Введение к работе
з .
Актуальность темы. Применение процессов физико-химической обработки материалов концентрированными потоками энергии является основой развивающихся новых технологий и представляет интерес для металлургии и обработки материалов.
При этом необходима интенсификация производственных процессов и перевод их в аппараты с разреженной и контролируемой атмосферой с целью снижения потери материалов, улучшения условий труда, исключения загрязнения окружающей среды.
Использование вакуумного дугового разряда с полым катодом дает возможность наиболее полно реализовать преимущества плазменного нагрева. Ряд особенностей определяют приоритетное использование данного типа дугового разряда для проведения перспективных технологических процессов. К таким процессам в первую очередь следует отнести: рафинирование и сфероидизацию порошков металлов, изменение их дисперсности, получение пара чистого вещества и перевод его в ионизированное состояние с осуществлением химических реакций и последующей конденсацией или осаждением на изделие продуктов этих реакций.
Основным преимуществом вакуумного дугового разряда с полым катодом следует считать возможность получения высокого теплового КПД (до 85-90%) при изменении в широких пределах состава и расход! плазмообразующего газа, давления в рабочем объеме и скорости движения потока, при минимальном загрязнении рабочего объема материалом катода. Особо следует отметить, что использование полого катода позволяет вводить порошковые материалы в плазму через полость катода. Такой способ подачи порошка создает условия, при которых частицы попадают в центральную часть столба токонесущей плазмы и нагреваются, причем выброс частиц за пределы столба плазмы незначителен.
В течение последних двадцати лет в России в зя рубежом проведены широкомасштабные исследования по изучению синтеза химических веществ; восстановления и окисления, легирования и плакирования материалов, распыления и плазменного травления, а также других технологических процессов
4 с целью оптимизации параметров этих технологий. Фундаментом этих исследований являются результаты теоретического и экспериментального изучения теплофизических и газодинамических явлений в зоне взаимодействия фаз. Расчеты температурных полей, концентраций, скоростей компонентов процесса и интерпретация на их основе опытных данных физико-химического анализа являются методологической основой разработки новых процессов с использованием вакуумного дугового разряда для ибработки материалов в виде-порошкоо.
Существующие модели процессов тепло- и массообмена частиц в плазменном потоке главным образом ориентированы на процессы напыления, сферондизации н плакирования частиц, а также плазмохимнческого синтеза в потоке. В них рассматриваются процессы взаимодействия частицы с потоком плазмы в широхом спектре давлений и составов плазмообразующих и транспортных газов в приложении к распадающейся плазме дугового и высокочастотного разрядов.
Принципиальным отличием нагрева и обработки частиц в потоке плазмы вакуумного дугового разряда с полым катодом заключается в том, что процесс взаимодействия плазмы с дисперсными частицами происходит в столбе токонесущей плазмы разряда с диффузной привязкой дуги к катоду.
Появление принципиально нового технического решения рассматриваемой проблемы определило актуальность комплексного исследования электронагреиа порошковых материалов в вакуумных плазмотронах с полым катодом.
Основной целью работы является исследование электронагрева порошковых материалов в вакуумных плазмотронах с полым катодом, включая экспериментальные исследования токонесущего столба разряда, взаимодействие мелкодисперсного порошка с плазмой, его нагрев в спутном потоке плазмы и разработка опытно-промышленных устройств для реализации новых электротехнологических процессов обработки порошковых материалов.
В соответствии с поставленной целью а диссертационной работе решались следующие задачи:
1. Экспериментальные исследования потенциальных и энергетических
характеристик внешнего столба вакуумного дугового разряда и их зависимостей от
определяющих исходных параметров.
-
Общая характеристика свойств порошковых материалов, их классификация и постановка сопряженной задачи взаимодействия порошковых материалов с плазменным потоком.
-
Постановка физической и математической моделей электронно-ионного взаимодействия порошковых материалов со спутным потоком плазмы в столбе вакуумного дугового разряда с полым катодом.
4. Исследование электронагрева порошка для различных режимов: до
температуры появления термоэмиссии с поверхности порошка при наличии
интенсивного испарения материалов с поверхности частиц порошка и в период
появления интенсивной термоэмиссии электронов с поверхности порошка.
5. Анализ физических связей, интенсивности электронагрева и
электротехнологических процессов при электронагреве порошковых материалов в
плазменных потоках низкого давлення.
-
Разработка инженерных решений для реализации электротехнологических процессов обработки порошковых материалов в спутном потоке вакуумной плазмы.
-
Создание инженерной методики расчетов и моделирующего программного комплекса для исследования взаимодействия порошковых с плазмой и определения эксплуатационных характеристик промышленных устройств.
8. Опытно-экспериментальные исследования нагрева порошковых
материалов (на примере танталовых порошков).
Методы проведения исследования. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием аналитических и численных методов расчетов электронагрева, физических исследований с оценкой точности экспериментов в установленном порядке. Достоверность методов и результатов исследований
ь проверялась путем сравнения с результатами экспериментов на опытно-промышленной установке.
Научная повита и значимость работы состоит в том, чю комплекс-научных и прикладных задач исследован но новому направлению развития злектротехнологической техники - нагреву порошковых материалов и столбе дугового разряда вакуумного плазмотрона с полым катодом. При этом впервые установлены распределения потенциальных и энергетических характеристик в столбе разряда, обеспечивающих качественные и количественные взаимосвязи с дисперсной фазой технологического материала, введенного в поток плазмы. Показано, что за счет взаимодействия собственного магнитного поля тока раїряда и заряженной частицы, приобретающей в плазме плавающий потенциал, обеспечивается полная злектротехнологнческая обработка всех частиц материала с дифференциацией по интенсивности нагрева в зависимости от свойств материала, размера частиц, времени пребывания частиц в зоне нагрева и характеристикам * плазменного потока. Разработан моделирующий программный комплекс для численного исследования процессов электронно-ионного нагрева порошков в спутном потоке низкого давления.
Доказано, что при появлении термоэмиссии с поверхности отдельной тугоплавкой частицы процесс взаимодействия с плазмой качественно изменяется, что позволяет интенсифицировать электронагрев и использовать это явление для реализации новых электротехнологий. '
Совокупность научных результатов позволила решить вопросы, сдерживающие расширение использования новых технических решений для реализации плазменных процессов в промышленности.
Практическая ценность работы определяется тем, что создана и экспериментально апробирована методика определения времени пребывания частицы в столбе плазмы, необходимого для достижения требуемых параметров обрабатываемого материала, в зависимости от параметров разряда. Рассмотрены вопросы определения теплового потока на частицу в зависимости от параметров плазмы.
Результаты работы использованы при разработке конструкции и отработке
7 режимов промышленного вакуумного плазмотрона для реализации процессов переработки дисперсных материалов.
Вклад автора а проведенные исследования состоит в единоличном обосновании и постановке задачи экспериментальных исследований по определению скоростей перемещения частиц различных размеров и свойств в спутиом потоке плазмы, п самостоятельном выборе экспериментальных средств, физико-математических исследований процессов физико-химического взаимодействия в системе "плазма-частица", непосредственном участии в других экспериментах и обработке их результатов.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Комплекс экспериментальных и физико-математических исследований
взаимодействия в системе "плазма-частица".
2. Результаты исследования процесса движения дисперсной фазы в потоке
низкотемпературной разреженной плазмы.
-
Физическая модель и математическое описание процессов переноса энергии и испарения материалов при нагреве дисперсных частиц в потоке разреженной плазмы вакуумного плазмотрона с полым катодом.
-
Результаты опытно-промышленных экспериментов обработки порошка тантала и программный комплекс расчетной оценки сопряженных электро- и теплофизических процессов электронагрева для использования в инженерной практике при определении параметров плазменной переработки порошков.
Апробация работы. Основные положения н результаты докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Новосибирск, 1995), научно-технических семинарах кафедры "Автоматизированные электротехнологические установки" НГТУ (г. Новосибирск 1993, 1994, 1995, 1996).
Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в 4 статьях и двух отчетах по научно-исследовательским работам, зарегистрированным в
установленном порядке.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести, глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Содержание работы представлено на 139 страницах машинописного текста, графический материал на 24 рисунках, список литературы содержит 108 наименований работ.