автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка и исследование электродуговых плазмотронов с длительным ресурсом работы для электротехнологий плазменного воспламенения угля, резки и сварки металлов

На правах рукописи

Урбах Андрей Эрихович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ С ДЛИТЕЛЬНЫМ РЕСУРСОМ РАБОТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ ПЛАЗМЕННОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ УГЛЯ, РЕЗКИ И СВАРКИ МЕТАЛЛОВ

Специальность: 05.09.10.- Электротехнология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2003

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете и институте теплофизики СО РАН

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Кувалдин Александр Борисович - доктор технических наук, профессор

Радченко Михаил Васильевич

Ведущая организация: Институт теоретической и прикладной

Защита состоится 18 декабря 2003г в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д212.173.04 в Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса 20. Е - mail: elterm@tantra.power.nstu.ru; факс (3832) 46-28-67

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Аньшаков Анатолий Степанович

механики СО РАН г. Новосибирск

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета

Бородин Н.И

А

17жг

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современном обществе интенсификация промышленного производства во многом определяется новыми высокоэффективными электротехнологиями. К их числу относятся плазменные технологические процессы в химической, металлургической, машиностроительной и других областях производства. Источниками высокотемпературных потоков в рассматриваемых электротехнологиях являются электродуговые нагреватели газов (плазмотроны). Плазмотроны во многих случаях являются наиболее ответственными узлами электротехнологических установок. Часто именно от них зависит не только эффективность использования электроэнергии, но и производительность установок в целом и качество конечных продуктов. Области применения плазмотронов достаточно обширны: нанесение износостойких, антикоррозионных и иных покрытий, резка и сварка металлов, переработка токсичных отходов и т.д. В последнее десятилетие в России началось использование плазмотронов для плазменного розжига и подсветки пылеугольных котлов тепловых электростанций.

Дальнейшее расширение областей применения низкотемпературной плазмы и повышения эффективности использования электроплазменного оборудования будет определяться, главным образом, успехами в разработке надежных и простых в обслуживании плазмотронов с высоким ресурсом работы электродов. Решение этой задачи в значительной мере связано с изучением процессов на электродах плазмотронов, в том числе:

а) теплового воздействия приэлектродных участков дуги на эрозию электродов;

б) влияния температурного состояния стержневых катодов на его ресурс;

в) разработки и исследования электродов новых конструкций;

г) влияния скорости перемещения дугового пятна на эрозию цилиндрических электродов.

Актуальность выполненной работы подтверждается включением её в тематические планы НГТУ и ИТ СО РАН по направлениям «Исследование динамики низкотемпературной плазмы», «Научно-технические основы создания новых систем промышленной теплоэнергетики и энергосберегающих технологий», в комплексную программу «Сибирь» по проблеме «Новые материалы и технологии».

Целью работы являются: в научном плане - комплексные экспериментально - теоретические исследования тепловых режимов и эрозионных характеристик работы электродов дуговых плазмотронов; в практическом плане - разработка инженерных методов расчета электродов и создание на основе полученных результатов высокоэффективных плазмотронов с длительным ресурсом работы для ряда электротехнологий.

Методы проведения исследований: экспериментальные исследования режимов работы электродов плазмотронов и их эрозионных характеристик проводились с использованием известных методов диагностики, обеспечивающих возможность получения результатов с ошибкой не более ±10%; теоретические исследования тепловых режимов электродов проводились на основе математических моделей с использованием численных методов расчётов.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обусловлена корректностью исходных теоретических допущений при выборе математических моделей, сравнением теоретических и экспериментальных результатов с литературными данными и непротиворечивостью с эксплуатационными характеристиками промышленных технологических плазмотронов.

Научная новизна работы базируется на выполненном комплексе научно-исследовательских работ, обеспечивающих существенное повышение ресурса работы электродуговых плазмотронов и эффективности их использования.

1. На основе выполненных расчётов и экспериментальных исследований получено уравнение для определения оптимального тока, при котором обеспечивается максимальный ресурс стержневого вольфрамового катода в плазмотронах для сварки тонкостенных труб.

2. Впервые предложен способ плазменной сварки вольфрамовых стержней с медными; с использованием этого способа создана серия малогабаритных вольфрам-медных анодов, исследована их эрозия и показана перспективность их применения для сварки изделий на обратной полярности; расчетно-экспериментальным путём получены обобщенные формулы для расчёта оптимальных значений тока и геометрических размеров анодов, при которых обеспечивается их длительный ресурс работы.

3. Экспериментально установлена возможность существенного повышения ресурса термохимических катодов за счёт введения в его тело дополнительных гафниевых вставок.

4. Исследована удельная эрозия медного цилиндрического анода воздушного плазмотрона и показано, что она ниже эрозии катода на 1,5 порядка; определены критерии, при выполнении которых ресурс работы анода имеет оптимальные значения.

5. Проведен анализ влияния скорости движения угольной аэросмеси и концентрации пыли в ней на энергозатраты при воспламенении пылеугольных потоков с использованием плазмотронов и показано, что для их снижения при прямом вдувании пылеугольной смеси в энергетический котел необходим концентратор угольной пыли.

Практическая значимость полученных результатов:

1. Получены расчётные выражения для определения оптимальных значений диаметра электрода, центрального отверстия сопла, его длины, расхода газа и рациональной скорости сварки стальных труб в зависимости от величины сварочного тока и толщины металла; на основе полученных результатов разрабо-

тан и внедрён в производство микроплазмотрон для продольной сварки стальных и медных труб в автоматическом режиме.

2. Разработана электротехнология изготовления малогабаритных вольфрам-медных анодов с длительным ресурсом работы плазмотронов для сварки металлов, на поверхностях которых имеется оксидная плёнка; получены формулы для расчета основных размеров электрода и сопла, расходов газа; разработанный плазмотрон испытан при сварке алюминиевых труб с толщиной стенки 5=0,6мм.

3. Разработан плазмотрон для резки с термохимическим катодом и повышенным ресурсом работы, используемый для резки металлов в опытном цехе ИТ СО РАН.

4. Разработана и внедрена система плазменного воспламенения угольной аэросмеси в теплофикационном котле КВТК-100/150. Впервые в системе плазменного розжига для снижения энергозатрат на воспламенение аэросмеси применён концентратор угольной пыли.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Установленные критерии условий длительной работоспособности стержневых катодов и сопел сварочных плазмотронов прямой полярности.

2. Результаты исследований эрозии составных вольфрам-медных анодов и условия, при соблюдении которых их эрозия минимальна.

3. Экспериментальные результаты исследования эрозии термохимического катода с несколькими термоэмиссионными вставками.

4. Закономерности изменения удельной эрозии и механизма разрушения медного цилиндрического анода при изменении скорости перемещения дугового пятна.

5. Результаты разработки и промышленного освоения плазмотронов для сварки металлов, а также розжига и подсветки пылеугольных теплофикационных котлов.

Вклад автора в проведенные исследования состоит в участии и обсуждениях постановки целей и задач исследований, обработке экспериментальных результатов, разработке методов расчётов электродов и анализе результатов, непосредственном участии в проведении экспериментов, непосредственном участии в проведении работ на промышленном и опытно-промышленном оборудовании и формировании выводов работы.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались: на Межвузовской научной студенческой конференции (г. Новосибирск, НГТУ, 2001), Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы (г. Петрозаводск, 2001), XXVI Сибирском теплофизическом семинаре (г. Новосибирск, ИТ СО РАН, 2002), 1-й Научно-практической интернет-конференции по энергосбережению (г. Орёл, 2001), II Международном научно-техническом семинаре (г. Томск, 2001), III и IV Международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям

5

(Минск, 2000, 2003), на конференции молодых ученых ИТ СО РАН (Новосибирск, 2003), а также на ряде научно-технических семинаров.

Основные научные результаты диссертационной работы изложены в 12 печатных работах.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка использованной литературы из 63 наименований, имеет объём 129 страниц машинописного текста, включая 53 рисунка и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору литературных данных о сварочных плазмотронах и электродуговых линейных подогревателях газа. Показано, что дальнейшее усовершенствование и разработка новых высокоэффективных плазмотронов для новых электротехнологий невозможны без детального изучения тепловых и эрозионных режимов работы электродов.

В обзоре приведены результаты исследований приэлектродных процессов, отмечается особое влияние скорости выхода активатора, например Ьа20з, из вольфрама на длительность работы стержневых катодов. Показано, что скорость выхода активатора определяется температурным режимом работы электрода, который необходимо исследовать для повышения ресурса электродов, изготовленных из вольфрама с легкоионизируемыми добавками.

Один из путей существенного снижения эрозии медных трубчатых электродов линейных плазмотронов основан на перемещении пятна дуги по большой поверхности. Механизм эрозии цилиндрических электродов изучен недостаточно и для их практического использования необходимо отыскание критериальных соотношений основных измеряемых параметров режимов работы, при выполнении которых ресурс плазмотронов максимален.

Установлено, что актуальной проблемой остаётся разработка и усовершенствование плазмотронов и элекгротехнологий для автоматизированной сварки изделий на обратной полярности, а также для систем плазменного воспламенения пылеугольных потоков в теплофикационных котлах и для ряда других высокотемпературных процессов.

Глава завершается формулировкой и постановкой задач, решение которых и составляет дальнейшее содержание диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены преимущества использования сжатой дуги для плазменной сварки тонкостенных (до 1мм) изделий по сравнению с аргоно-дуговой. Описан новый специализированный микроплазмотрон для сварки изделий в непрерывном режиме. Расчетно-экспериментапьным путем получены формулы, позволяющие рассчитать все основные параметры плазмотрона и

б

процесса микросварки. Показано, что оптимальная скорость сварки, при которой достигается высокое качество сварки тонкостенных стальных труб, подчиняется выражению

V =0,015 • 1/8 [м/мин], (1)

а оптимальный диаметр вольфрамового электрода для микроплазмотрона

ёэ= л/7774 [мм], (2)

где I - ток дуги, А; 5 - толщина стенки трубы, мм.

В сварочных плазмотронах в качестве катодов используется активированный вольфрам. В поцессе работы концентрация активатора снижается и увеличивается работа выхода электронов. Это влечёт за собой рост теплового потока в катод и температуры его рабочей поверхности. Соответственно во времени растет и эрозия электрода. Следовательно, выход активатора лимитирует ресурс работы катода.

Совокупность экспериментальных и расчётных данных по уравнению теплопроводности (гс- диаметр, 1 - длина вольфрамового стержня)

¿Г( ЛГ)_2а, Ч 2а0е, ч 0,24р!2

ЛГЛ^Т1 0} 'с ^ (3)

с граничными условиями ■ - ¡. .

х = 0, Т = То, х = 1,Т = ТШ1,

позволили установить важное для практики соотношение (2), связывающее ток дуги с диаметром электрода, при которых достигается максимальный ресурс катода в аргоновой среде.

Во второй главе рассмотрены особенности промышленной эксплуатации плазмотрона на установке для сварки стальных и медных труб. ПоКаЗано, что возможно введение в схему электропитания сопротивления Я« 1,0 Ом, шунтирующего сопротивление промежутка сопло - изделие. Это позволяет оператору контролировать процесс сварки, избегая возникновение режимов горения каскадной дуги. Изготовленные промышленные партии труб имеют высокую чистоту внутренней поверхности (после вакуумного отжига их загрязненность не превышает 20 мг/м2). Стоимость труб в 1,5 раза ниже импортных при одинаковом, а в некоторых случаях, й более высоком качестве. Стальные трубы 06 мм выдерживают давление 35 МПа и обладают высокой точностью по наружному и внутреннему диаметру. Перечисленные достоинства труб обеспечивают им широкую область применения: изготовление и ремонт холодильных агрегатов, компрессоров, трубчатых электронагревателей, приборов контроля, тормозных систем, кондиционеров и т. д. Номенклатурный перечень труб, изготовленных с использованием микроплазмотронов представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Номенклатурный перечень труб

Материал труб ГОСТ ТУ Диапазон диаметров, мм Диапазон толщин стенки, мм

Стали 0,8 ПС 0,8СП, 0,8Ю Ту 14-51407-93 2-16 0,1-1,0

Нержав, стали 12Х18Н10Т 08Х18Н10Т 12Х18Н9Т 12Х18Н12Т Ту 14-51407-93 2-16 0,1-1,2

Медь М1, М2, МЗ ГОСТ 262477 2-6 0,5-0,8

В третьей главе рассмотрены особенности электротехнологий сварки металлов, имеющих плотную поверхностную оксидную плёнку. Описан микроплазмотрон для сварки тонкостенных изделий на обратной полярности.

Создание такого плазмотрона, отвечающего мировым техническим требованиям, поставило задачу разработки новой технологии сварки вольфрамовых и медных стержней, обеспечивающей гарантированный электрический и тепловой контакты, а также достаточную механическую прочность при значительных отличиях коэффициентов теплового расширения в условиях эксплуатации с большими градиентами температуры.

Рис. 1. Микрошлиф зоны сварки составного анода

На рис. 1 приведена фотография микрошлифа зон сварки составного вольфрам-медного анода (увеличение 250). Снимок показывает, что медь внедрилась в вольфрам в расплавленном состоянии с частичным расплавлением поверхности вольфрама. При остывании зоны расплава кристаллизация протекает перпендикулярно зоне контакта. Переходный слой сварного шва (зоны взаимного

проникновения металлов) достигает 100 мкм. Обнаруженные поры и микротрещины по размерам не превышают 10 мкм. Это обеспечивает выполнение необходимых технических требований по электропроводности, теплопроводности и механической прочности при изготовлении составных электродов в электродуговых плазмотронах различного назначения.

Экспериментальные исследования и практическая реализация в промышленных конструкциях проводились на сварочных и металлургических плазмотронах обратной полярности. На рис. 2 приведены зависимости тепловых потоков в анод и сопло от тока дугового разряда. Установлено, что для разработанной конструкции анода вольтов эквивалент теплового потока lb = Q/I даже при малых токах не зависит от величины тока и составляет № = 6,15 В. Для сопла плазмотрона при токах I > 30 А происходит увеличение теплового потока в сопло (диаметр dc = 1,4 мм), что приводит к перегреву и ограничению токовой нагрузки микроплазмотрона. На основе этих • результатов сформулированы технические требования к разработанным конст-

рукциям плазмотронов, включающие различные конструктивные решения для анодов и сопел в зависимости от требуемых диапазонов рабочих токов i (4-40 А; 30 - 80 А; 60 - 150 А). На рис. 3 приведены различные заточки элек-

тродов, установленные экспериментально.

э)

ClT

!

Рис.3. Формы заточки электродов

Рис.2. Тепловые потоки в анод (1) и сопло (2)

Ь) с)

Для рабочих токов от 4 до 40 А рекомендуется заточка электрода с углом а = 32° (рис. 3 а). Для диапазона токов от 30 до 80 А (рис. 3 Ь) и диапазона от 60 до 150 (рис. 3 с) форма заточки изменяется - углы заточки Pi = 60°, р2 = 90°, а диаметр перехода от угла а = 32° к углам 60° и 90° определяется по выражению

d= 2 V/ / 20?г [мм]. (4)

На рис.4 представлены две зависимости (кривые А и Б) удельной эрозии составного W-Си анода от тока. Обе кривые получены на одном и том же электроде, но при разной длине вольфрамовой части составного электрода.

Здесь же для сравнения квадратиками представлены экспериментальные значения удельной эрозии того же самого электрода, который в предыдущих экспериментах служил анодом, но использован был в качестве катода (dw = 4 мм).

Анализ характеристики G — f(I) показал, что при оптимальных соотношениях угла заточки и тока разработанная конструкция составного электрода имеет больший ресурс при использовании в качестве анода. Экспериментально показано, что при токе I = 60 А анод диаметром d=2 мм до его износа (укорачивания) на 0,2 мм происходит за 100 часов, что позволяет его использовагь в непрерывных (автоматизированных) режимах сварки.

Установлено, что на базе разработанного составного анода возможно создание плазмотронов на большие токи путем увеличения диаметра вольфрамовой части анода. Расчетно-экспериментальным путем показано, что для новой формы электрода энергия излучения с боковой поверхности вольфрамовой части электрода равна энергии, выделяющейся в вольфраме за счет джоулева тепловыделения (Qr - Одж = 0). Следовательно, интегральный тепловой поток Q = J U3, поступающий от дуги в электрод остается неизменным в любом сечении х (см. расчетную схему на рис. 5). В этом случае уравнение теплопроводности имеет вид: Q= X. S dT/dx. Учитывая, что S=jir2=nx2tg2(a/2), получим

40 60 80 100 120 140 I, А Рис. 4. Зависимость удельной эрозии анода и катода от тока. Анод: А - dir = 2 мм, Б-dir-4 мм

dT/dx

: Q/Xnx\g2(aJ2).

Устанавливаем граничные условия на поверхностях Х3 и Xt: ТХз= ТХ1= 3000K.

(5) 373К,

Далее на основании уравнения (5) получаем

Т|= Т2 + СК1/Х, - 1/Х2)^тИё2(а/2), (6)

Т2= Т3 + ()(1/Х2 - 1/Хз)Яси7йё2(аУ2), (7)

где 7^,, Хса - средние значения теплопроводности вольфрама и меди.

Уравнения (6) и (7), дополненные соотношениями 0= Г иэ; гп= (1/2; Х,= гп%(а/2); Х2= г2/tg(cx/2>; Х3= Х2+2-10"3м позволяют для электрода с заданными значениями диаметров О, угла заточки а и параметра й определить предельный ток 1пр, при котором температура рабочей поверхности не превышает ЗОООК.

Результаты экспериментов и расчётов для различных значений параметров Э, <1, а обобщены в виде

1пр= 6,92 с!1'^-0'66^'6. (8)

В уравнении (8) параметры используются в единицах: а - град.; Б и (1 - в мм; I- А. Выражение (8) получено и подтверждено экспериментально для диапазона диаметров от 5 до 10 мм, а от 20 до 50°. Расхождение расчетных и экспериментальных результатов меньше ±15%.

Уравнение (8) на стадии проектирования плазмотронов позволяет с достаточной точностью для практики определять геометрические размеры, обеспечивающие максимальный ресурс работы электрода.

Т3 Т2 Тх Т,

Си г2 г Гп XV

1ЧЧЧЧЧ\Ч\ЧЧЧ\Ч к \ \ \

Вода х

..................0 \ \ \

\\1\(\\\\\11\\\\\\

х3х2 х XI о Рис.5. Расчетная схема анода

В четвертой главе на основе общего анализа существующих причин, ограничивающих ресурс работы плазмотронов для воздушно-плазменной резки металлов, и целенаправленных исследований разработан перспективный метод конструктивного совершенствования термохимических катодов.

На рис. 6 приведена схема термохимического катода с одиночной вставкой, используемого в промышленных плазмотронах для резки металлов. Проведенные статистические исследования зависимости ресурса работы такого электрода от тока в диапазоне от 50 до 500 А при изменении диаметра гафниевых и циркониевых вставок ((!„) от 0,8 до 4 мм при испытаниях в течение 0,5 - 3 часов позволили получить обобщенную характеристику, представленную на рис. 7. Эксперименты и расчетная обработка проводились для непрерывного режима работы плазмотрона. В реальных условиях резка металла часто прерывается. Поэтому с учетом пусковой эрозии реальный ресурс работы катодов оказывается меньше. Статистическая оценка срока службы плазмотрона типа ПВР, используемого в экспериментальном цехе ИТ СО РАН для раскроя металла (рабочий ток 300 А), показала, что срок службы гафниевого катода зависит от качества изготовления и не превышает 2-3 часов. Полученные результаты позволили сделать вывод, что существующие конструктивные решения термокатодов не позволяют увеличить их ресурс.

Для повышения длительности и надежности работы термохимических катов предложена конструкция модифицированного гафниевого катода, схема которого приведена на рис. 8. Он отличается от катода с одиночной вставкой тем, что для него дополнительно к центральной вставке установлены три радиальных стержня. В электроде с дополнительными гафниевыми вставками после

о

Рис. 6. Схема термохимического катода с одиночной гафниевой (циркониевой) вставкой

100 200 300 400 300 --- То* дуги, А

Рис.7. Зависимость ресурса электрода от тока (<1к--2,5мм, 8=3мм, рнг= 13,31кг/м3)

Дуга

частичной выработки центральной части катодное пятно распределяется на все вставки. Такое конструктивное изменение приводит к изменению конфигурации и градиентов температурного и электрического полей в области рабочих поверхностей электрода.

Расчетные оценки и анализ характера износа катода показали, что установка дополнительных вставок увеличивает площадь привязки опорного пятна дуги минимум в 1,5 раза по сравнению с вариантом одной центральной вставки. Это приводит к снижению плотности тока и удельных тепловых потоков, уменьшению температуры рабочей поверхности вставок при сохранении общей интегральной интенсивности термоэмиссионных процессов.

Полученные экспериментальные результаты по удельной эрозии модифицированного гафниевого катода в зависимости от тока приведены на рис. 9. Здесь же пунктирной кривой показана зависимость С? = Г(1) для одиночной вставки. Показано, что увеличение ресурса катода происходит не только за счет изменения температурного и электрического поля катода, но и за счет увеличения расходуемой массы гафниевых вставок. Время работы катода при токе 200 А оценивается в 90 часов, что существенно больше, чем у катодов с одиночной вставкой.

г «Е.

Рис. 8. Схема модифицированного термоэмиссионного катода

г

1<Г,:

■ 0 п

—•—а"

__ о 1 о к О

! к

▲ к 1 ▲

¿

▲ А

Л А

1, А

Рис.9. Зависимость удельной эрозии модифицированного гафниевого термокатода от тока дуги. А - стационарный режим горения дуги; ■ - пусковой режим; о - одиночная вставка

Испытания электрода с 4-мя вставками на плазменном резаке с диаметром сопла 3,2мм при токе 260 А в пусковом режиме (48 запусков по М = 5минут) показали, что величина его удельной эрозии составляет « 8 ' Ю'"кг/Кл (рис.9, отмечено квадратом). Это выше, чем в стационарном режиме за счёт пусковой эрозии термокатодов. В производственных условиях ресурс электрода с 4-мя вставками (1=320А) при плазменной резке в прерывистом режиме с М = (5-10) минут составляет более 6 часов, что в 2-3 раза выше, чем показано на рис.7.

В пятой главе общие принципы увеличения срока службы плазмотронов, установленные в диссертации, использованы в реализации системы плазменного воспламенения угля (СПВУ) на теплофикационном котле КВТК- 100/150.

Одним из основных элементов системы плазменного воспламенения является плазмотрон. Он должен нагревать агрессивную по отношению к электродам среду - воздух и иметь длительный ресурс работы до замены электродов. На Гусиноозерской ГРЭС и других ТЭС в системах плазменного воспламенения угля используются двухкамерные плазмотроны с прямой полярностью подключения медных цилиндрических электродов к источнику питания. Ресурс внутреннего электрода - катода при 1=300А не превышает 200 часов, а выходного электрода - 500 часов, т.е. ресурс плазмотрона лимитируется катодом.

Проведенные исследования эрозии такого же электрода, но при обратной полярности подключения плазмотрона, показали, что его эрозия может бьггь на 1,5 порядка ниже, чем при прямой (рис.12). Для этого необходимо выполнить два условия:

0/рс1>4' 10"6 и /= 1,6 • \064оГ£. (9)

Здесь: 0=С1+С2 - расход воздуха, подаваемый в анод через две вихревые камеры, р - давление газа в полости анода, с! - внутренний диаметр электрода. Все параметры измеряются в системе СИ.

Проведенные исследования также показали, что если внутренний цилиндрический электрод длительно использовать в качестве катода, когда его эрозия в~2 10"9 кг/Кл, а затем переключить полярность, то б быстро падает (рис.11). Это указывает на то, что нет оснований к увеличению эрозии анода во времени, что подтверждено также практикой эксплуатации двухструйного плазмотрона в течение 60 часов.

Поэтому данные по эрозии, представленные на рис.10, использованы для оценки ресурса электродов. Проведенные расчёты показали, что с целью повышения ресурса непрерывной работы двухкамерного плазмотрона, его выгодно

использовать при обратной полярности. За счёт уменьшения й анода при сохранении С выходного электрода ресурс плазмотрона увеличится в 1,5 раза. Учитывая, что напряжение на дуге при обратной полярности выше, чем при прямой, необходимую мощность плазмотрона можно получить при меньшем значении тока. Это дает дополнительный выигрыш в ресурсе работы плазмо-

14

трона, так как время работы электродов (t = ш/IG) обратно пропорционально току.

Рис. 10. Зависимость величины удельной Рис. 11. Изменения удельной эрозии ци-эрозии анода (1) и катода (2) от скорости линдрического анода со временем.

движения дугового пятна. 1=300А, 1=250А , ё =30мм

<1=30мм

При отработке СПВУ доведена до промышленного применения конструкция однокамерного плазмотрона с термохимическим катодом с 4-я гафниевыми вставками и выходным ступенчатым анодом. Он обеспечивает устойчивые режимы горения дуги в широком диапазоне токов (90 - 300А) от источника питания 1)^=510В.

В процессе выполнения работы показано, что общая эффективность систем плазменного воспламенения угля зависит не только от эффективности работы плазмотрона, но и от выхода летучих из угля У*аГ и концентрации пыли ц. При этом (I связана со скоростью движения аэросмеси V. На практике величина V в муфеле ограничена снизу условиями, которые не допускают сепарацию пыли в пылепроводе. Верхний предел жестко не регламентирован. Поэтому на котлах, имеющих систему пылеприготовления с прямым вдуванием пыли, целесообразно иметь техническое устройство, обеспечивающее оптимальные значения концентрации пыли ц и скорости V аэросмеси. Такое устройство, названное концентратором, впервые применено в системе плазменного воспламенения угля для розжига котла КВТК - 100/150. Схема системы плазменного воспламенения струей плазмы аэросмеси порошка угля приведена на рис. 12.

Концентратор угля спроектирован на базе прямоточного циклона. Слабо запыленный воздух сбрасывается в топочное пространство котла. Регулировка концентрации ц аэросмеси, поступающей в муфель, осуществляется шиберами 2 и 3. Это обеспечивает не только надёжный поджиг аэросмеси, но и благотворно влияет на работу муфеля, особенно в режиме подсветки.

15

Рис. 12. Схема системы плазменного воспламенения

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.

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

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

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

4. Расчетно-экспериментальным путём получены обобщенные формулы для определения оптимальных значений тока и геометрических размеров вольфрам медного анода, при которых обеспечивается его длительный ресурс;

экспериментально определена взаимосвязь основных размеров сопла и расхода аргона с величиной сварочного тока.

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

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

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

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих

публикациях:

1. Mikroplasmatron for light-alloy articles // Plasma Physics and Plasma Technology. A.S. Anshakov., A.E. Urbakh., V.G. Samusev. et al. / Proc. III. Int. Conf.(Minsk, Sept. 18-22, 2000).- Minsk: IMAP NAS Belarus, 2000.- Vol. II.- P. 554-557.

2. Плазменная сварка тонкостенных труб. // Р.Г. Коломеец, A.C. Аньшаков, А.Э. Урбах и др. / Совершенствование средств механизации путевых, строительных и погрузоразгрузочных работ; Под ред. Б.Н. Смоляницкого.- Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2001,- С. 113-118.

3. Расчёт составного вольфрамового анода для микроплазменной сварки //

A.C. Аньшаков, Э.К. Урбах, А.Э.Урбах и др. / Теплофизика и аэромеханика, 2000.- Т. 7, № 4,- С. 609-611.

4. A.S. An shakov, E.K. Urbakh, A.E. Urbakh. Optimization of erosion of cylindrical electrodes in the arc plasma generators // Plasma Physics and Plasma Technology / Proc. Ill Intern. Conf. (Minsk, Sept. 18-22, 2000).- Minsk: IMAP NAS Belarus 2000.- Vol.1 //.- P.92-95.

5. А.Э. Урбах, B.A. Фалеев. Термохимический катод для длительной работы воздушного плазмотрона // Материалы Всерос. науч. конф. по физике низкотемпературной плазмы ФНТП - 2001(1-7 июля 2001г.,- г. Петрозаводск).- Т. I,-Петрозаводск : Изд. Центр. «Вера», 2001,- С. 193-195.

6. Воспламенение угля в теплофикационных котлах с помощью электродуговой плазмы // A.M. Шиляев, А.Э. Урбах, E.H. Кобелева и др. / XXVI Сиб. теплофиз. сем./ Тез. докл.- Новосибирск: Изд-во ИТ СО РАН, 2002, -С. 239-240.

7. А.Э. Урбах. Плазменный розжиг и подсветка пылеугольного котла // Межвузовская научная студенческая конференция / Докл. и тез. докл.- Под ред.

B.В. Панкратова.-Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001,- С. 107-109.

8. Плазмотроны малой и средней мощности для розжига теплофикационных котлов // А.С. Аньшаков, А.Э. Урбах, В.Г. Батраков и др. / Нетрадиционные технологии в строительстве. / Материалы 2-го Межд. науч.- техн. семинара (30.05 - 1.06. 2001г., г. Томск).- Томск, Изд-во ТГАСУ, 2001,- С. 59-69.

9. Эрозия электродов плазмотрона во взаимосвязи с динамикой потока газа // А.С. Аньшаков, А.Н. Быков, А.Э. Урбах и др. / Материалы Всерос. научн. конф. по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001(1-7июля 2001г., г. Петрозаводск).- Т.1.- Петрозаводск: Изд. Центр «Вера», 2001.- С. 199-202.

10. А.Э. Урбах. Плазмотрон двухкамерной схемы для розжига пылеуголь-ного потока // Энерго - и ресурсосбережение - ХХТ век / Матер. 1-й регион, на-учно-практич. интернет- конф.(1-30 июня 2001, г. Орел).- Орел: Орел РЦЭ,2001.- С.220-221.

11. Investigations of long run thermochemical cathodes // A.S. An'shakov, E.K. Urbakh, E.N. Kobeleva, A.E. Urbakh. Plasma Physics and Plasma Technology / Proc. IV Intern. Conf (Minsk, belarus, Sept. 15-19, 2003).- Vol I.- Minsk: IMAP NASB, 2003,- P.66-69.

12. Development and studj of electric - arc plasmotrons for the small-scale power plants // A.S. An'shakov, G.G. Volokitin, A.E. Urbakh et al. / Plasma Physiks and Plasma Technology / Proc. IV Int., Conf (Minsk, Sept. 15-19, 2003).- Vol II.-Minsk: IMAP NASB, 2003.-P.942-946.

Подписано в печать 11.11.2003. Формат 60x84 1/16 п.л. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Усл. печ. л. 1/5Гираж 85 экземпляров. Заказ №6-72

Отпечатано в издательстве НГТУ 630092, Новосибирск, пр.К.Маркса, 20

-g

P 5 2

ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Дуговые плазмотроны.

1.2. Эрозия термоэмиссионных катодов.

1.3. Особенности эрозии медных и вольфрамовых анодов.

1.4. Выводы и постановка задачи.

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

2.1. Обжатая дуга.:.

2.2. Разработка микроплазмотрона для сварки труб.

2.3. Расчет стержневого вольфрамового катода.

2.4. Особенности эксплуатации плазмотрона на установке для сварки труб в длительном режиме.

Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬФРАМОВОГО АНОДА ДЛЯ СВАРКИ ИЗДЕЛИЙ НА ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ.

3.1. Сварка металлов, имеющих плотную поверхностную окисную пленку.

3.2. Исследование микроплазмотрона обратной полярности.

3.3. Исследования эрозии составного вольфрам-медного анода.

3.4. Физическая модель и расчёт электрода - анода.

Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМОТРОНА ДЛЯ ВОЗДУШНО

ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ.

4.1. Плазмотрон для резки металлов.

4.2. Термоэмиссионные катоды.

4.3. Исследование термохимического катода с одиночной вставкой.

4.4. Разработка и исследование термохимического катода с 4-мя гафниевыми вставками.

Выводы.

ГЛАВА 5. ПЛАЗМЕННЫЙ РОЗЖИГ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ГОРЕНИЯ УГЛЯ.

5.1. Плазменное воспламенение угля.

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

5.3. Разработка двухкамерного плазмотрона прямой полярности.

5.4. Исследование эрозии электродов двухкамерного плазмотрона обратной полярности.

Выводы.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В современном обществе интенсификация промышленного производства во многом определяется новыми высокоэффективными электротехнологиями. К их числу относятся плазменные процессы в химической, металлургической, машиностроительной и других областях производства. Источниками высокотемпературных потоков в силу простоты оборудования и возможности автоматизации технологических процессов являются электродуговые нагреватели газов (плазмотроны). Плазмотроны во многих случаях являются наиболее ответственными узлами электротехнологических установок. Часто именно от них зависит не только эффективность использования электроэнергии, но и производительность установок в целом, и качество конечных продуктов. Спектр применения плазмотронов достаточно широк: нанесение износостойких, антикоррозионных и иных покрытий, резка и сварка металлов, переработка токсичных отходов и т.д. В последнее десятилетие началось использование плазмотронов для плазменного розжига и подсветки пылеугольных котлов ТЭС.

С применением электродуговой низкотемпературной плазмы открываются широкие возможности замены существующих многостадийных процессов одностадийными, упрощается задача создания установок замкнутого цикла, что важно для решения одной из современных задач - защиты окружающей среды.

Дальнейшее расширение области применения низкотемпературной плазмы и повышения эффективности использования электродуговых плазмотронов будет определяться, главным образом, успехами в разработке надежных и простых в обслуживании плазмотронов с высоким ресурсом работы электродов. Решение этой задачи в значительной мере связанно с выяснением таких вопросов, как: а) тепловое воздействие приэлектродных участков дуги на эрозию электродов; б) влияние температурного состояния стержневого вольфрамового катода на выход окиси лантана, лимитирующего ресурс электрода; в) разработка и исследование электродов новых конструкций; г) влияние скорости перемещения дугового пятна на эрозию цилиндрических анодов; д) поиск методов повышения устойчивости горения дугового разряда, общего КПД плазмотрона и многих других проблем.

Перечисленные проблемы представляют не только большой научный интерес, но и практический. Их решение может оказать значительное влияние на разработку эффективных технологических плазмотронов. Одной из актуальных в настоящее время проблем является взаимодействие электрической дуги с твердыми поверхностями, в особенности в области опорных пятен дуги. Этот процесс определяет одну из основных характеристик плазмотрона-удельную эрозию электродов, и в конечном счете его ресурс непрерывной работы. Контрактация (сужение) столба дуги вблизи металлических охлаждаемых электродов определяет высокую плотность тока и, следовательно, большую плотность теплового потока в электрод в зоне привязки дуги. Плотность теплового потока достигает 109 Вт/м2 и более. Поэтому даже при интенсивном охлаждении электродов их эрозия высока. В настоящее время снижение удельной эрозии идет по нескольким путям: а) используются тугоплавкие металлы, например, вольфрам; б) вольфрам насыщают присадками, снижающими работу выхода электронов; в) опорное пятно дуги быстро «перемещается» по поверхности металла за счет действия, аэродинамических и электродинамических сил на радиальные участки дуги; г) расщепление радиального участка дуги на несколько токопроводящих каналов; д) применение плазменного катода и т.д.

Применение таких тугоплавких металлов как вольфрам предъявляет определенные требования к рабочей среде - она должна быть инертной по отношению к материалу электрода. В противном случае его надо защищать от окисления инертными газами. Кроме того, следует учитывать, что по мере выхода присадок из вольфрама возрастает работа выхода электронов и его эрозия.

В случае «перемещения» пятна дуги по поверхности электрода величина удельной эрозии зависит от его скорости, т.е. от аэродинамических процессов в разрядной камере плазмотрона, а также от топологии и величины внешних магнитных полей. Вышеназванные факторы определяют также устойчивость горения дугового разряда, теплового КПД плазмотрона и другие локальные и интегральные характеристики.

Взаимная связь вышеперечисленных проблем требует комплексного решения при создании надежных плазменных устройств. Несмотря на обширные исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, решение этих проблем далеко от завершения. Особенно недостаточно исследованы температурные состояния электродов, определяющие тип привязки опорного пятна дуги к электроду (дуга со стационарным пятном, без пятна и с нестационарными быстро перемещающимися пятнами). Недостаточно сведений о тепловых потоках через пятна дуги, а также о влиянии аэродинамики потока на эрозию медных цилиндрических анодов. По-прежнему актуальными остаются вопросы создания высокоресурсных сварочных плазмотронов.

НАУЧНАЯ АКТУАЛЬНОСТЬ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ определили задачи данной диссертации:

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

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

3. Исследование эрозии термохимического катода;

4. Разработка систем плазменного воспламенения угля и совершенствование плазмотронов для розжига теплофикационных котлов.

Работа выполнялась в лаборатории электротехнологий Института теплофизики СО РАН в рамках программы «Сибирь» (раздел «Новые материалы и технологии»), плана НИР ИТ СО РАН по темам: «Исследование динамики низкотемпературной плазмы» (Гос.рег. 01.9.50 001682) и «Научно-технологические основы создания новых систем промышленной теплоэнергетики и энергосберегающих технологий» (Гос.рег. 01.9.50 001683), а также на кафедре АЭТУ Новосибирского государственного технического университета по плану НИР НГТУ «Физикохимический анализ термодинамических свойств и процессов затвердевания многокомпонентных сплавов» (Гос.рег. 02.9.8001857). Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры АЭТУ НГТУ (г. Новосибирск, 2001,2002, 2003г.г.).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключалась в исследовании и разработке технических плазмотронов, повышении их ресурса и надежности.

НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И НОВИЗНА результатов работы состоит в том, что выполнен комплекс экспериментальных и расчётных научно-исследовательских работ, обеспечивающих основу повышения ресурса плазмотронов и их надежности.

На основе экспериментальных данных по скорости выхода лантана из стержневого электрода расчетным путем выведена формула для вычисления оптимального тока, при котором обеспечивается максимальный ресурс непрерывной работы стержневого вольфрамового катода. Показано, что температурное состояние катода определяет скорость выхода легирующих присадок и лимитирует ресурс электрода.

Впервые на основе сварки вольфрама с медью разработан составной анод, исследована его эрозия, определены токовые нагрузки и показана его перспективность для сварки алюминиевых труб в автоматическом режиме.

Разработан и исследован термохимический катод с 4-мя гафниевыми вставками. Экспериментально доказана перспективность его применения в плазмотронах для резки металлов и нагрева кислородосодержащих сред.

Исследован процесс эрозии внутреннего электрода - анода двухкамерного плазмотрона и определён критерий, при выполнении которого обеспечивается его максимальный ресурс (>1000 часов).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы определяется тем, что полученные научные результаты позволили найти новые технические решения и формулы, следуя которым можно обеспечить высокий ресурс плазмотрона.

Предложен и исследован составной медно-вольфрамовый анод для сварки изделий на обратной полярности. Показано, что на базе составных электродов возможно создание сварочных плазмотронов для широкого диапазона токовых нагрузок.

Разработан термохимический катод с несколькими гафниевыми вставками. Ресурс катода, как минимум, в 1,5 раза выше серийно выпускаемых для плазменных резаков типа ПВР.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Расчетно-экспериментальным путём выведена формула для определения оптимального тока, при котором обеспечивается максимальный ресурс непрерывной работы стержневых вольфрамовых катодов различного диаметра. Показано, что температурное состояние катода определяется током и диаметром вольфрамового стержня. Оно определяет скорость выхода легирующих присадок из вольфрама и лимитирует ресурс катода.

2. Для сварочных плазмотронов с обжатой дугой экспериментально определены формулы для расчета оптимальных значений скорости сварки стальных труб, размеров сопла и расхода рабочего газа - аргона в зависимости от величины токовой нагрузки.

3. На основе сварки вольфрама с медью разработан составной анод и исследована его эрозия, выведена формула для расчета токовых нагрузок, при которых обеспечивается высокий ресурс электрода, и показана его перспективность для сварки металлов с поверхностной окисной пленкой в широком диапазоне токов.

4. Предложен и исследован термохимический катод с 4-мя гафниевыми вставками. Экспериментальное исследование эрозии предложенного катода показало перспективность его применения в плазмотронах для резки металлов и нагрева кислородосодержащих сред.

5. В результате проведенных экспериментальных и расчётных исследований разработано несколько плазмотронов: для сварки на прямой полярности, для сварки на обратной полярности, для резки металлов и нагрева воздуха.

6. Впервые в систему плазменного воспламенения угольной пыли теплофикационного котла введен концентратор, позволяющий не только снизить энергозатраты на розжиг котла, но и повысить надёжность плазменного розжига.

Методологически работа построена на использовании и развитии теоретических положений в области плазменной техники и теплофизики, разработанных научной школой академика М. Ф. Жукова и заведующим кафедрой Автоматизированных систем электротехнологических установок В.С.Чередниченко. В экспериментах использовались специально разработанные устройства и стенды.

ДОСТОВЕРНОСТЬ результатов исследований, основных положений и выводов гарантирована необходимым набором статистики, использованием измерительной техники и приборов.

ОБЬЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Работа состоит из: введения с описанием актуальности выбранной темы, научной и практической ценности, пяти глав.

В первой главе описана обзорная часть, в которой содержатся сведения по теме диссертации и определена её задача.

Во второй главе изложены результаты расчетов температурного состояния стержневых катодов от тока. Показано, что температурное состояние катода определяет скорость выхода присадок из вольфрама и лимитирует ресурс электрода. На основе проведенных расчетов и экспериментов получена формула для вычисления оптимального тока, при котором обеспечивается максимальный ресурс стержневого вольфрамового катода. В этой главе также представлены формулы для расчета оптимальных значений скорости сварки стальных труб, размеров сопла и расхода рабочего газа - аргона в зависимости от величины токовой нагрузки сварочных плазмотронов с обжатой дугой.

Третья глава посвящена исследованию составного анода, разработанного на основе сварки вольфрамовых стержней с медными. Исследована его эрозия и выведена формула для расчета токовых нагрузок, при которых обеспечивается высокий ресурс электрода. Экспериментально показано, что при правильно выбранных геометрических размерах электрода и токовой нагрузки ресурс анода может быть выше, чем катода. На основе составного анода разработаны 2 варианта микроплазмотронов: для сварки в автоматическом режиме и для ручной сварки изделий из металлов с поверхностной окисной пленкой.

В четвертой главе изложены результаты исследований эрозии термохимических катодов, и предложена схема катода с 4-мя гафниевыми вставками. Экспериментально доказана перспективность его применения в плазмотронах для резки металлов и нагрева кислородосодержащих сред. В этой главе также описан плазмотрон для резки металлов, имеющий более высокую надежность, чем серийно выпускаемый резак типа ПВР.

В пятой главе описана система плазменного воспламенения теплофикационного котла, в которой впервые применён концентратор для снижения энергозатрат на розжиг и подсветку котла. В этой главе также приведены результаты исследования эрозии внутреннего электрода - анода и показано, что ресурс двухкамерного плазмотрона при обратной полярности его подключения к источнику питания выше, чем при прямой.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах (24, 32, 45, 46, 51, 52, 54, 55, 57, 58,) и доложены на III и VI Межд. конф. по физике плазмы и плазменным технологиям (г. Минск), на Всерос. науч. конф. по физике низкотемпературной плазмы (г. Петрозаводск), на XXVI Сибирском теплофизическом семинаре (г. Новосибирск), на Межвузовской научной студенческой конференции (г. Новосибирск), на Международном научно -техническом семинаре (г. Томск).

Выводы

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

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

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

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

Заключение

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

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

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

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

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

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

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

1.Патон Б.Е., Гвоздецкий B.C., Дудко Д.А. и др. Микроплазменная сварка. Киев, 1979-248 с.

2. Жуков М.Ф., Карпенко В.И., Перегудов B.C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. Новосибирск, «Наука», 1995-404 с.

3. Жуков М.Ф., Смоляков В.Я., Урюков Б.А. Электродуговые нагреватели (плазмотроны). М., «Наука», 1973-232 с.

4. Жуков М.Ф., Коротеев А.С., Урюков Б.А. Прикладная динамика термической плазмы. Новосибирск, «Наука», 1977, 269 с.

5. Аньшаков А.С., Жуков М.Ф., Сазонов М.И., Тимошевский А.Н. Исследование плазмотрона с восходящими вольт амперными характеристиками дуги. Изв. СО АН СССР, сер. Техн. наук, 1970, №8, вып. 2, с. 3-11.

6. Тимошевский А.Н. Устойчивость горения дуги постоянного тока при восходящей вольт амперной характеристике. Изв. СО АН СССР, серия. Техн. наук, 1973, №3, вып. 13, с. 71-75.

7. Жуков М.Ф., Козлов Н.П., Пустогаров А.В., Аньшаков А.С. и др. Приэлектродные процессы в дуговых разрядах. Новосибирск, «Наука», 1982, 150 с.

8. Раховский В.Н. Эрозия электродов в контрагированном разряде. Изв. СО АН СССР, сер. Техн. наук, 1975, №3, вып.1, с. 11-27.

9. Урюков Б.А. Расчёт поля температур в электродах плазмотрона. ПМТФ,1967, №5, с. 84-91.

10. Урюков Б.А. Теория эрозии электродов в нестационарных пятнах электрической дуги. Экспериментальные исследования плазмотронов. Новосибирск, «Наука», 1977, с. 371-383.

11. Рыкалин Н.Н. Тепловые основы сварки. АН СССР, 1947, 53 с.

12. Крылович В.И. Температурное поле в электродуговом подогревателе с вращающейся дугой. ИФЖ, 1963, №8, с. 70.

13. Абраменко В.Н., Крылович В.И. Теплоотвод от быстродвижущегося дугового пятна. ТВТ, 1966, Т 4, №1, с. 80-86.

14. Жуков М.Ф., Аньшаков А.С., Дандарон Г.-Н.Б. Эрозия электродов. -«Приэлектродные процессы и эрозия электродов плазмотронов». Новосибирск, 1977, с. 123-148.

15. Гаврюшенко Б.С., Пустогаров А.В. Исследование электродов плазмотронов. «Приэлектродные процессы и эрозия электродов плазмотронов». Новосибирск, 1977, с. 85.

16. Энгель А. Ионизированные газы. М., Физматгиз, 1959, 323 с.

17. Neiman W. Der katodenmechanismus von Hochdruckbogen. Beitrag Plasmaphusik, 1969, Bd. 9, № 6, s. 499-526.

18. Цыдыпов Б.Д. Динамика катодных процессов в генераторах высокотемпературных потоков газа. Автореферат канд. дисс.- М., МВТУ им. Баумана, 1982, 16 с.

19. Жуков М.Ф., Пустогаров А.В., Дандарон Г.-Н.Б., Тимошевский А.Н. Термические катоды. Новосибирск, ИТ СО АН СССР, 1985 г., 129 с.

20. Малаховский В.А. Плазменная сварка.- М. Высш.шк., 1987, 80 с.

21. Жеенбаев Ж.Ж. и др. Исследование тепловых, электрических и эрозионных характеристик плазменного анода // Изв.СО АН СССР, сер. тех. наук. 1973,- № 3, вып. 1.- с.3-6.

22. Урюков Б.А. Исследование электрической дуги в генераторах высокотемпературных потоков газа. Дисс. д-ра.техн.наук. Новосибирск, 1970, 303 с.

23. Быков А.Н., Тимошевский А.Н. и др. Ресурсные характеристики электродов двухструйного плазмотрона. Тезисы докладов на XI Всесоюзнойконф. по генераторам низкотемпературной плазмы. Новосибирск, 1989, с. 4647.

24. Аньшаков А.С., Урбах Э.К., Цыдыпов Б.Д. Оптимизация теплового состояния и ресурса стержневого термокатода. Теплофизика и аэромеханика. 1995, т. 2, с. 167-171.

25. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твёрдых тел. М., Наука, 1964. 487 с.

26. Смительс К.Дж. Вольфрам. М., Металлургия, 1958, 414 с.

27. Кутателадзе С.С., Боришанский Н.В. Справочник по теплопередаче.-М.:ГЭИ, 1959,-414 с.

28. Малиновский B.C. Исследование и разработка мощных плазмотронов постоянного тока для плазменных сталеплавильных печей с керамической футеровкой: Автореф. канд. дисс.- М: ВНИИЭТО, 1980.- 24 с.

29. ТЦицин Ю.Д., Косолапов О.А. Влияние полярности на тепловые нагрузки плазмотрона// Сварочное производство,- 1997.- № 3,- с. 23-25.

30. A.S. Anshakov., Е.К. Urbakh., V.G. Samusev., V.A. Faleev. Mikroplasmotron for light-alloy articles. Plasma Physics and Plasma Technology / Proc. III. Intern. Con.(Minsk, September 18-22, 2000).- Minsk: IMAP NAS Belarus 2000,- Vol. II,- P. 554-557.

31. Аньшаков A.C., Урбах Э.К., Фалеев B.A., Урбах А.Э. Расчёт составного вольфрамового анода для микроплазменной сварки. Теплофизика и аэромеханика, 2000, т. 7, № 4.- с. 609-611.

32. Хольм Р. Электрические контакты,- Из-во Иностр. лит., 1961, 464 с.

33. Равинский Р.Е., Самойленко М.В. Диффузия тория и разрушение электродов из торированного вольфрама в сильноточном разряде в ксеноне // Радиотехника и электроника.-1959.-№ 6, т. 4.- с.1018-1025.

34. Савицкий Е.М., Бурханов Г.С. Металловедение тугоплавких металлов и сплавов.- М. Из-во. «Наука», 1967.- 323 с.

35. Иванов А.П. Электрические источники света,- М,- JL: Госэнергоиздат, 1995.-228 с.

36. Быховский Д.Г. Плазменная резка.- М: Машиностроение, 1972.- 242с.

37. Эсибиян Э.М., Данченко М.Е. Воздушно-плазменная резка металлов плазмотроном с циркониевым катодом // Автоматическая сварка.- 1967.- № 5-с. 76-77.

38. Аньшаков А.С., Бутова М.Н. и др. Исследование эрозии термохимических катодов // Труды V Всесоюз. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы, т. 2. Новосибирск, 1972. с. 48-52.

39. Жуков М.Ф., Пустогаров А.В. и др. Термохимические катоды.-Новосибирск, ИТ СО АН СССР, 1982,- 157 с.

40. Жуков М.Ф., Аньшаков А.С., Дандарон Г.- Н.Б. Эрозия электродов // Приэлектродные процессы и эрозия электродов плазмотронов // Сб. статей -Новосибирск, 1977 е.- 123-148.

41. Болотов А.В., Борисова Т.В. Термохимический катод: конструкция и работа. // Труды IV Всесоюз. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы.- Алма-ата, 1970, с. 268-270, 264-267.

42. Ачеусова И.И., Бутова М.Н. и др. Исследование ресурса катодов с термоэмиссионными вставками // Труды VI Всесоюз.конф. по генераторам низкотемпературной плазмы.- Фрунзе: Илим, 1974.- с. 332-335.

43. Жуков М.Ф., Козлов Н.П., Пустогаров А.В. и др. Приэлектродные процессы в дуговых разрядах,- Новосибирск: Наука, 1982.- 158 с.

44. A.S. An'shakov, Е.К. Urbakh, E.N. Kobeleva, А.Е. Urbakh. Investigations of long run thermochemical cathodes//Plasma Technology/Proc. IV Intern. Conf (Minsk, Belarus, Sept. 15-19, 2003).- Vol.1 Minsk: IMAP NASB, 2003,- P. 66-69.

45. Говелевич E.P., Алеминский P.E. Об использовании непроектных углей на тепловых электростанциях. Энергетик, 1997,- №7, с. 11-12.

46. Вольфберг Д.Д. Современное состояние и перспективы развития энергетики мира. Теплоэнергетика, 1999,- №8,- с. 5-13.

47. Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C., Мессерле В.Е. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела,- Новосибирск: Наука, 1995.- 304 с.

48. Перегудов B.C. Кинетический расчёт плазменного воспламенения угля при различных начальных условиях // Теплофизика и аэромеханика, 2002, т. 9. №1.- с. 29-36.

49. Шиляев A.M., Кобелева Е.Н., Урбах А.Э. и др. Воспламенение угля в теплофикационных котлах с помощью электродуговой плазмы // XXVI Сиб. теплофиз. сем./ Тез. докл.- Новосибирск: ИТ СО РАН, 2002, с. 239-240.

50. Урбах А.Э. Плазменный розжиг и подсветка пылеугольного котла. Межвузовская научная студенческая конференция / Доклады и тезисы докл,-Под ред. В.В. Понкратова. Новосибирск: Из-во НГТУ, 2001.- с. 107-109.

51. Тимошевский А.Н., Засыпкин И.М., Ващенко С.П. и др. Применение систем плазменного воспламенения угольной пыли в теплофикационных котлах // Теплофизика и аэромеханика, 2000, т. 7, №4.- с. 591-599.

52. Аньшаков А.С., Жуков М.Ф. и др. Исследование плазмотрона с восходящими вольт- амперными характеристиками дуги // Изв. СО АН СССР. Серия техн. наук, 1970.- №8, вып. 2.- с. 3-11.

53. Брон О.Б., Сушко JI.K. Потоки плазмы в электрической дуге выключающих аппаратов. Энергия, 1975, 241 с.

54. Быков А.Н., Тимошевский А.Н., Урбах Э.К. Динамика дуги и эрозия холодных электродов. Тезисы докладов XI Всесоюз. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы. Новосибирск, 1989, с. 50-51.

55. Аньшаков А.С., Тимошевский А.Н., Урбах Э.К. Эрозия медного цилиндрического катода в воздушной среде. Изв. СО АН СССР,сер. техн. наук, 1988, №7, вып.2, с.65-68.

56. Аныиаков А.С., Жуков М.Ф. и др. Динамика, структура дуги в цилиндрическом электроде и его эрозия / Плазменные генераторы и процессы. Минск, ИТМО АН БССР, 1988, е.- 25-32.

57. Жуков М.Ф. Основы расчёта плазмотронов линейной схемы. Под ред. М.Ф. Жукова. Новосибирск, 1979, 146 с.