Исследование тепловых и газогидродинамических закономерностей плазменно-дуговых процессов и разработка оборудования плазменной резки металлов

• Автор: Васильев, Кирилл Васильевич
• Шифр специальности: 05.03.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 59 с. : ил.; 20х15 см

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Термическая резка - одно из основных технических средств современного заготовительного производства сварных металлических конструкций, где механические способы резки заготовок трудно применимы. В ведущих отраслях она составляет до 30% трудоемкости их изготовления. Долго единственным эффективным видом термической резки была газопламенная кислородная /автогенная/ резка углеродистых сталей, неприменимая для других металлов. В 1940-50-х г.г. развитие авиации, энергетики, химической, оборонной и другой специальной техники расширили применение алюминия, других цветных металлов, нержавеющих, жаропрочных и других сталей и сплавов. Обострилась проблема их обработки и стал актуальным поиск универсальной резки.
Было предложено резать нержавеющие стали и цветные металлы вдувая в струю кислорода флюсы. Сгорая они вносили необходимую для резки теплоту и способствовали смыву расплава, но делали рез некачественным, а производительность резки низкой. Резка электрической дугой дала аналогичный эффект.
В 1955-57 г.г. фирма Линде (США)1, и практически в это же время соискатель во ВНИИАВТОГЕН [3], И.Д.Кулагин и А.В.Николаев в лаборатории Н.Н.Рыкалина в ИМЕТ АН СССР создали новые виды резки, использующие энергию дуги, возбуждаемой в горелке’7плазмотроне/ в струе плазмообразующего газа. Соискателем в организованном им во ВНИИАВТОГЕН исследовательском отделе газоэлектрической резки и сварки были выполнены поиск и исследования резки сжатой в сопле плазмотрона дугой, стабилизированной собственной плазмой на объекте. Созданный процесс резки показал свою реальность, высокое качество и скорость. Наша приоритетная работа, как актуальная и перспективная была внесена Комитетом по делам изобретений и открытий при СМ СССР в книгу государственной регистрации важнейших НИОКР с приоритетом 28 февраля 1958 г. [4].
Сообщения о новом виде термической резки [3,5,6] вызвали интерес металлообрабатывающих отраслей, а опыт резки показал ее высокую эффективность. Госкомитет по судостроению, и Коллегия Государственного научно-технического комитета /ГНТК/ рассмотрев работы ИМЕТ и ВНИИАВТОГЕН отметили их значимость и актуальность. ГНТК включил основные направления НИОКР по обработке плазмой в перечень важнейших проблем сварочной науки. ВНИИАВТОГЕНУ, а в институте - соискателю поручили организацию НИОКР и привлечение соисполнителей по резке: ИЭС им. Е.О.Патона, ВНИИЭСО, ЦНИИ ТС, НИКИМТ, ВНИИПТхиммаш, НПО Ремдеталь, ведущих ВУЗов - МВТУ, МАТИ, Кишиневский политехнический институт и др. АН СССР и Минхиммаш организовали совещание по

1 - R. M. Gage. Arc torch and process. Patent USA №2858411, priority 1957.

обработке плазмой, обсудившее работы, подтвердившее их актуальность, необходимость развития и внедрения. Совет Министров СССР рядом постановлений предусмотрел задания ВНИИАВТОГЕН /с 1964г. -
ВНИИАвтогенмаш/ и соисполнителям по созданию прогрессивного оборудования плазменно-дуговой резки. Госплан организовал Межведомственную комиссию по внедрению плазменных технологий, ГНТК постановлением №551 среди головных НИИ утвердил ВНИИАВТОГЕН головным по плазменно-дуговой резке, а Госкомстат организовал статучёт ее применения. ГНТК включил НИР по плазменной обработке в программы 0.72.01, 0.14.08 и др. ИЭС им. Е.О.Патона организовал научно-техническое сотрудничество в странах бывшего СЭВ. Проблемная комиссия "Черная металлургия" в разделе 2.4 КП НТП СССР на 1991-2010 г.г. отметила актуальность и необходимость дальнейшего развития плазменно-дуговой резки: расширение круга обрабатываемых материалов, плазмообразующих сред, создания надежных систем стабилизации дуги, аппаратуры и автоматизированного оборудования.
Плазменно-дуговая резка в 80-х г.г. достигла более 9% общего объема термической резки и дала существенный техно-экономический эффект. Но затем ее развитие стало сдерживаться финансовыми проблемами, ростом цен на энергию,•• спецоборудование, запчасти и др. Возникла необходимость научной поддержки этого направления, разработки мер устранения трудностей и создания новых решений по расширению применения этой эффективной технологии. Настоящая работа посвящена изучению и решению вопросов этой важной научно-хозяйственной проблемы с привлечением теории тепловых сварочных процессов и анализа сопровождающих резку газо-гидродинамических, химических и металлургических процессов.
Цель работы и основные задачи исследования: Цель - создание и развитие процесса термической резки, универсального по разрезаемым металлам на основе интенсифицированного, стабилизированного собственной плазмой дугового разряда и прогрессивных решений сварочной техники.
Для достижения поставленной цели соискатель решал следующие задачи:
1. Изучить особенности режущей дуги и процесса резки, разработать принципиальные аппаратурно-технологические решения, оценить их возможности и результаты.
2. Изучить тепловые и газо-гидродинамические процессы плазменнодуговой резки, определяющие формирование реза и ее техно-экономические результаты.
3. Разработать концепцию качества получаемых резов, установить его показатели и их связь с условиями выполнения резки.
4. Оценить целесообразность плазменно-дуговой резки углеродистых сталей, изучить особенности, отличающие её от автогенной газопламенной

защитным внутренним /аргон/ и внешним рабочим газом /воздух/. Нами была предложена аналогичная схема [20, 22] с размещением рабочей части катода в потоке аргона с выносом его в канал наконечника, в который подавали кислород, превращаемый в плазму. Серия установок типа ППД с такими плазмотронами получила применение до разработки медленноокисляющихся циркониевых катодов и технологии воздушно-плазменной резки /попытки защиты пористого катода вдувом аргона [27] прекратили/.
Опытами по аналогичной схеме Броунинг1 показал, что даже небольшие добавки кислорода к азоту увеличивают скорость резки. При концентрации 02 до 30% скорость резки заметно возрастала. Далее, вплоть до 100% 02 Броунинг повышения скорости резки не обнаружил. Позднее О'Брайен и др. изучая воздушно-плазменную резку с циркониевым катодом11 также показали, что скорость в плазме воздуха возрастает до 2 раз против
азотной плазмы, но при дальнейшем повышении концентрации 02 до 100% увеличивается лишь на 15-18%. Доступность воздуха определила развитие и распространение воздушноплазменной резки в т.ч. бывш. СССР по разработкам ИЭС им. Е.О.Патона, ЦНИИ ТС, ВНИИЭСО, ВНИИАвтогенмаш и др. Изучая
особенности резки сталей в кислородсодержащей плазме [28] мы нашли, что скорость их резки существенно выше ожидаемой. Повидимому энергию дуги при этом дополняет энергия реакции окисления стали. Однако, показанные Броунингом и О'Брайеном увеличение скорости резки при малых концентрациях кислорода, их рост с увеличением концентрации до 50% и незначительное увеличение скорости резки с повышением концентрации 02 до 100% противоречат теории и практике газопламенной кислородной резки стали /рис. 7а/.
Рис.7. Влияние коицкнтрации кислорода на скорость резки
I - J. A. Browning. The Dual-Flow Plasma Torch. Welding Journal, 1964, №4.
II - R. L. O’Brien, R. Wikham, W. Kosne. Adwances in Plasma Arc Cutting. Welding Journal, 1964, №12, p. 1015-1021.