Актуальность работы. Наряду со стабилизированной электрической дугой, известной как физическое явление уже более двухсот лет и нашедшей широкое применение в различных отраслях промышленности от машиностроения до медицины, сжатая дуга успешно используется во многих технологических процессах, таких как сварка и резка металлов, наплавка и модификация поверхностей. Столь широкое применение сжатой электрической дуги обусловлено разнообразием физических явлений протекающих в ней, которые могут быть использованы при реализации вышеописанных технологических процессов, связанных с обработкой металлов.
Использование сжатия плазмы электродугового разряда в технологических процессах металлообработки связано с широкими возможностями и высокой эффективностью сжатых электрических дуг. При таком применении основными свойствами электрической дуги, играющими решающую роль, являются интенсивное тепловое и динамическое воздействие на металл. Эти особенности-дуги позволяют производить обработку металлов с максимальной скоростью, качеством и эффективностью при относительно небольших затратах. Обеспечение высокой-эффективности электродуговой обработки металлов требует разработки новых технологических систем и устройств, для^чего необходимо проводить всесторонние исследования плазмы электрической' дуги, позволяющие максимально учесть все многообразие физических процессов, протекающих в электродуговом разряде, и установить наиболее близкую к реальности связь между характеристиками рассматриваемого разряда и параметрами технологической системы.
Различным аспектам решения задач исследования плазмы сжатой электрической дуги и разработки' генерирующих ее плазмотронов посвящены работы. Б. Е. Патона, H.H. Рыкалина, К. В. Васильева, B.C. Клубникина, H.A. Соснина, В: ЯФролова и др. В то же время значительный вклад в моделирование плазменных процессов внесли М. Ф. Жуков, С. В. Дресвин, О. П. Солоненко, Н. К. Ши, Д. В. Иванов и др. Однако нельзя не отметить недостаточную изученность характеристик сжатой электрической дуги, что отражено при проведении критического анализа литературных источников, посвященных способам формирования и методам исследования плазмы сжатых электрических дуг.
Известно, что параметры сжатой электрической дуги зависят от целого ряда факторов — геометрических, технологических и внешних параметров оборудования. Но, в то же время, критический анализ выявил неоднозначную взаимосвязь характеристик сжатой электрической дуги с параметрами плазмотрона и способами ее формирования. Вместе с тем нельзя не отметить значительный разброс результатов исследований у различных авторов.
Также следует коснуться механизмов передачи энергии от сжатой дуги в анодное пятно обрабатываемого изделия. Достаточно хорошо отражен физический смысл процессов, протекающих в этой области. Однако он представлен на качественном уровне и выражается с помощью критериальных зависимостей. Выявлено отсутствие четких рекомендаций к количественному переходу от плазмы электрическойдуги к семейству тепловых потоков, передающих энергию обрабатываемому изделию.
Переходя к экспериментальным исследованиям, следует отметить, что плазма сжатой электрической дуги является достаточно сложным объектом исследований и диагностики. Сложность проведения измерений параметров сжатой дуги в большей мере связана с интенсивностью процессов тепло — и массообмена и высокой степенью концентрации энергии. Свой вклад вносит и то, что процессы в сжатой электрической дуге характеризуются значительными градиентами основных величин, в том числе и температуры, что существенно ограничивает применение существующих методов экспериментальных исследований ввиду значительной погрешности при обработке экспериментальных результатова также сложности самой обработки.
К настоящему времени при разработке оборудования параметры сжатой дуги определялись путем проведения многочисленных экспериментов для данной конкретной технологической операции, причем исследования ограничивались технологическим результатом. Одним из основных определяемых параметров являлась температура плазмы электрической дуги. Однако интегральная температура не дает полной картины процессов, имеющих место в электродуговом разряде.
Учитывая вышесказанное, безусловно, нет обобщенной методики расчета параметров сжатой электрической дуги, а также экспериментальных исследований, позволяющих адекватно отразить процессы в сжатых дугах, учитывающих взаимосвязь параметров в системе «дуга-заготовка».
Изложенное выше подтверждает необходимость комплексного подхода к решению задачи по исследованию плазмотронов прямого действия со сжатой электрической дугой.
Целью работы является решение задачи, заключающейся в повышении качества работы плазмотронов прямого действия путем установления закономерностей взаимодействия теплового потока и скоростного напора сжатой электрической дуги с технологическим объектом. Поставленная цель может быть достигнута посредством решения основных задач, имеющих место в данной работе:
• Разработать, алгоритм и методику расчета системы «плазмотрон-заготовка» с учетом взаимосвязи сжатой электрической дуги и технологического объекта.
• Установить закономерности влияния параметров плазмотрона на характеристики сжатой электрической дуги.
• Определить количественные характеристики механизмов передачи энергии в анодное пятно.
• Разработать методику проведения экспериментальных исследований сжатой электрической дуги, имеющей высокие градиенты температуры и скорости потока плазмы.
• Установить режимы работы плазмотронов, использующих сжатую дугу, в условиях сварки, резки и других способов обработки металлов по критериальной зависимости устойчивости расплавленного металла ванны с учетом скоростного напора потока плазмы.
Научная новизна. К основным научным результатам, полученным впервые и защищаемых автором, относятся:
• Алгоритм и методика расчета системы «плазмотрон-заготовка», учитывающая взаимосвязь между сжатой электрической дугой и технологическим объектом.
• Методика экспериментального определения температуры плазмы сжатой электрической дуги, имеющей значительные градиенты по сечению столба дуги, одновременно со скоростным напором плазмы на технологический объект.
• Количественные характеристики передачи энергии в анодное пятно обрабатываемого изделия, описанные семейством тепловых потоков и • скоростного напора, отражающие пространственные распределения параметров сжатой электрической дуги в широком диапазоне изменения конструктивных, технологических и внешних параметров системы.
Практической ценностью диссертационной работы является повышение качества работы плазмотронов за счет изменения характеристик сжатой электрической дуги в зависимости от параметров технологической системы. Полученные результаты используются для расчета и разработки плазмотронов прямого действия в учебных материалах кафедры.
Методологическая основа исследований. Методологической основой диссертационной работы явились фундаментальные положения теорий газодинамики, термодинамики и теплофизики для твердых, жидких и газообразных сред, а также общие представления связи теории с практикой, вытекающие из анализа процессов и достоверности получаемых результатов. Теоретические исследования плазмы сжатой электрической дуги базировались на численном решении уравнения баланса энергии, уравнений движения, уравнения неразрывности и уравнения электромагнитной задачи методом контрольного объема, а исследованиятепловых процессов на численном решении уравнения теплопроводности тем же методом.
Достоверность результатов и выводов в работе обеспечивается обоснованным применением теоретических положений и определена путем сопоставления результатов расчета с результатами комплексных экспериментальных исследований.
Результаты исследований обоснованы теоретически и подтверждаются практической реализацией электротехнологии.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах: всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Россия, Санкт-Петербург — XXXIV неделя науки СПбГПУ, 2006; Россия, Санкт-ПетербургXXXV неделя науки СПбГПУ, 2007; Россия, Санкт-Петербург — XXXVI неделя науки СПбГПУ, 2008) — третьей научно-технической конференции с международным участием (Россия, Новосибирск, 2007) — восьмой международной конференции «Пленки и покрытия — 2007» (Россия, Санкт-Петербург, 2007) — девятой международной конференции «Пленки и покрытия — 2009» (Россия, Санкт-Петербург, 2009).
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 39 наименований. Полный объем диссертации -150 страниц, в том числе рисунков — 72, таблиц — 30.
Заключение
.
Проведены исследования сжатой электрической дуги и получены следующие результаты:
1. На основе проведенного критического анализа литературных источников выявлено современное состояние проблем изучения сжатого электродугового разряда в газе, определены пути решения актуальных задач исследования сжатой электрической дуги, сформулированы задачи диссертации.
2. Разработана методика расчета системы «плазмотрон-заготовка», учитывающая взаимосвязи между формируемой плазмотроном сжатой электрической дугой и технологическим объектом и критериальную зависимость теплового состояния металла.
3. В результате математического моделирования получены пространственные' распределения температуры столба сжатой дуги, аксиальной и радиальной составляющих скорости плазмы, давления набегающего"плазменного потока на анод и другие параметры плазмы электрического разряда, которые позволяют установить взаимосвязь между характеристиками сжатой дуги в широких диапазонах варьирования тока (70−150) А, расхода плазмообразующего газа (2−10) л/мин, диаметра сопла плазмообразующего газа (3.1—5) мм, длины дуги (9−15) мм и параметрами технологической системы, что позволило исследовать режимы горения дуги, имеющие место при сварке и резке металлов.
4. Разработана методика определения количественных характеристик передачи энергии в, анодное пятно обрабатываемого изделия, с помощью семейства тепловых потоков, и. скоростного напора^ адекватно отражающих пространственные распределения параметров, сжатой электрической дуги в широком диапазоне изменения конструктивных, технологических и внешних параметров системы.
5. На основании разработанной методики передачи энергии в анодное пятно получены температурные распределения в технологическом объекте, которые совместно с предложенным критерием —^ > + {р) устойчивости расплавленного металла ванны позволяют установить искомые режимы работы плазмотронов, генерирующих сжатую электрическую дугу, в соответствии со стандартами металлургических процессов, для реализации технологической операции для конкретного изделия.
6. Разработанная методика проведения экспериментальных исследований позволяет одновременно установить параметры, входящие в критериальную зависимость (давление набегающего потока плазмы на расплавленный металл ванны), и температуру столба сжатой электрической дуги.
7. Повышена точность измерения температуры столба дуги, определяемая значительными градиентами температурного поля в радиальном направлении (до 10 тысяч К на миллиметр) и относительно малыми размерами самой дуги (~5 мм), путем проецирования увеличенного в 36 раз изображения электродугового разряда на экран, причем расхождение экспериментальных и расчетных результатов не превышает 12%, что позволяет судить о корректности постановки эксперимента, методики проведения экспериментальных исследований, а также об адекватности принятых расчетных методик, реализованных с использованием математических моделей, и, в целом, о достоверности результатов исследований характеристик сжатой электрической дуги.
8. Установлено, что в диапазоне изменений динамического напора сжатой электрической дуги (30−600) Па*и температуры плазмы (8000−12 000) К в прианодном слое, радиальное распределение аксиальной скорости плазмы в той же области достигает своих максимальных значений на оси (60−230) м/с и по мере удаления от оси ниспадает до 0. I.
9. Повышено качество работы плазмотронов прямого действия путем установления закономерностей воздействия теплового потока и скоростного напора сжатой электрической дуги на технологический объект.
Новые данные, полученные в ходе экспериментальных и теоретических исследований сжатой электрической дуги, дополняют уже имеющуюся информацию о физических процессах, протекающих в электродуговом разряде, расширяют представления о физике прианодных явлений и способствуют дальнейшему изучению электродуговых систем с точки зрения реализации новых и оптимизации уже существующих технологических процессов. Полученные результаты могут быть использованы и в настоящее время используются для расчета, разработки и оптимизации плазменных электротермических установок, с целью повышения их эффективности.
В заключении автор выражает особую признательность научному руководителю профессору Фролову Владимиру Яковлевичу и сотрудникам кафедры Электротехники и Электротехнологии профессору Дресвину C.B., профессору Гагарину А. П., доценту Иванову Д. В. и доценту Грачеву С. Ю. за активное обсуждение полученных результатов и полезные рекомендации по теме диссертации.
