оде Халиль Д. Абу Дарвиш, Сергиенко С.Н. Экспериментальные исследования характеристик плазмотрона в условиях модуляции тока // Сборник научных трудов Донбасского горно-металлургического института (ДГМИ).-Вып. 10,- Алчевск: ДГМИ, 1999,-С. 153-157.

3. Дзюба В.Л., Оде Халиль Д. Абу Дарвига, Сергиенко С.Н. Плазмотроны для порошкового нанесения покрытий // Автоматическая сварка - 2000 - №1-С. 58-60.

4. Дзюба В.Л., Оде Халиль Дахлалла Авад, Бирюкова Т.В. Исследования по созданию плазмотронов для напыления. // Сборник научных трудов Донбасского горно-металлургического института (ДГМИ).- Вып. 8- Алчевск: ДГМИ, 1998-С. 115-119.

5. V.L.Dzuba, Ode Halil Avad and T.V.Birukova. Plasmotron for Coating // TPP-5 fifth European Conference on thermal Plasma Processes - St. Petersburg-1998-p. 171.

6. V.L.Dzuba, Ode Halil Abu Darvish and S.N.Sergienko. Plasmotrons for Powder spraying of coating // the Paton welding journal - 2000. № 1 - p. 54-55.

Прийняті позначення: E, I, U - напруженість електричного поля, струм і напруга розряду; х, Р ~ теплопровідність, електропровідність, щільність газу; d, R, / - діаметр, радіус і довжина розрядної камери, r,z- циліндричні координати, віднесені відповідно до R і /; - радіус 1ІС дуги, віднесений до R; S\ -

функція теплопровідності; S = S\ -5<; 5* - значегшя Si на межі стовпа дуги; W -внутрішня енергія; Іт, Іеф - амплітудне й ефективне значення змінної складової струму;/- частота коливань струму; hc- середньомасова ентальпія газу; /ín - корені РІВНЯННЯ ФпІРп, 1) = 0.

Анотація

Оде Халліль Д. Абу Дарвіш (Йорданія) Дослідження модульованих дуг розробка високоресурсного плазмотрона для обробки порошкових матеріалів. Рукопис

Дисертація иа здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спе ціальністю 05.03.06 - зварювання і споріднені технології,- Національний тех нічний університет України «КПІ», 2000 р.

Дисертація присвячена розв’язанню конкретної наукової задачі, пов'язане з розробкою високоресурсного плазмотрона для обробки порошкових матеріг лів і пошуку методів підвищення його працездатності та ефективності.

Пошук шляхів вирішешія цих проблем дозволив створити однокамернії лінійний плазмотрон з газовихревою стабілізацією дуги потужністю до 50 кВ' що містить порожнисті мідні електроди, всередині яких виконані поперечі (гвинтові) канавки, які сприяють розщеплеіппо катодної і анодної дільниць дуг розподілу струму по довжині розрядного каналу. Така конструкція дозволил збільшити ресурс роботи, в порівнянні з відомими розробками напилювальни нлазмотронів, більш ціж у два рази. У процесі досліджеіпія плазмотрона вияі лено, що ресурс роботи плазмотрона й ефективність обробки порошкових мат< ріалів можуть бути значно підвищені за рахунок впливу на позитивний стов (ПС) дуги зовнішніх електричних збурень.

Для розрахунку теплових і електричних характеристик плазмотрона з н< стаціонарною електричною дугою змінного радіуса в каналі отримані теоретіп ні формули, які можуть бути використані для інженерних розрахунків. В окр< мих випадках отримане рішення співпадає з результатами відомих теорі Г.Ю.Даутова і Ф.А.Сальянова.

Розроблений плазмотрон пройшов промислове випробування при наш ссшіі захисних покриттів на оснащення при виробництві карбіду вольфраму для отримання ультрадисперсних порошків.

Ключові слова: плазмотрон, ресурс роботи, тепловий ККД, частота, ефе; тивний струм, розщеплення дуги. .

Summary

Odch Khalil D. Abu Darwish (Jordan) Research of modulated arcs and elaboration of highly-resource plasmotron for processing powder materials.-Manuscript

Dissertation for a candidate degree of technical sciences on specialty 05.03.06

- welding and related technologies.-National Technical University of Ukraine.

Dissertation is dedicated to solving the concrete scientific task connected with design of highly-resource plazmotron for processing of powder materials and searching methods of increasing their working capacity and effectiveness.

Searching the methods for solving such problems allowed to create singlecamera liner plazmotron with gas-whirlwind stabilization of arc at capacity 50kWt containing the hollow copper electrodes, in which the transversal (screw) trenches are made, facilitating the breaking up of cathode and anode arc areas and distributing the current over the length of discharged channel. Such construction allowed to increase the working resource on comparison with famous projects of raise-dusting plazmotrons more that twice.

During research of plazmotron it was exposed, that working resource of plazmotron and efficiency of powder materials processing could be considerably increased by influence on the positive arc post with external electrical indignation.

For calculating of thermal and electric characteristics of plazmotron with non-stationary electrical arc of variable radius in channel there were got theoretical formulas, which could be used for engineering calculations. In private cases taken decision coincides with results of famous theories of G.Yu. Dautov and F.A. Saljyanov.

Developed plazmotron went through industrial testing at piling up the protective covers over the equipping when produce the tungsten carbide and for receiving ultra-disperse powders.

Key words: plazmotron, working resource, thermal efficiency, frequency, effective current, arc breaking.

Аннотация

Оде Халлиль Д. Абу Дарвиш (Иордания) Исследование модулированны: дуг и разработка высокоресурсного плазмотрона для обработки порошковы: материалов — Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук т специальности 05.03.06 - сварка и родственные технологии,- Национальны] технический университет Украины «КПИ», 2000 г.

Диссертация посвящена решению конкретной научной задачи, связанно с разработкой высокоресурсного плазмотрона для обработки порошковых мате риалов и поиску методов повышения его работоспособности и эффективности.

Основными недостатками плазмотронов для обработки порошка являют ся недостаточные ресурс работы электродов и интенсивность нагрева дисперс ных частиц. Поиск путей разрешения данных проблем позволил создать одне камерный линейный плазмотрон с газовихревой стабилизацией дуги мощне стью до 50 кВт, не имеющий аналогов в мировой практике. Разработанны плазмотрон содержит полые медные электроды, внутри которых выполнен) поперечные (винтовые) канавки, способствующие расщеплению катодного анодного участков дуг и распределению тока по длине разрядного капала. Така конструкция позволила увеличить ресурс работы, по сравнению с известным разработками напылительных плазмотронов, более чем в два раза и достич 100 ч. Плазмотрон имеет следующие основные технические данные: ток дуги д 300 А, напряжение на дуге 130-250 В, расход рабочего газа (воздуха) д

1,5-10'3 кг/с, КПД - 0,6-0,7, расход транспортирующего газа (0,16-2,6) 10-4 кг/< производительность по обработке порошка 3-10 кг/ч. В процессе исследовано плазмотрона выявлено, что ресурс работы плазмотрона и эффективность обр; ботки порошковых материалов могут быть значительно повышены за счет во: действия на положительный столб (ПС) дуги внешних электрических возмущ( ний. При этом обнаружена тенденция формирования распределенной привязк дуги в разрядном канале плазмотрона в режиме модуляции тока в диапазоне: / 0,3 - 4 кГц, 1эф = 0 - 30 А, О - (0,2 - 0,8)Т0~3 кг-с~’ при р = 1Т05 Па. В режим модуляции тока дуги наряду со значительным сокращением длины струи прс исходит резкое расширение высокотемпературного ядра, что позволяет упра] лять шггенсивностыо нагрева дисперсных частиц. Установлено влияние мод; ляции тока дуги па снижение эрозии полого медного катода в воздухе ~ на 20‘ в диапазоне: I = 100 - 300 А, б = 0,85Т0_3 кг-с-1,/ =0,3-3 кГц, 1эф = 30 А.

Для расчета тепловых и электрических характеристик плазмотрона с нестационарной электрической дугой переменного радиуса в канале получены теоретические формулы, которые могут быть использованы для инженерных расчетов. В частных случаях полученное решение совпадает с результатами известных теорий Г.Ю.Даутова и Ф.А.Сальянова. Сравнение результатов расчета с собственными экспериментальными результатами и данными других авторов дает удовлетворительное согласие теории и эксперимента.

Разработанный плазмотрон прошел промышленное опробывание при нанесении защитных покрытий на оснастку при производстве карбида вольфрама и для получения ультрадисперспых порошков. Образцы оснастки, защищенные композиционным плакированным материалом системы (№) - (графит) марки ПГН-75 испытывались на Торезком заводе наплавочных твердых сплавов. При этом стойкость защищенных графитовых лодочек увеличелась в два и более раз. Исследования обработаншлх в плазме кислородных и бескислородных порошков показали, что при диспергировании керамики ЕгОг-бСаО наблюдается тенденция смещения дисперсного состава в сторону мелких фракций, а диспергирование полимеризованного геля БЮз позволило получить увеличение фракций порошка в 1-2 мкм.

Ключевые слова: плазмотрон, ресурс работы фективный ток, расщепление дуги.

Підписано до друку 20.04.2000 р. Формат 60x90/16.

Папір офсетний № І. Друк офсетний. Замовлення X? 221. Тираж 100 прим. Обсяг 1 друк. арк. Видавничо-поліграфічний центр Донбаського гірничо-металургійного інституту 94204, м. Алчевськ, пр. Леніна, 16, кімн. 2113

, тепловой КПД, частота, эф-