Термомеханические процессы в материале электрода плазмотрона

• Автор: Дутова, Ольга Степановна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 102 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Обзор теоретических и экспериментальных работ по эрозии
электродов
1.1. Теория эрозии электродов в нестационарных пятнах
электрической дуги
1.2. Экспериментальные исследования эрозии электродов
1.3. Основы теории и расчеты температурных полей в электродах
1.4. Основы теории и расчетов термомеханического состояния
анодов и катодов
Глава 2. Исследование теплового поля в электроде плазмотрона
в условиях импульсного нагрева
2.1. Постановка задачи
2.2. Основные положения модели
2.3. Одномерная модель разогрева поверхности электрода
2.4. Значения, задаваемых параметров при расчете теплового состояния
2.5. Алгоритм реализации модели
2.6. Анализ результатов расчета
2.7. Заключение по главе 59 Глава 3. Трехмерная модель разогрева электрода дуговым
пятном
3.1. Постановка задачи
3.2. Алгоритм решения
3.3. Результаты вычислений и анализ полученных данных
3.4 Заключение по главе
Глава 4. Термонапряжения в электроде плазмотрона
4.1 Постановка задачи

4.2. Математическая модель
4.3. Метод решения
4.4. Результаты расчетов
4.5. Структура материала приповерхностного слоя трубчатого 82 электрода
Заключение
Список литературы
Обозначения

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В настоящее время дуговые плазмотроны широко используются в различных областях науки и техники, а также для решения новых электротехнологических задач. Круг плазменно-термических процессов, включающих их применение, все время увеличивается. Так, большой экономический эффект дает использование плазмотронов на теплоэлектростанциях для розжига пылеугольных котлов. Активно ведутся исследования по использованию плазмотронов в технологиях по переработке техногенных отходов. В силу этого типы используемых установок (аппаратов), их мощности, а также режимы эксплуатации отличаются большим многообразием. Все это делает актуальным совершенствование существующих и разработку новых конструкций плазмотронов. Среди отечественных исследователей, работающих в этом направлении, необходимо выделить ученых школы М.Ф. Жукова, Крыловича В.И., Урюкова Б.И., Ясько О.И., Шараховского Л.И., среди зарубежных Teste Ph., Leblanc T., Chabrerie J.P., Marotta A., Ecker G. и др.
Одной из важнейших технологических характеристик, определяющих эффективность плазмотронов, является ресурс непрерывной работы электродов. В процессе работы плазмотрона происходит циклическое перемещение опорного пятна дугового разряда по поверхности электрода, а в месте его нахождения происходит нагрев металла, сопровождающийся плавлением и испарением. Наряду с этим возникают существенные неоднородности теплового поля, приводящие к большим термонапряжениям в теле электрода. Скорость разрушения электродов зависит от многих факторов - используемого материала, условий охлаждения, давления в разрядной камере, но в немалой степени, и от режима движения пятна дуги. Поэтому теоретическое и экспериментальное исследование физикомеханических процессов в материале электрода плазмотрона, направленное на повышение длительности их работы, является актуальной задачей.

В работе [66] были проведены исследования механического воздействия свободногорящей и стабилизованной электрической дуги на анод. В результате исследования определено, что величина давления свободногорящей дуги: 1) пропорциональна квадрату тока, 2) уменьшается при применении полого электрода, 3) согласуется с полученными ранее данными [67]. Экспериментально определено, что основную величину механического воздействия на анод составляет газодинамическое давление -примерно 90 %. Электродинамическое давление - 3-7 %. Остальная величина - это реактивное давление паров, вырывающихся из анодного пятна. Давлением электростатическим и давлением электронов на поверхность анода можно пренебречь. Также определено, что абсолютная величина давления на полый электрод на 15-20 % меньше, чем на сплошной электрод.
В заключение проведенного обзора литературы подчеркнем, что за последние годы понимание и моделирование процессов, протекающих при воздействии электрической дуги на электроды, значительно продвинулось вперед. Однако проблема повышения ресурса всегда будет актуальной, требующей поиска новых подходов и разработок.
В данной работе представлены результаты изучения процессов, происходящих в электроде плазмотрона под воздействием пятна дуги, и нахождение методом численного моделирования оптимальных режимов его работы.