автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка и исследование плазменной электротермической установки с жидким катодом

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ЗАПОРОЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ Б ОД

На правах рукописи

2 7 ЯНй 1Я9.7

Попова Наталия Анатольевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ЖИДКИМ КАТОДОМ

Специальность 05.09.10 - "Электротермические процессы

н установки"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Запорожье - 1996

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена на кафедре физики Донбасского

горно-металлургического института

Научный руководитель:

член корреспондент АИН Украины,

доктор технических наук,

профессор Дзюба Вячеслав Леонидович

Официальные оппоненты: Лауреат Государственной премии Украины, доктор технических наук,

профессор Юхимчук Станислав Алексеевич

кандидат технических наук,

доцент Попов Владимир Вячеславович

Ведущая организация:

Восточноукраинский государственный университет

Защита состоится "21" января 1997 г. на заседании специализированного совета К.08.02.02 "Электротермические процессы и установки" в Запорожском государственном техническом университете по адресу: 330063, г. Запорожье, ул. Жуковского, 64

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "20" декабря 1996 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета кандидат технических наук,

доцент В. И. Бондаренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Электрофизические методы обработки материалов с каждым днем находят все большее и большее применение. Особый интерес вызывают разряды, возникающие между твердым и жидким электродами, позволяющие создать нетрадиционные источники плазмы. Получаемая таким образом низкотемпературная плазма может использоваться, и уже в ряде случаев используется для нанесения высококачественных теплозащитных диэлектрических, противокоррозионных и декоративных покрытий, а также для нагрева металлов и термической обработки деталей, работающих в агрегатах различных производств. Однако, несмотря на большие возможности применения объемного разряда в жидкостях, физика разряда между жидким и твердым электродами изучена недостаточно. Особенно мало работ посвящено изучению физических процессов, происходящих на границе раздела жидкого катода и плазмы. Практически нет данных о вольтамперных характеристиках, величинах анодного и катодного падения потенциалов. Неизученность этих процессов сдерживает создание и широкое использование плазменных электротермических установок с жидким электродом, которые необходимы для термообработки и серийного производства деталей в большей степени определяющих технические характеристики и надежность современной техники.

Цель работы заключается в разработке плазменной элек- • тротермической установки с жидким катодом и исследовании объемного разряда в широком диапазоне изменений его параметров.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать и создать экспериментальную плазменную электротермическую установку с жидким катодом для исследования объемного разряда в широком диапазоне изменений его параметров ;

исследовать основные особенности возникновения, существования и устойчивого горения электрического разряда с жидким электродом;

- разработать математическую модель и найти алгоритм расчета плазменной электротермической установки;

- осуществить практическое использование разработанной установки для обработки деталей горно-шахтного оборудования и дать им экономическую оценку.

Научная новизна работы состоит в том, что решена конкретная научная задача, связанная с разработкой плазменной электротермической установки для термической обработки изделий. При этом автором получены следующие новые научные результаты:

- выявлены основные закономерности поведения объёмного разряда между твердым анодом и жидким катодом;

- представлены обобщенные графики и критериальные уравнения удобные для инженерных расчетов;

- аналитически получены формулы, показывающие изменение концентрации электронов между электролитом(катодом) и металлическим анодом;

- установлено, что пробой газа между электролитом и металлическим электродом осложняется действием электрического поля на электролит, влиянием силы поверхностного натяжения и силы тяжести;

- определена зависимость напряженности электрического поля от плотности электролита, поверхностного натяжения и диаметра катодного пятна;

- разработана математическая модель, описывающая свойства жидкой плазмы и найден алгоритм расчета плазменной электротермической установки, позволяющий определить основные её режимы работы и температуру плазмы;

- создана опытно-промышленная плазменная электротермическая установка, базирующаяся на изученных явлениях.

Практическая ценность диссертации заключается в замене сложных малопроизводительных, с низким КПД электротермических установок, используемых в процессе термической обработки изделий, на более простые и высокопроизводительные плазменные электротермические установки и в создании инженерной методики расчета плазменной электротермической установки на основе аналитических формул, обобщенных графиков и критериальных зависимостей с применением алгоритма расчета.

Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили создать опытно-промышленную плазменную электротермическую установку с жидким катодом для термической обработки деталей горношахтного оборудования.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международном семинаре "Газотермическое напыление в промышленности" (Санкт-Петербург,1993),на республиканской научно-технической конференции " Плазмотехнология " (ЗапорожьеДЭЭЗ), на Международных конференциях "Высокоэффективные технологии в машиностроении" (Алушта, 1995,1996), на научно-технической конференции Высшей школы бизнеса (Алчевск,1995), а также на научно-технических конференциях Донбасского горнометаллургического института (Алчевск,1992-1996).

Публикации материалов. По теме диссертационной работы опубликовано 4 статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, перечня ссылок из 116 наименований и приложений.

Диссертационная работа содержит 116 страниц машинописного текста, 50 рисунков, 4 таблицы.

Личный вклад автора состоит

- в разработке и создании экспериментальной плазменной электротермической установки с жидким катодом;

- в разработке методики исследований и изучении основных физических процессов объёмного разряда между жидким катодом и твердым анодом;

- в разработке математической модели и нахождении алгоритма расчета плазменной электротермической установки, позволяющие определить основные её режимные параметры;

- в разработке, исследовании и внедрении в производство опытно-промышленной плазменной электротермической установки для упрочнения деталей горно-шахтного оборудования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, её научная новизна и практическая ценность,

сформулированы цель и задачи диссертации, а также изложены основные положения и выводы, которые автор выносит на защиту.

В первом разделе дан анализ применения, состояния и перспективы развития электротермических установок, использующих электрический разряд в жидкости. Рассмотрены схемы и некоторые конструктивные особенности известных технологических установок и аппаратов, их достоинства, недостатки, и теоретические исследования электрического разряда между твердыми жидким электродами. Отмечено, что многообразие взаимосвязанных процессов, протекающих в газовых разрядах с жидким катодом изучены недостаточно. Это сдерживает создание и широкое использование плазменных электротермических установок с жидкой плазмой в различных производствах. Сформулированы задачи диссертации.

Во втором разделе приведено описание созданной экспериментальной установки и изложена методика проведения исследований. Экспериментальная установка состоит из электролитической ванны, медной пластины, погруженной в электролит и служащей для подачи к нему напряжения, источника электропитания и медного стержневого анода. Анод может перемещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях относительно поверхности электролита. Созданная экспериментальная установка и разработанная методика проведения исследований позволили исследовать электрический разряд в жидкости в широком диапазоне изменений параметров (типа, концентрации и объёма электролита, межэлектродного расстояния, тока и напряжения разряда) и определить его основные электрофизические характеристики.

В третьем разделе приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований, приведших к созданию плазменной электротермической установки. Были изучены физические процессы объемного разряда между жидким катодом и твердым анодом. Это позволило выявит следующее:

- при атмосферном давлении плазменный столб принимает вид усеченного конуса основанием которого служат точечные пятна на поверхности жидкого катода;

- если металлический анод погружается в жидкий катод, то электрический разряд продолжает гореть и состоит из множества микроразрядов;

- изменяя геометрическую форму анода, можно получить разряд различной конфигурации, с ростом тока происходит ступенчатый переход к контрагированному плазменному столбу;

- в случае использования для жидкого катода растворов из солей щелочных металлов между электродами зажигается сильноточный разряд, состоящий из множества микроразрядов с распределенными катодными и анодными областями;

- установлена зависимость напряжения, тока разряда и температуры электролита от глубины погружения твердого анода (табл.1).

Таблица 1

Напряжение разряда. И,В Ток разряда, 1.Л Температура электролита, Т, "С Глубина погружения анода, Ь,.х103м

460-410 13,4-60 30 2,3

490-450 13,4-20 48 6,7

450-440 20,1-23 50 11,4

Экспериментально исследованы электрические характеристики разряда для различных условий и параметров, на рис. 13 приведены лишь некоторые из них. Установлено, что на вольтамперные характеристики оказывают влияние состав, концентрация и объём электролита, что обусловлено различным числом носителей тока в разряде. Значительная часть экспериментальных данных обобщена с помощью критериев.

Безразмерные величины ]~[ , описывающие характеристики разряда в жидкости, являются функциями критериев подобия

П=/[^Де,ЬСп,Рг,К1',К2|...Кп'] (1)

Применяя (1) к плазмообразующей рабочей среде одного и того же химического состава при постоянной температуре и отбрасывая некоторые постоянные размерные комплексы, уравнение можно упростить. Учитывая зависимость напряжения разряда от силы тока при заданных конструктивных и режимных па-

М-

120

. ю,о

9,0

>

К

:

¿,0 45 50 55 ои »-£а ' 3- /О ; с -£о о - ¿„ - '

I

3 - раст&ор

Рисунок 1 - Вольтамперные характеристики разряда между жидким катодом и твердым анодом

Рисунок 2 - Зависимость удельной электропроводности электролитов от их концентрации

О 4 7&Гм

9 - нагриненно&пь ; в-по/71е»циа/>.

Рисунок 3 - Распределение потенциала и напряженности электрического поля на оси разряда при 10=2хЮ'2 м

раметрах плазменной электротермической установки представим уравнение (1)в виде

Ъ'

с

I/

./о'/о,

(2)

где А =

и

г -"к' а

и - безразмерное на-

пряжение дуги. Отбрасывая постоянную величину Ц, уравнение (2) упростим

и= л

\

I ±

/о' р)

(3)

Если (3) заменить степенной зависимостью то из него можно получить

иьф^

-с —

(4)

Для исследованных значений тока, межэлектродного расстояния, толщины электролита, подвижность ионов, когда в качестве электролита использовались 5 %, 10 % раствор ЫаС1 получено а = 1,/ = 0.33, А = 10"7, с=6.51.

Обобщенная вольтамперная характеристика представлена на рис. 4, которая с точностью ± 15 % определяет напряжение разряда.

Учитывая, что во многих случаях плазменная электротермическая установка по характеристикам подобна плазмохими-ческому реактору идеального вытеснения, мы используем соответствующую математическую модель, которая рассматривает одномерное стационарное течение плазменного потока.

V

(<т)с

во

50

4.0

в 1 )

< / с

/

¿.О

с - 5°/а растЗар

о,о

7,с/ в,о д.о

• - Юуо рас/7?Зор Л/б'З.

л

Рисунок 4 - Обобщенная вольтамперная характеристика

ется уравнением химическои кинетики

При этом массовый расход во всех сечениях реакционного канала одинаков и не зависит от времени, кроме того, распределение параметров (температуры, давления, концентрации компонентов, скорости) в каждом сечении канала равномерно и постоянно, не изменяющееся во времени. Математическая модель помимо известных уравнений, описывающих пробой в проводящих

ЖИДКОСТЯХ, ДОПОЛНЯ-

СЬ,

Ос

=1

к; ¿Г

(5)

В виду сложности решения выбранной математической модели и неопределенности некоторых параметров, а так же учитывая, что для оценки выбора рациональных режимов плазменной электротермической установки решающую роль играют условия электрического пробоя между металлическим электродом (анодом) и электролитом (катодом), рассмотрим более подробно изменение концентрации электронов в процессе пробоя, с учетом принятой физико-математической модели. При этом были сделаны следующие допущения: вторичная эмиссия электронов с катода отсутствует, электрическое поле в межэлектродном пространстве однородно, возможность пренебрежения потерями электронов за счет процессов рекомбинации, прилипания и диффузии, газ является оптически тон-

ким и скорость фотононизации вдоль пробойного промежутка остается постоянной. В указанном приближении изменение концентрации электронов можно описать уравнением

ёп (1п Ьа \ ,

+ и —г~ = ссп + —— J пах

сН

с/х

/п

(6)

здесь ось X направлена от катода к аноду и плоскость О соответствует поверхности катода. С учетом граничных условий

л(0;О=0 л{х-,0) = ^(х)

решение (6) можно представить в виде:

(7)

л =

N. Ь

N.

а

а

У

1

- 1

7

е " - \

(8)

Показано, что пробой газа между электролитом и металлическим электродом осложняется действием электрического поля на электролит, в результате которого происходит деформация поверхностного слоя электролита. При этом учитывают три силы, определяющие форму деформированного участка поверхности: электростатическую силу, силу поверхностного натяжения и силу тяжести. Совокупность действующих сил деформирует участок поверхности жидкости, находящийся в зоне катодного пятна, который поднимается так, что образуется фигура по форме близкой к шаровому сегменту. Из условия равенства действующих сил величина напряженности имеет максимум, определяемый выражением

0.5 £0 Е

з+Л"

2 Л

Рё +

а2+Ы

О)

Важную роль в оценке работы плазменной электротермической установки с жидким катодом играет эффективность преобразования электрической энергии в тепловую. Поэтому проектирование таких установок требует достоверной информации о теплообмене между рабочим телом и электрическим разрядом. С целью определения КПД плазменной электротермической установки нами были выявлены и обобщены энергетические потери, идущие на испарение различных электролитов в широком диапазоне изменения электрических и геометрических параметров разряда, вида и концентрации электролита.

IU

12Л"2р

= K{Pn)p{!f)

(10)

Const.

О

Обобщенный график энергетических потерь, затраченных на испарение электролита изображен на рис. 5. Представленные обобщенные графики и полученные формулы можно рекомендовать для использования в расчетах при раз-

_,___ . работки плазмен-

Р.О 3,0 40 ных электротер-

мических установок.

С учетом (4), (8), (9), (10) раз-

Рисунок 5 - Обобщенный график энергетических потерь

работал

расчета плазменной электротермической установки.

алгоритм

Четвертый раздел посвящен вопросу практического использования результатов исследований, которые нашли применение при разработке опытно-промышленной плазменной электротермической установки для упрочнения деталей горношахтного оборудования. Эксперименты показали, что твердость и глубина обрабатываемого слоя зависят от мощности ус- . тановки, глубины погружения детали в электролит и времени его нахождения в электролите. После плазменной термообработки твердость поверхностного слоя образца находилась в пределах 50-60 НИС. Глубина упрочненного слоя составляет 24 мм и зависит от режима обработки. Структура обработанной поверхности представляет собой мелкодисперсный мартенсит, который переходит в сорбит с небольшим количеством феррита. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что созданная опытно-промышленная плазменная электротермическая установка с жидким катодом перспективна для широкого применения в различных производствах при обработке поверхностей деталей с целью повышения их твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Она также может быть использована для очистки поверхностей и снятия заусенцев после механической обработки. Разработанная установка отличается от аналогичных выпускаемых серийно установок улучшенными технико-экономическими показателями.

В приложениях приведены программа и алгоритм расчета ■ плазменной электротермической установки, а также расчет экономической эффективности от внедрения опытно-промышленной плазменной электротермической установки для обработки блок-звездочки скребкового конвейера СП202.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Выполненная диссертационная работа включает теоретическое исследование, экспериментальное изучение разряда между твердым анодом и жидким катодом и создание опытно-промышленной плазменной электротермической установки. Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Разработана и создана экспериментальная плазменная электротермическая установка с жидким катодом, которая по-

зволила провести изучение электрического разряда между твердым анодом и жидким катодом в широком диапазоне изменения параметров: тока, напряжения, межэлектродного расстояния, состава, объёма и концентрации электролита.

2. Разработана методика исследований и изучены физические процессы объёмного разряда между жидким катодом и твердым анодом:

- при атмосферном давлении плазменный столб принимает вид усеченного конуса основанием которого служат точечные пятна на поверхности жидкого катода;

- если металлический анод погружается в жидкий катод, то электрический разряд продолжает гореть и состоит из множества микроразрядов;

- в случае использования для жидкого катода растворов из солей щелочных металлов между электродами зажигается сильноточный разряд, состоящий из множества микроразрядов с распределенными катодными и анодными областями;

- установлена зависимость напряжения, тока разряда и температуры электролита от глубины погружения твердого анода.

3. Экспериментально исследованы электрические характеристики разряда. Экспериментальные данные представлены в виде таблиц, графиков, расчетных формул. Значительная часть экспериментальных данных обобщена и представлена в виде обобщенных графиков и критериальных уравнений.

4. Получены аналитические формулы, показывающие изменение концентрации электронов между электролитом (жидкостью) и металлическим электродом во время пробоя газа. Показано, что пробой газа между электролитом и металлическим электродом осложняется действием электрического поля на электролит, влиянием силы поверхностного натяжения и силы тяжести.

5. Определена зависимость напряженности электрического поля от плотности электролита, поверхностного натяжения и диаметра катодного пятна.

6. Разработана математическая модель, описывающая свойства жидкой плазмы и найден алгоритм расчета плазменной электротермической установки, позволяющие определить основные режимы её работы и температуру плазмы.

7. Приведено сравнение расчетных характеристик разряда по полученным формулам с экспериментальными данными и показано их удовлетворительное согласие.

8. Разработана, исследована и внедрена в производство опытно-промышленная плазменная электротермическая • установка для упрочнения деталей горно-шахтного оборудования.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Дзюба B.JL, Попова H.A., Коркишко Р.Г. Модификация деталей объёмным разрядом в парогазовой среде // Газотермическое напыление в промышленности - 93: Материалы международного семинара.- JI.: ЛПИ, 1993. - С.127

2.Горохов К.И., Сергиенко С.Н., Попова H.A. Упрощенный метод .вычисления энергии активации химических реакций . // Плазмотехнология - 93: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Запорожье, 1993. - С.48-51.

3.Дзюба В.Л., Горохов К.И., Попова H.A. Влияние электрического поля на пробой в жидкости // Высокоэффективные технологии в машиностроении: Материалы науч.-техн. конф. - К., 1996. - С.34-35.

4.Дзюба В.Л., Попова H.A. Результаты исследований разряда между твёрдым и жидким электродами // Труды научн. -техн. конф. - Алчевск, 1995. - С.124-125

Перечень условных обозначений

<? - электрический заряд в единицы объёма;

п - концентрация электронов;

- число электронов, возникающих в единице объёма за единицу времени и - скорость дрейфа электронов;

¿5 - подвижность ионов;

Я - средняя длина свободного пробега

электронов; £■„ - электрическая постоянная;

1,Ц<р - ток и напряжение разряда, потенциал; Е - напряженность электрического поля;

у - плотность тока;

Ь - число актов фотоионизации, приходящихся

на один акт ионизации электронным ударом; а - константа ионизации электронным ударом;

а - коэффициент поверхностного натяжения;

а - радиус катодного пятна;

Д, - высота подъёма жидкости в зоне катодного

пятна;

/0>/ - межэлектродное расстояние, толщина

электролита

Popova N.A. Working out and investigation of plasma electrothermal installation with a liquid cathode.

Dissertation submitted to the degree of Candidate of science (technology) specialty 05.09.10 - "Electrothermal processes and installations", Zaporoshsky State technical university. 1996.

Dissertation deals with the theoretical researches and experimental studies of charge between solid anode and liquid cathode. The most part of experimental data was generalized and represented in the form of general graphs criteria equations.

The method and calculation algorithm of plasma electrothermal installations were worked out. Test industrial plasma electrothermal installation was created for the treatment of mining machinery units this determined optimum work regime of installation.

Попова H.А. Розробка та досл1дження плазмено'1 електротерм1чно'1 установки с р^инним катодом.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техничних наук за фахом 05.09.10 - "Електротерм1чш процеси та установки". Запор1зький державний техшчний ушверситет,1996.

Захищаеться рукопис, який вмщуе теоретичш дослщження та експериментальне вивчання розряду м1ж металевим анодом та рвдинним катодом. Значна частина експериментальних даних узагальнена та подана у вигляд1 узагальнених графш1в i критер1альних р1внянь. Розроблено методику та алгоритм розрахунку плазмено!" електротерм1чно'1 установки. Створено досл1дно-промислову плазмену електротерм1чну установку для обробки деталей ирничо-шахтного обладнання. Знайдено оптимальш режими роботи установки.

Ключов1 слова: плазмена електротерм1чна установка, розряд, рздинний катод, обробка деталей, змщнення деталей.

к