Дуговой разряд малой мощности в паровоздушной среде и в струе электролита при атмосферном давлении

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................ 4
ГЛАВА I ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ДУГОВОГО РАЗРЯДА МАЛОЙ МОЩНОСТИ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ....................................................... 11
1.1 Устройства формирования плазмы....................... 11
1.2 Виды плазменной дуги................................. 14
1.3 Плазменная резка и сварка металлов................... 16
1.4 Параметры электрической дуги......................... 21
1.5 Структура электрической дуги прямого действия........ 27
1.6 Методы исследования плазмы электрической дуги 35
1.7 Постановка задачи.................................... 38
ГЛАВА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДУГОВОГО РАЗРЯДА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПЛАЗМЕННОМ СТОЛБЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ........................................................... 40
2.1 Описание структурной схемы, устройство и принцип работы................................................... 40
2.2 Дуга постоянного тока................................ 42
2.3 Структура общей электрической схемы.................. 45
2.4 Электронная схема фазового управления разрядом 48 *
2.5 Электронная схема амплитудного управления разрядом .... 49
2.6 Схема задержки управления............................ 50
2.7 Схема пересчета импульсов управления................. 51
2.8 Схема формирования импульсов поджига................. 52
3
2.9 Схема управления источника..................... 54
2.10 Усовершенствованный метод определения распределения
температуры в плазменном столбе электрической дуги 55
ГЛАВА III ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ.............................. 61
3.1 Исходные уравнения............................. 61
3.2 Расчетная область.............................. 64
3.3 Метод решения.................................. 66
3.4 Граничные условия.............................. 80
3.5 Последовательность и результаты расчета........ 86
ГЛАВА IV РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ДУГОВОГО РАЗРЯДА МЕЖДУ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ В ВОЗДУХЕ, ПАРОВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ И В СТРУЕ ЭЛЕКТРОЛИТА РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ СВАРКИ ДУГОЙ ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ................ 91
4.1 Результаты экспериментальных исследований дугового разряда между металлическими электродами (медь, латунь, сталь) в воздухе, паровоздушной среде и в струе электролита различного состава (техническая вода, ЫаС1, Си304 в технической воде концентрации электролита от 5% до насыщения).................................... 91
4.2 Способ плазменной сварки дугой обратной полярности ... 102
ВЫВОДЫ.......................................................... 107
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................. 108
4
ВВЕДЕНИЕ
Повышенный интерес к исследованиям плазменного состояния вещества возник в середине XX века. Он был обусловлен заманчивыми перспективами решения всех энергетических проблем' на Земле путем реализации-управляемых реакций термоядерного синтеза (УТС) [1,2].
Выделение большого количества энергии в реакциях ядерного синтеза обусловлено наблюдаемым эффектом дефекта масс. Расчеты показывают, что' при синтезе 1 г атомов гелия (Не4) из атомов дейтерия- и трития может выделиться>. 1800001- квт/час энергии; Из-за большой1 величины сил отталкивания одноименных зарядов (протонов) реакция синтеза ядра-, может протекать только при очень высоких температурах - миллионы и более градусов [2-5], поэтому эти реакции называют термоядерными; На Солнце и*, звездах реакции термоядерного синтеза протекают постоянно. При таких высоких температурах любое1 вещество может существовать лишь в. плазменном состоянии.
Успешные работы по мирному освоению атомной-энергии в 50-е годы вселили надежду на быстрое решение проблемы УТС. Неисчерпаемые запасы термоядерного топлива - дейтерия и трития в водах Мирового океана были: открыты еще в 1934г. Э.Резерфордом с сотрудниками [5]. К тому же, реакции; УТС практически не дают радиации и более эффективны, чем реакции ядерного распада. Однако внешняя простота и изящество идеи УТС натолкнулись на практике на. ряд непредвиденных проблем. Возникла необходимость глубоких и фундаментальных исследований плазменного состояния вещества.
Плазма - это четвертое, наиболее распространенное в природе состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, который содержит электроны, положительно заряженные ионы, нейтральные и возбужденные
5
атомы и молекулы [2,5]. Гигантскими сгустками плазмы являются Солнце и звезды. Внешняя поверхность земной атмосферы покрыта плазменной оболочкой - ионосферой. В земных природных условиях плазма наблюдается при темных, тлеющих и дуговых (молния) разрядах в газах [6]. В практической деятельности человека плазма используется в светотехнике (неоновых лампах, лампах дневного света, электродуговых устройствах), а так же при электросварке, плазменной резке, плазменной наплавке и в других технологических процессах [7-9].
Различают два рода плазмы: изотермическую, возникающую при нагреве газа до температуры достаточно высокой, чтобы протекала термическая ионизация газа, и газоразрядную, образующуюся при элекгрических разрядах в газах. Физические явления в процессе перехода вещества в состояние плазмы можно проследить на примере образования изотермической плазмы.
С повышением температуры подрастает кинетическая энергия и увеличиваются амплитуды колебаний атомов и молекул твердого вещества, расположенных в углах его кристаллических решеток, до разрушения последних и перехода вещества в жидкое, а затем в газообразное состоянием В результате получается - газообразная смесь из атомов и молекул элементов, входящих в состав вещества, которые быстро и беспорядочно движутся, испытывая случайные столкновения друг с другом.
С повышением температуры до 3000 — 5000 К заканчивается диссоциация молекул на атомы и начинается процесс перехода газа в состояние плазмы. При этой температуре кинетическая энергия атомов достигает значений, при которых в результате столкновений начинают разрушаться их внешние электронные оболочки, и нейтральные атомы, лишенные электронов^ на внешних оболочках, превращаются в положительно заряженные ионы [10]. Освободившиеся электроны, в свою очередь, также выбивают электроны с оболочек других атомов, и процесс протекает лавинообразно. В результате в электронные оболочки, и нейтральные атомы, лишенные электронов на
6
внешних оболочках, превращаются в положительно заряженные ионы. Освободившиеся электроны, в свою очередь, также выбивают электроны с оболочек других атомов, и процесс протекает лавинообразно. В результате в газе (кроме нейтральных атомов) появляются положительные ноны и ионизации водорода от температуры свободные отрицательно заряженные электроны, оторванные от атомов. С увеличением температуры доля ионов и электронов в этой смеси быстро возрастает. При температуре в несколько десятков тысяч градусов подавляющая часть атомов в любом газе ионизирована и нейтральные атомы практически отсутствуют.
Рисунок 1 - Зависимость степени ионизации водорода от температуры
Кривая на рисунке 1 показывает, как по мере повышения температуры растет доля ионизированных атомов в водороде. Из рисунка 1 следует, что при температуре более двадцати - тридцати тысяч градусов не остается примеси нейтральных атомов. Для водорода, атом которого состоит из ядра и одного электрона, при этой температуре достигается не только полная ионизация газа, но и заканчивается процесс ионизации атомов, так как все ядра потеряли свои электроны и плазма представляет собой смесь из положительно заряженных ядер атомов и не связанных с ними отрицательно заряженных электронов.
7
Высокая температура, сконцентрированная на малой площади, делает электрический дуговой разряд незаменимым источником тепловой энергии во всех современных способах электросварки, плазменной резки [11-14] и в других технологических процессах, требующих высокой концентрации тепловой энергии [14].
Разработки новых технологических устройств для резки и сварки металлов плазмой электрической дуги требуют знания электрических, тепловых и газодинамических характеристик. Необходимость определения и анализа характеристик электрической дуги связана с тем, что в этих технологических процессах основную роль при обработке играют термическое и динамическое воздействия электрической дуги на твердые материалы [15-17]. На характеристики электрической дуги оказывают влияние большое число параметров. Поэтому требуется детальное изучение процессов электрической дуги.
Несмотря на это, характеристики дугового разряда малой мощности при атмосферном давлении между твердыми электродами в паровоздушной среде и в струе электролита практически не изучены. Все это задерживает разработку электродуговых плазменных установок малой мощности и их внедрение в производство. Поэтому исследование характеристик дугового разряда малой мощности в паровоздушной среде и в струе электролита, разработка и создание плазменных установок с одновременной ионизацией разрядного промежутка являются актуальной задачей.
Целю данной работы являются - установление закономерностей физических процессов, протекающих в дуговом разряде малой мощности в воздухе, паровоздушной среде и в струе электролита при атмосферном давлении, создание математической модели для расчета дуги и разработка на этой основе плазменной установки с автоматическим поджигом элекгрической дуги для практического применения в плазменной технике и технологии.
8
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
1. Создать экспериментальную установку с автоматическим поджигом электрической дуги для исследования дугового разряда малой мощности в воздухе, паровоздушной среде и в струе электролита различного состава (технической воде, ЫаС1, Си804 в технической воде концентрации-электролита от 5% до насыщения) при атмосферном давлении в диапазоне диаметров электродов 6=2-15 мм, межэлектродных расстояний 1=2-50 мм, тока разряда 1=2-15 А и напряжении разряда и= 16-65 В.
2. Экспериментально исследовать ВАХ разряда, распределение температуры в плазменном столбе электрической дуги.
3. Разработать математическую модель для исследования плазменного столба электрической дуги в приближении локального терхмодинамического равновесия.
4. Создать плазменную установку для сварки металлов и сплавов и исследовать ее характеристики.
Научная новизна исследований:
1. Экспериментально установлена возможность горения дугового разряда малой мощности в паровоздушной струе электролита при атхмосферном давлении и малых токах (2 А) и напряжениях (16 В).
2. Получены, на базе экспериментальных исследований, характеристики дугового разряда малой мощности в паровоздушной среде и струе электролита различного состава (технической воде, ЫаС1, Си804 в концентрации от 5% до насыщения в технической воде) при атмосферном давлении и хмежэлектродном расстоянии до 50 мм.
3. Впервые установлен пробой дугового разряда в воздухе при атмосферном давлении на расстоянии 20 мм при напряжении 22 В и токе разряда 4 А.
Практическая ценность:
Результаты экспериментальных и теоретических исследований расширяют представление о физике электрических разрядов между металлическими электродами в паровоздушной среде и в струе электролита, а также способствуют дальнейшему систематическому изучению подобных систем с позиций применения плазмы этих разрядов для? обработки материалов. Результаты исследовании позволили разработать. и< создать плазменную установку, с дуговым разрядом малой:мощности, использование которой позволяет повысить производительность труда и качество сварки металлов.
На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментального исследования: зажигания * дугового . разряда, ВАХ в. воздушной, паровоздушной среде и в струе электролита различного состава в воздухе при атмосферном:давлении.
2. Математическая модель плазменного; столба дуги разряда малой; мощности.
3. Устройство для сварки металлов (в том числе и цветных) с. окиснош пленкой при пониженных напряжениях И: токах- и его* энергетические характеристики.
Степень достоверности научных результатов: Определяется
применением, физически обоснованных методик измерений, проведением исследований с использованием разных методов и сопоставлением их результатов, с известными опытными и теоретическими данными других авторов.. Все эксперименты проводились с применением современных измерительных приборов высшего.' класса точности на стабильно функционирующей установке с хорошей ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬЮ’ опытных данных, результаты экспериментов обработаны на ЭВМ с применением методов математической статистики, математические расчеты проводились с применением современных программ на ЭВМ.