Анотація до роботи:

Підгорна Н. О. Підвищення ефективності плазмових технологій за рахунок поліпшення енергетичних характеристик плазмотронів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.10 – «Електротермічні процеси і установки». – Національний технічний університет України „КПІ”. – Київ, 2005.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності плазмових технологій в процесах різання, напилення та нагріву газу за рахунок поліпшення енергетичних характеристик плазмотронів з порожніми циліндричними катодами. Огляд відомих результатів досліджень показав, що стримуючим фактором в підвищенні ефективності плазмових технологій є низькі енергетичні характеристики промислових плазмотронів, такі, як ресурс роботи, тепловий ККД, ефективний ККД нагріву речовини та високі енерговитрати.

Пошук шляхів розв’язування даних проблем дозволив виявити конструктивні рішення і умови, які сприяють підвищенню ресурсу роботи та ефективності плазмотронів з порожніми циліндричними «гарячими» і «холодними» катодами, що працюють на кисневмісних газах, за рахунок примусового розподілу катодної прив'язки дуги. Це дозволило створити новий клас плазмотронів з порожніми циліндричними катодами потужністю від 60 до 500 кВт для різання, напилення і нагріву газу багатофункціонального призначення. Значна частина експериментальних даних розроблених плазмотронів подана у вигляді інтегральних характеристик, що дають змогу оцінити електричні, теплові та ерозійні можливості спроектованих плазмотронів. Враховуючи важливість впливу температури робочої поверхні порожніх електродів на питому ерозію, в роботі приведено наближене рішення рівняння нестаціонарної теплопровідності порожніх «холодних» і «гарячих» катодів. Отримана аналітична залежність встановлена в основу розрахунку геометрії розрядного каналу порожніх електродів. З урахуванням власних експериментальних даних і результатів досліджень інших авторів із застосуванням методів теорії подібності і розмірності, розроблена інженерна методика розрахунку високоресурсних і ефективних плазмотронів з порожніми циліндричними катодами, які працюють в режимі «холодного» і «гарячого» катода. Основні вузли розроблених плазмотронів спроектовані із застосуванням системи тримірного твердотільного проектування «Компас-3Д». Надані в роботі плазмотрони знайшли застосування для різання металу товщиною понад 60 мм, отримання пігментного оксиду титану для виробництва білил і для відновлення деталей машин. Крім того, була встановлена економічна доцільність застосування створених плазмотронів для окислювального піролізу природного газу при опалюванні нагрівальних печей і котлів ТЕС, а також безокисного нагріву сплаву титану і зміцнення продувочних кисневих фурм для сталеплавильного виробництва.

1. Літературний огляд досліджень по використанню плазмотронів у процесах різання, напилювання й нагрівання газу показав, що з метою підвищення ефективності плазмових технологій виникає необхідність у проведенні серйозних теоретичних й експериментальних досліджень по поліпшенню енергетичних характеристик плазмотронів. Найбільш перспективними для рішення цієї проблеми є плазмотрони з порожніми циліндричними «холодними» й «гарячими» катодами, що працюють на повітрі. Тому пошук нових умов роботи, що ведуть до підвищення ресурсу порожніх катодів й ККД плазмотронів, вимагає додаткових досліджень і нових конструктивних рішень.

2. Уперше вирішено комплекс актуальних задач, пов'язаних з підвищенням ефективності процесів різання металу, напилювання й нагрівання газу за рахунок поліпшення енергетичних характеристик плазмотронів з порожніми катодами, що працюють за принципом примусового розщеплення катодної прив'язки дуги.

3. Розроблено інженерну методику розрахунку високоресурсних й ефективних плазмотронів з порожніми циліндричними «холодними» й «гарячими» катодами, що працюють на кисневміщуючих газах.

4. Отримано наближене рішення рівняння нестаціонарної теплопровідності порожніх циліндричних «холодних» й «гарячих» катодів. Аналітичні залежності дозволяють розраховувати температуру робочої поверхні катода й час її нагрівання до температури плавлення, які покладені в основу розрахунку геометрії розрядного каналу порожнього «холодного» катода при його проектуванні.

5. Уперше знайдено спосіб підвищення ресурсу роботи й ефективності порожнього «гарячого» катода в плазмотронах для різання й нагрівання газу за рахунок примусового розподілу катодної прив'язки дуги по термоемісійних катодних вставках, захисту їх аргоном низького тиску й утворення дифузійної прив'язки. При струмі дуги ~500 А, витратах робочого газу (повітря) від 30-45 г/с, захисного газу (аргону) 0,025 г/с питома ерозія вольфрамових вставок склала 10^-13 кг/Кл, що на порядок нижче відомих даних, при зменшенні витрати захисного газу на два порядки.

6. Уперше знайдено спосіб підвищення ресурсу роботи й ефективності плазмотронів для різання й напилювання з порожніми «холодними» циліндричними катодами за рахунок примусового розподілу катодної прив'язки дуги по довжині розрядного каналу катода. При струмі дуги від 200 до 800 А питома ерозія мідного порожнього катода склала (10^-9-10^-10) кг/Кл, що на порядок нижче відомих даних.

7. Створено новий клас електродугових плазмотронів постійного струму з порожніми «холодними» й «гарячими» катодами, що працюють на принципі примусового розщеплення катодної прив'язки дуги потужністю від 60 до 500 кВт для різання, напилювання й нагрівання газу багатофункціонального призначення з поліпшеними енергетичними характеристиками. Ерозійні випробування плазмотрона для повітряно-плазмового різання при силі струму від 200 до 800 А довели, що питома ерозія мідного порожнього катода склала (10^-9-10^-10) кг/Кл. Ресурс плазмотрона для напилювання при силі струму 200 А и витраті робочого газу (повітря) 0,85 г/с склав 110 год., що у два рази вище працездатності серійних плазмотронів. Ресурсні випробування плазмотрона для нагрівання газу (повітря) з «гарячим» катодом при струмі від 400 до 500 А дозволили досягти ресурсу катода 1000 год., при цьому витрата захисного газу (аргону) склав 0,025 г/с, що більш ніж на два порядки менше в порівнянні з відомими вітчизняними й закордонними розробками.

8. Розроблено методику розрахунку технологічних параметрів плазмотрона для різання металу великих товщин з «холодним» порожнім циліндричним катодом, що дозволила встановити вплив швидкісного напору потоку плазми й сили тиску потоку на ефективність процесу плазмового різання.

9. Уперше проектування плазмотронів з порожніми катодами виконано із застосуванням системи тривимірного твердотільного параметричного проектування «Компас-3Д».

10. Установлено економічну доцільність застосування розроблених плазмотронів для окисного піролізу природного газу при опаленні нагрівальних печей і котлів ТЕС, безокисного нагрівання сплаву титану й плазмового зміцнення продувних кисневих фурм для сталеплавильного виробництва.

11. Розроблені плазмотрони знайшли застосування для відновлення деталей машин (АТ «Автотехніка», Краснодарський край, Росія), різання металу товщиною понад 60 мм (ВАТ Холдингова компанія «Луганськтепловоз»), одержання пігментного оксиду титану для виробництва білив (АТ «Хімпром», м. Волгоград, Росія).