Исследование индукционных и дуговых плазмотронов

• Автор: Нгуен Куок, Ши
• Шифр специальности: 05.09.10
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 455 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. Основные типы и применения индукционных и дуговых

плазмотронов.

1.1. Высокочастотные индукционные плазмотроны.

1.2. Дуговые плазмотроны.

ГЛАВА 2. Основные математические модели плазмотронов и

плазменных процессов.

2.1. Модель термически равновесной плазмы.

2.2. Двухтемпературная модель неравновесной плазмы.

2.2.1. Двухтемпературная термически неравновесная модель.
2.2.2. Двухтемпературная модель с нарушением ионизационного равновесия.
2.3. Состав и свойства двухтемпературной аргоновой плазмы.
2.4. Выводы.
ГЛАВА 3. Методика совместного решения систем уравнений и
обеспечение устойчивости вычислительных процедур.
3.1. Численные методы и общие математические алгоритмы.
3.1.1. Решение обобщенного дифференциального уравнения эллиптического типа.
3.1.2. Алгоритмы решения уравнений баланса энергии.
3.1.3. Совместное решение уравнений движения и уравнения неразрывности плазмы.
3.1.4. Алгоритм решения уравнения ионизационного равновесия.
3.2.Устойчивость разностных схем и вычислительных процедур.
3.2.1. Устойчивость разностных схем.
3.2.2. Анализ устойчивости вычислительных процедур.
3.2.3. Жесткие и плохообусловленные задачи.
3.3. Организация структуры вычислительных процедур.
3.3.1. Итерация и рекурсия как основная внешняя обратная связь
в структуре вычислительных процедур.
3.3.2. Введение дополнительной внутренней обратной связи как средство обеспечения устойчивости вычислительных процедур.
3.3.3. Локальная и глобальная вычислительные процедуры.
3.3.4. Использование дополнительной информации в задачах моделирования плазменных процессов.

3.3.5. Область устойчивости вычислительных процедур при моделировании плазменных процессов.
3.4. Оптимизация вычислительных процедур по быстродействию.
3.4.1. Оптимизация закона регулирования вычислительных процедур.
3.4.2. Оптимизация программы регулирования вычислительных процедур.
3.5. Выводы.
Г ЛАВА 4. Моделирование и расчет параметров ВЧИ плазмотронов.
4.1.Электромагнитное поле и решение двухмерной
электромагнитной задачи ВЧИ плазмотронов.
4.1.1. Уравнение векторного потенциала и его решение.
4.1.2. Граничные условия уравнения векторного потенциала.
4.1.3. Основные формулы расчета электромагнитного поля и электрических параметров ВЧИ плазмотронов.
4.1.4. Анализ результатов исследования электромагнитного поля ВЧИ плазмотронов.
4.2.Моделирование ВЧИ плазмотронов на основе термически равновесной модели плазмы.
4.2.1. Двухмерная равновесная модель ВЧИ плазмотронов.
4.2.2. Формирование дискретных аналогов математической модели.
4.2.3. Анализ результатов моделирования.
4.3.Анализ нарушения термического и ионизационного равновесия плазмы движением газов.
4.4. Моделирование ВЧИ плазмотронов на основе неравновесной двухтемпературной модели плазмы.
4.4.1. Двухмерная двухтемпературная модель ВЧИ плазмотронов.
4.4.2. Формирование дискретных аналогов математической модели.
4.4.3. Сравнительный анализ результатов моделирования.
4.5. Выводы.
ГЛАВА 5. Моделирование и расчет параметров дуговых плазмотронов.
5.1. Особенности электрической дуги и состояние ее теории.
5.2. Моделирование электрических дуг в канале для резки и напыления.
5.2.1. Модель электрической дуги в канале.
5.2.2. Формирование дискретных аналогов математической модели.
5.2.3. Сравнительный анализ результатов моделирования.
5.3. Двухмерная электромагнитная задача для электрической дуги.
5.3.1. Решение с помощью электрического потенциала.
5.3.2. Решение с помощью функции электрического тока.
5.3.3. Анализ результатов исследования электромагнитного поля сварочной дуги.
5.4. Моделирование открытой дуги для сварки и плавки металлов.
5.4.1. Равновесная и неравновесная модели дуги.
5.4.2. Формирование дискретных аналогов математических моделей.
5.4.3. Сравнительный анализ результатов моделирования.
5.5.Расчет приэлекгродных процессов.
5.5.1. Модель прикатодных процессов.
5.5.2. Расчет прикатодной области.
5.5.3. Тепловая задача в теле катода.
5.5.4. Модель прианодных процессов.
5.6. Выводы.
ГЛАВА 6. Расчет плазменной технологии обработки порошковых
материалов в ВЧИ плазмотронах.
6.1. Описание установки и плазменной технологии обработки порошковых материалов.
6.2. Модели нагревания и движения частиц в потоке плазмы.
6.2.1. Безградиентное нагревание и движение частиц.
6.2.2. Градиентное нагревание частиц.
6.2.3. Испарение частиц в потоке плазмы. 3
6.3. Расчет движения и нагревания частиц в потоке плазмы.
6.3.1. Совместное решение уравнений движения и нагревания частиц.
6.3.2. Результаты расчета движения и нагревания частиц в заданном потоке плазмы.
6.4. Модель факела плазмы, загруженного потоком частиц.
6.5. Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы.
Приложение 1. Результаты моделирования ВЧИ плазмотронов.
Приложение 2. Результаты измерения и моделирования дуговых плазмотронов.
Табл. 1.5. Параметры дуговых плазмотронов для плавки металлов [1].
Ток, А Диаметр катода, мм Расход аргона, г/с
800 5-6
2000 10-12
4000 18-20
5000 24-25
10000 48-50
В качестве примера ниже приводятся основные параметры промышленных печей емкостью 5, 10 и 30 т, находящихся в эксплуатации на заводах России и Германии. Все печи оснащены плазмотронами постоянного тока. Плавильное пространство герметизировано так, что в нем во время плавки поддерживается избыточное давление.
Печь емкостью 5 т имеет один плазмотрон, введенный вертикально через свод. Мощность плазмотрона 3500 кВт. Расход энергии на расплавление около 700 кВт-ч/т. Расход аргона 12-15 м3/ч. Стойкость свода составляет свыше 70 плавок и подины — 150-160 плавок.
Печь емкостью Ют оснащена тремя плазмотронами, вводимыми через боковые стены печи. Плазмотроны установлены на специальных механизмах, допускающих осевое и угловое перемещения плазмотронов. Каждый плазмотрон питается от отдельного тиристорного источника питания с широким диапазоном регулирования. Рабочий ток плазмотронов 6 кА при напряжении 200-600В. Реальная мощность, вводимая в печь в процессе плавки, 7-8,5 МВт. Скорость расплавления 7-10 т/ч, расход энергии 650 кВт.ч/т, расход аргона 25-30 м3/ч.
Наиболее крупной плазменной печью является 30-тонная печь ОКБ-1556, разработанная в результате научно-технического сотрудничества СССР-ГДР. Четыре плазмотрона введены наклонно через боковые стенки печи и с помощью гидроприводов могут перемещаться вдоль оси и менять угол наклона. Питание плазмотронов постоянным током осуществляется от трех тиристорных преобразователей так, что одновременно работают три плазмотрона. В процессе работы любой из плазмотронов можно выключить, а другой включить для ускорения процесса расплавления.
Максимальный ток источника питания 10 кА при напряжении 150-660 В, вводимая мощность в период расплавления 12-15 МВт, удельный расход энергии на расплавление 625 кВт.ч/т, расход аргона 60 м3/ч. Можно ожидать, что с появлением более стойких огнеупоров технико-экономические показатели плазменных печей будут улучшаться более быстрыми темпами, чем у дуговых печей обычного типа.