Наукові основи створення високоресурсних термоемісійних катодних вузлів обладнання для плазмової обробки мaтеріaлів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Широке використання плазмових технологій на сьогоднішній день розглядається як один з найбільш перспективних напрямків підвищення ефективності технологічних процесів у цілому ряді базових галузей промисловості - металургії, енергетиці, хімічній промисловості й у переробці відходів. Перевагами плазмових технологій є збільшення швидкості хімічних реакцій у десятки й сотні разів, можливість переробки будь-яких матеріалів, різке скорочення технологічних ланцюжків з можливістю створення компактних автоматизованих екологічно чистих виробництв. Такі потенційні можливості забезпечують дослідженням в галузі плазмових процесів та обладнання сталий інтерес з боку розвинених країн світу. Для вітчизняних підприємств упровадження плазмових технологій є особливо актуальним. Існуюча в Україні структура промислового виробництва характеризується високою питомою часткою ресурсо- і енергоємних технологій. Для збереження конкурентоспроможності промисловості України в умовах ринкової глобалізації необхідно різко підвищити ефективність виробництва в базових галузях на основі впровадження нових інноваційних технологій.

Можливість практичної реалізації плазмових технологій для вирішення зазначених проблем підтверджено в ході численних експериментальних робіт і при створенні дослідно-промислових плазмових установок. На сьогоднішній день створено теоретичну базу для розробки плазмових технологій, а в ході промислової експлуатації отримано докази їхньої економічної ефективності.

Незважаючи на такі очевидні переваги, плазмові технології не одержали масового поширення. Однією з основних причин цього є недостатній рівень потужності й ресурсу існуючих плазмових генераторів. Для найпоширеніших електродугових плазмових генераторів він визначається ресурсом електродів, головним чином катода. Тому дослідження, спрямовані на створення високоресурсних катодних вузлів електродугового плазмового обладнання, є актуальними й мають велике практичне значення.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка, експериментальне обґрунтування й реалізація концепції створення високоресурсних катодних вузлів на основі застосування стійких до отруєння емісійних матеріалів і комплексного урахування їхніх властивостей при проектуванні й призначенні режимів роботи обладнання для плазмової обробки матеріалів. Для реалізації поставленої мети було вирішено такі завдання:

1. Розробка й дослідження емісійних матеріалів з підвищеною стійкістю до отруєння для виготовлення термокатодів обладнання для плазмової обробки матеріалів. Визначення зони допустимих режимів роботи запропонованих матеріалів за температурою й складом атмосфери поблизу емітуючої поверхні.

2. Створення удосконалених математичних моделей газодинамічних процесів у катодних вузлах з використанням кількісних критеріїв оцінки складу атмосфери в прикатодному просторі й розробка на їхній основі методу автоматизованого проектування катодних вузлів плазмового обладнання для обробки матеріалів в інтегрованих CAD/CAE-системах.

3. Розробка математичних моделей для розрахунку теплового стану й оцінки ерозійних процесів порожнистих термокатодів на перехідних режимах роботи, необхідних для визначення режимів запуску плазмового обладнання.

4. Експериментальні дослідження дослідних зразків катодних вузлів, розробка на їхній основі практичних рекомендацій для проектування високоресурсних катодних вузлів і принципових технічних рішень для створення промислового плазмового обладнання для обробки матеріалів.

1. Аналіз науково-технічної й патентної інформації з теми роботи

Установлено, що основною тенденцією розвитку електродугового плазмового обладнання є прагнення до розосередження теплового потоку по поверхні електродів. З урахуванням виявленої тенденції конструкції з дифузною прив'язкою дуги до електродів визначено як найбільш перспективні.

У ході подальшого аналізу було виявлено основні причини, що обмежують ресурс термокатодних вузлів існуючого плазмового обладнання. По-перше, це ігнорування ефекту отруєння емісійних матеріалів. Для газової суміші з домішками повітря ступінь отруєння пов'язана з його парціальним тиском. Це приводить до наступного формулювання оцінки ефективності захисту термокатода: , де - об'ємний процентний вміст повітря; - робочий тиск суміші; - критичний парціальний тиск повітря, визначений за результатами випробувань матеріалу емітера на отруєння; - парціальний тиск повітря в суміші.

З урахуванням стрімко падаючого характеру залежності струму емісії від тиску повітря після початку отруєння величину запропоновано встановлювати такою, що дорівнює тиску, за якого значення перебуває в діапазоні 0,75...0,8. Показано, що при регламентованому існуючими стандартами складі аргону парціальний тиск активних газів, що містяться в ньому, перевищує критичні рівні для всіх відомих термоемісійних матеріалів. Для забезпечення високого ресурсу термокатодів необхідно проводити додаткове очищення захисного газу.

У переважній більшості існуючих конструкцій термокатод виконується у вигляді стрижня, запресованого в охолоджувану обойму. Використання таких катодів при струмах більше 1000 А пов'язане з великими труднощами. Збільшити струм, що знімається з катода, можна, розвиваючи його емітуючу поверхню і переходячи до порожнистих катодів.

На основі аналізу експериментальних даних показано, що матеріали, які традиційно використовуються для виготовлення термокатодів (вольфрам з домішками оксидів торію, ітрію й лантану), не можуть забезпечити стабільний рівень струму емісії через виробку активної присадки з поверхні. Тому для підвищення ресурсу катодних вузлів з термокатодами необхідно застосовувати нові емісійні матеріали. Сформульовано основні вимоги до таких матеріалів: стійкість до отруєння з урахуванням досяжного ступеня очищення захисного газу (на рівні 10-3 Па); густина струму емісії 5...20 А/см2; робоча температура 1480…1500 К з можливим перегрівом до 2000 К; стійкість до термоударів.

У другому розділі роботи з урахуванням сформульованих вимог проаналізовано характеристики відомих емісійних матеріалів. Для виготовлення емітерів термокатодів плазмового обладнання рекомендовано імпрегновані емісійні матеріали типу W- ВахМеуМеzOv (Me = Sc, Sr, Hf, Zr). Описано застосовану в роботі методику експериментальних досліджень термоемісійних властивостей матеріалів.

Першим з розглянутих був матеріал на основі Bа3Sc4O9+W. Його раціональний з погляду емісійних характеристик склад установлено попередніми дослідженнями (30об% Ва3Sc4O9 + 70об% W). Для цього складу наведено залежності густини струму емісії та ефективної роботи виходу від температури.

На базі аналізу проведених випробувань на отруєння одержано залежність критичного парціального тиску повітря від температури катода. Матеріал з 30об% Ва3Sc4O9 + 70об% W рекомендовано для виготовлення катодів плазмового обладнання при робочих температурах до 1700 К. При більш високих температурах відбувається розпад Ва3Sc4O9 з утворенням фаз із гіршими емісійними властивостями.

Істотно розширити діапазон робочих температур дозволяє застосування емітерів на основі W + BаHfО3 і W + Sr0,5Bа0,5HfО3. Ці склади цікаві насамперед через високу температуру плавлення. Так, гафнат барію плавиться за 2893 К, тобто за температури, близької до температури плавлення вольфраму.

За результатами емісійних випробувань матеріалів з різним вмістом гафнату барію для застосування як емітери термокатодів рекомендовано матеріал з 63мас.% BаHfО3 + 37мас.%W, що може працювати за температур до 2000 К, забезпечуючи густину струму емісії до 200 А/см2. На рис. 5 наведено температурну залежність роботи виходу, а на рис. 6 - густини струму емісії для даного матеріалу. Для порівняння на рисунках наведено аналогічні залежності для чистого гафнату барію.

Проведено дослідження отруєння матеріалів системи W - BaHfО3. Катоди на основі BаHfО3 +W з меншим вмістом вольфраму (20, 29, 37мас. %) отруюються у всіх досліджених діапазонах температур і тисків. Найбільш стійким до отруєння є катод з 37мас. % W: I/ I0 = 0,79 при Pкр= 1,210-2 Па для Т = 1800 К.

Для катодів іншого складу (44, 70, 87мас.% W) разом з отруєнням спостерігалося зростання термоелектронного струму для деяких інтервалів температури й тиску повітря. Для катода з 87мас.% W при Р = 1,310-3 Па й Т = 1480 К емісійний струм зростає в 3,11 раза. Проте навіть при такому характері зміни емісійного струму його максимальні значення залишаються меншими, ніж у катода з 37мас.% W.

Прогрів катодів при Т = =1620…1700 К протягом 0,5 години сприяє відновленню емісійних властивостей катодів після отруєння. Після тривалого контакту катодів з атмосферним повітрям для повного відновлення емісії необхідна 2-годинна витримка при Т = 1620…1700 К.

Повна реактивація відбувається також після прогріву протягом 0,5 години при 1900 К. За результатами випробувань на отруєння для рекомендованого складу (63мас. % BаHfО3 + 37мас.% W) одержано залежність критичного парціального тиску повітря від температури.

Вперше досліджено матеріал на основі W+Sr0,5Bа0,5HfО3. З урахуванням відсутності інформації про його емісійні властивості було проведено дослідження з визначення режимів активування. Установлено, що температура активування має становити 1580...1600 К. Після 20 годин витримки при температурі 1580 К струм, що відбирається зі зразків, збільшився в 75 разів.

При робочій температурі зразків до 1400 К емісійні характеристики були на низькому рівні (густина струму емісії при 1600 К 1 А/см2). Найкращі емісійні властивості показав склад 76 мас. % Sr0,5Bа0,5HfО3+24мас. %W. При підвищенні температури до 2000 К емісійний струм для цього матеріалу досягнув значень більше 400 А/см2. При цьому відбулося зниження роботи виходу до величини 2,4 еВ. Температурні залежності роботи виходу й струму емісії для катодів системи Sr0,5Bа0,5HfО3+W було одержано вперше в рамках дисертаційної роботи.

Для виготовлення термокатодів плазмового обладнання рекомендовано склад 63мас.% BаHfО3 +37мас.% W, що найбільшою мірою задовольняє сформульованим у роботі вимогам для цих задач (Ркр 1,2 10-2 Па при 1800 К). Матеріал 76%массSr0,5Bа0,5HfО3 + 24%массW має трохи меншу стійкість до отруєння за температур вище 1800 К (Ркр 10-3 Па), однак цей недолік компенсується високою густиною струму емісії.

Емісійні властивості катодів на основі BаZrО3+W виявилися істотно нижчими. Максимальна величина термоемісії була зафіксована для зразка 60мас.% BаZrО3 + 40 мас.% W (5 А/см2). Однак для цього матеріалу після тривалого контакту з атмосферним повітрям на відміну від раніше вивчених складів емісійні властивості не знизилися, а навпаки відбулося деяке збільшення густини струму емісії. Величина роботи виходу за температур, близьких до 1800 К для даного матеріалу (2,8...3 еВ), нижче, ніж у тих, що використовуються на сьогоднішній день для цих цілей. Визначено режим активації катодів - 20-годинна витримка за 1550...1580 К.

З урахуванням даних електронно-мікроскопічних досліджень подана така структура катодів на основі BаHfО3 + W. Безпосередньо на поверхні катода перебуває в основному нанопористий шар гафнію. Під верхнім шаром гафнію розміщується проміжний шар із суміші з'єднань барію та гафнію. Висока емісійна активність катодів обумовлена адсорбцією на гафнії барію, який дифундує із проміжного шару через розвинену систему пор (рис. 16).

Катоди системи Sr0,5Bа0,5HfО3 + W мають схожу структуру. Поверхня катодів після роботи збіднена барієм і стронцієм. На катодах Sr0,5Bа0,5HfО3 + W, що працювали за температур, близьких до 2000 К, після роботи було зафіксовано утворення макропор розміром до 0,05 мм. Їхнє утворення пов'язане з локальним перегрівом поверхні й викидом матеріалу емітера в газовій фазі.

На відміну від катодів з вмістом гафнію в катодах, імпрегнованих цирконатом барію, шар металевого цирконію на поверхні практично відсутній, а в місцях поверхні з великим його вмістом присутній кисень у кількості 12…16%. На поверхні фіксуються області з високим вмістом барію. Оскільки емісійна здатність барієвих катодів забезпечується підживленням емітуючої поверхні барієм і киснем, наявність барію у зв'язаному стані свідчить про те, що для BаZrО3 +W цей процес відбувається менш ефективно.

Більшість з досліджених у роботі емісійних матеріалів є напівпровідниками донорного типу. Для опису механізму їх термоемісії у роботі запропоновано методику, основану на спільному застосуванні спрощених теоретичних залежностей і експериментальних даних про залежність густини струму емісії від температури.

Аналогічно ефективній роботі виходу електрона еф для напівпровідника з декількома донорними рівнями запропоновано модель еквівалентного однодонорного напівпровідника з параметрами Ndе, Edе й е. На основі рівняння балансу електронів у зоні провідності для хімічного потенціалу одержано вираз , де nd - повна концентрація можливих станів електронів на донорному рівні; ndc - концентрація електронів, що перейшли з донорного рівня в с-зону; zc - концентрація дозволених енергетичних станів у зоні провідності.

3. Питання газодинамічного проектування катодних вузлів, метою якого є забезпечення вимог за складом атмосфери поблизу поверхні емітера за рахунок вибору геометрії проточної частини катодного вузла, способу й режимів подачі захисного газу

Для моделювання течії газів у порожнині катодних вузлів використано нестаціонарні рівняння Навьє - Стокса й рівняння стану для двокомпонентної суміші (аргон - повітря). При обчисленні густини, тиску, ентальпії й газової сталої суміші використано стандартні правила змішання. На відміну від відомих підходів до складу математичної моделі запропоновано вводити рівняння концентрації й критерій забезпечення докритичного парціального тиску активних газів (повітря) у вигляді обмеження , що дозволяє замкнути задачу оптимального газодинамічного проектування катодних вузлів з термокатодами. При розрахунку турбулентних течій система рівнянь має бути доповнена однією з моделей турбулентності.

Щодо задач вивчення течій у каналах катодних вузлів з порожнистими термокатодами проведено аналіз найбільш популярних двопараметричних моделей k-е і k-щ та їх модифікацій. Проведено порівняння результатів числового моделювання при застосуванні цих моделей з даними експерименту для тестової задачі. Для використання при проектуванні катодних вузлів рекомендовано SST-модель турбулентності, застосування якої дозволило одержати найбільш точні результати.

Висновки

емісійний термокатод плазмовий

1. Для застосування в конструкції катодних вузлів плазмового обладнання обґрунтовано вибір імпрегнованих катодів систем W + ВахМеуМеzOv (Me = Sc, Sr, Hf, Zr), що раніше не використовувалися для цих цілей. Дані матеріали відповідають специфічним умовам роботи катодів плазмового обладнання з викидом плазми в атмосферу: забезпечують густину струму емісії в межах від 5 (ZrBaO3 + W) до 400 А/см2 (Sr0,5Bа0,5HfО3 + W), зберігають працездатність при досяжному ступені очищення захисного газу, можуть працювати за температур більше 1500 К. Матеріали відновлюють емісійні властивості після контакту з атмосферним повітрям, витримують перегрів до температур 2000 К (BаHfO3 + W) .

2. Визначено раціональний з погляду емісійних характеристик склад досліджених матеріалів - 30об% Ва3Sc4O9 + 70об% W; 63мас.% BаHfO3 + 37мас.% W; 76мас.%Sr0,5Bа0,5HfO3 + 24мас.%W; 60 мас.% ZrBaO3 +40 мас.% W. Уперше для виготовлення термокатодів запропоновано матеріали систем Sr0,5Bа0,5HfO3 + W і BаZrO3 + W, які більш ніж у 2 рази переважають відомі емісійні матеріали за максимальною густиною струму емісії (Sr0,5Bа0,5HfO3 + W) і стійкістю до отруєння повітрям (BаZrO3 + W). Визначено величини критичного парціального тиску повітря для запропонованих матеріалів у діапазоні температур від 1300 до 2000 К і зони допустимих робочих температур: для катодів системи Ва3Sc4O9 + W - до 1700 К; BаHfO3 + W - до 1900…2000 К; Sr0,5Bа0,5HfO3 + W - до 1800…1900 К; BаZrO3 + W - до 1700…1800 К.

3. Одержала подальший розвиток теоретична модель оцінки основних характеристик напівпровідникових емісійних матеріалів донорного типу на основі зонної теорії, яка дозволяє адекватно описати залежність ефективної роботи виходу та густини струму емісії при розрахунках теплового стану термокатодів. Модель дозволяє визначати параметри енергетичної структури для досліджених матеріалів за результатами обробки експериментальних даних за густиною струму емісії. Для оцінки значення ефективної маси електрона запропоновано використовувати дані обробки температурної залежності густини струму емісії для ВаО в діапазоні температур 1200…1450 К.

4. Запропоновано метод проектування катодних вузлів в інтегрованих CAD/CAE-системах із застосуванням математичного моделювання багатокомпонентних течій, що містить кількісну оцінку складу атмосфери в прикатодному просторі на основі критерію забезпечення докритичних значень парціального тиску активних газів (парціального тиску повітря). Метод реалізується в системах із двобічним асоціативним зв'язком між геометричним модулем і генератором сітки, що дозволяє автоматизувати процес вирішення задачі проектування. Як критичний парціальний тиск повітря запропоновано використовувати величину, за якої густина струму емісії матеріалу знижується до 75…80% від струму емісії у високому вакуумі.

5. З використанням запропонованого методу визначено зони допустимих режимів для аксіального й комбінованого способів подачі захисного газу в катодних вузлах з порожнистим катодом. Установлено, що підвищення частоти обертання потоку захисного газу сприяє більш ранньому утворенню циркуляційних потоків і є потенційно небезпечним з погляду захисту термокатода. Розроблено методику інженерного розрахунку катодного вузла з порожнистим катодом при аксіальній і вихровій подачах захисного газу з урахуванням уведеного критерію.

6. Показано, що для катодних вузлів плазмотронів з вихровою подачею робочого газу основним фактором, що впливає на ефективність захисту термокатода, є утворення циркуляційних зворотних течій у зоні виходу каналу катодного вузла у вихрову камеру, захист термокатода в цьому випадку можливий при застосуванні секціонованих катодних вузлів з діаметром каналу секцій, що східчасто збільшується у бік вихрової камери.

7. Для визначення режимів запуску електродугового плазмового обладнання запропоновано математичні моделі розрахунку теплового стану й оцінки ерозійних процесів у порожнистих термокатодах на перехідних режимах роботи. Обґрунтовано застосування моделей з урахуванням скінченної швидкості поширення тепла. Запропоновано модель процесу розігріву порожнистого термокатода локальними тепловими джерелами з нелінійними алгебричними обмеженнями, що враховують некласичні умови контакту емітера й корпусу. Усе це дозволяє визначити час розігріву порожнистого катода до температур, на яких реалізується режим з дифузною прив'язкою. Для теплозахисту корпусів катодних вузлів обґрунтовано спільне застосування зовнішнього проточного охолодження з багатоканальними трактами й теплозахисних покриттів.

8. Відпрацьовано технологічні процеси виготовлення порожнистих катодів, імпрегнованих запропонованими в роботі високотемпературними барієвими системами ВахМеуМеzOv (Me = Sc, Sr, Hf, Zr). Уперше розроблено, виготовлено й випробувано катодні вузли з порожнистими імпрегнованими термокатодами на робочі струми до 2000 А. При проведенні ресурсних випробувань масштабних моделей емітерів на макетах підтверджено їхній ресурс на рівні не менш 3000 годин.

9. Запропоновано нові технічні рішення зі створення промислового плазмового обладнання з використанням розроблених катодних вузлів. Запропоновано й запатентовано осцилятор, що забезпечує надійне запалювання дуги при зниженні напруги джерела живлення з 3 кВ до 700 В, що дозволяє підвищити надійність і безпеку роботи плазмового обладнання, а також спосіб роботи електродугового плазмотрона з термокатодом на основі введеного критерію. Розроблено і випробувано катодний вузол з порожнистим термокатодом системи плазмового нагрівання металу. Рекомендовано застосування плазмових нагрівачів для стабілізації температури металу в проміжних ковшах при безперервному литті разом з магнітогідродинамічним перемішуванням розплаву. Як перспективний шлях подальшого підвищення ресурсу запропоновано використовувати комбіновані катодні вузли з розігрівом від незалежного безелектродного джерела плазми.

Література

1. Плaнковский С.И. Современное состояние и перспективы создaния мощных высокоресурсных плазменных генераторов / С.И. Плaнковский, В.С. Кривцов // Технологические системы: УкрНИИAТ, Киев. - 2004. - №1. - С. 11 - 15.

2. Кривцов В.С. Нестационарная математическая модель для описания многомерных теплогидравлических эффектов в камере плазмотрона при предстартовой продувке / В.С. Кривцов, С.И. Планковский, Е.В. Цегельник // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 24. - Х., 2004. - С. 126 - 130.

3. Состав газа в плазмотроне с ламинарным потоком плазмообразующего инертного газа / В.С. Кривцов, С.И. Планковский, Е.В. Цегельник, Е.К. Островский и др.// Авиационно-космическая техника и технология. - 2005. - №4 (20). - С. 19 - 24.

4. Кривцов В.С. Проблемы создaния высокоресурсных сильноточных электродуговых плaзмотронов / В.С. Кривцов, С.И. Плaнковский // Aвиaционно-космическaя техникa и технология. - 2005. - №7 (23). - С. 7 - 21.

5. Гaзодинaмічні хaрaктеристики потоку інертного гaзу в кaнaлі плaзмотронa / В.С. Кривцов, С.І. Плaнковський, Є.В. Цегельник, Є.К. Островський та ін. // Нaукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2006. - №2. - С. 87 - 99.

6. Максименко В.А. Оптимальные размеры датчиков тепловых потоков при измерениях в высокотемпературных плазменных и газовых струях различной интенсивности / В.А. Максименко, Е.В. Цегельник, С.И. Планковский // Вестник двигателестроения. - 2006. - № 3. - С. 155 - 158.

Размещено на Allbest.ru