ЗМІСТ

Y

ВСТУП 4

1 АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД 6

1.1 Плазмове різання 6

1.2 Плазмотрони для різання металів 9

1.2 Катоди 9

2 РОЗРАХУНОК ПЛАЗМОТРОНА 13

2.1 Розрахункова схема плазмотрона 13

2.2 Розрахунок робочих параметрів і геометричних розмірів плазмотрона 14

2.3 Розрахунок системи охолодження 17

2.3.1 Розрахунок охолодження катода 17

2.3.2 Розрахунок охолодження анода 1 23

2.3.3 Розрахунок охолодження анода 2 (електрод з уступом) 30

2.4 Розрахунок ресурсу роботи плазмотрона 36

2.4.1 Розрахунок ресурсу роботи анода 2 36

2.4.2 Розрахунок ресурсу роботи анода 1 37

2.4.3 Розрахунок ресурсу роботи катода 38

3 ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМОТРОНА 40

3.1 Електричні характеристики 40

3.2 Теплові характеристики 42

3.3 Опис конструкції розробленого плазмотрона 43

4 ОХОРОНА ПРАЦІ 44

4.1 Умови експлуатації пристрою 44

4.2. Заходи щодо техніки безпеки 44

4.2.1 Загальні вимоги безпеки 44

4.2.2 Вимоги безпеки перед початком роботи 46

4.2.3 Вимоги безпеки під час роботи 46

4.2.4 Вимоги безпеки після закінчення роботи 46

4.2.5 Вимоги безпеки в аварійних ситуаціях 47

4.3. Розрахунок захисного заземлення 47

4.4 Розрахунок кількості повітря, необхідної для забезпечення нормальних параметрів мікроклімату 49

ВИСНОВКИ 54

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 55

РЕФЕРАТ

Об'єкт дослідження – електрична дуга постійного струму з газовихровою стабілізацією та розщепленими опорними плямами. Предметом дослідження є електродуговий плазмотрон постійного струму промислового типу. Методами дослідження є теоретичні розрахунки електричної дуги в розрядному каналі плазмотрона та їх порівняння з відомими експериментальними даними. Проаналізовано відомі конструкції електродугових плазмотронів, розроблено конструкцію плазмотрона та його електродних вузлів. Для розробленого плазмотрона визначено електричні та теплові характеристики, ресурс роботи електродів. Рекомендовано використання плазмотрона в установках для переробки комплексних відходів.

Объект исследования – электрическая дуга постоянного тока с диффузной привязкой дуги. Предметом исследования является электродуговой плазмотрон постоянного тока для резки металлов. Методами исследования являются теоретические расчеты электрической дуги в разрядном канале плазмотрона и их сравнение с известными экспериментальными данными. Проанализированы известные конструкции электродуговых плазмотронов для резки, рассчитан плазмотрон с диффузной привязкой дуги, за счет чего повышен его ресурс работы. Для разработанного плазмотрона определены электрические и тепловые характеристики, ресурс работы электродов.

The object of study - electric arc direct current with gas-vortex stabilization and shaded reference spots. The subject of this study is an electric torch direct current industrial type. Methods of research are theoretical calculations of the electric arc discharge in the plasmatron channel and their comparison with available experimental data. The known designs of electric torches, torch of design and electrode sites. For the developed torch set electrical and ther mal performance, service life of the electrodes. It is recommended to use the plasma torch in installations for the processing of complex wastes

ВСТУП

Актуальність теми. Плазмово-технологічні процеси в останні роки набули великого значення. Широке використання знаходять високотемпературні джерела енергії, серед яких перспективними є електродугові плазмотрони. Вони використовуються у машинобудуванні, хімії, металургії, медицині, тощо. Підвищена цікавість до електродугових плазмотронів пояснюється можливістю роботи в широкому діапазоні зміни енергетичних параметрів, використанням для створення екологічно чистих виробництвах. Однак їх запровадження у виробництво стримується недостатнім ресурсом роботи та низькою ефективністю, тому актуальним питанням є створення високоресурсних та високоефективних плазмотронів.

Найбільш перспективними є електродугові плазмотрони постійного струму. Розподілення струму та витрати газу по довжині розрядного каналу дають нові можливості підвищення ресурсу роботи.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є дослідження характеристик електродугового плазмотрона постійного струму для різання металів.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються наступні задачі:

• розглянути та проаналізувати відомі конструкції плазмотронів для різання;

• розробити конструкцію плазмотрона промислового типу з дифузною прив’язкою дуги;

• виконати розрахунок основних параметрів плазмотрона;

• визначити електричні, теплові та ресурсні характеристики розробленого плазмотрона.

Об'єкт дослідження – електрична дуга постійного струму з дифузню прив’язкою дуги.

Предмет дослідження – електродуговий плазмотрон постійного струму для різання.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети й одержання результатів кваліфікаційної роботи використовувались теоретичні розрахунки електричної дуги в розрядному каналі плазмотрона та їх порівняння з відомими експериментальними даними.

Наукова новина одержаних результатів. Виявлені та досліджені газодинамічні особливості поведінки електричної дуги постійного струму з дифузною прив’язкою дуги, що дозволило розробити плазмотрон підвищеного ресурсу з високими енергетичними і ресурсними параметрами. На підставі теоретичних розрахунків електричної дуги в розрядному каналі одержані електричні, теплові та ресурсні характеристики розробленого плазмотрона.

Практичне значення отриманих результатів полягає у використанні результатів досліджень при розрахунках і проектуванні високоресурсних електродугових плазмотронів постійного струму для різання металів.

Особистий внесок автора. У представленій роботі внесок автора полягає в обґрунтуванні загальної конструкції роботи, формулювання мети і задач дослідження, проведенні теоретичних розрахунків та визначенні характеристик плазмотрона. Авторові належать основні ідеї, загальні висновки і результати роботи.

1 Аналітичний огляд

1.1 Плазмове різання

Процесс плазменной резки

Газоэлектрическая плазменная резка начала разви­ваться в СССР в 50-х годах. Был разработан процесс газо­электрической резки, в котором выделение тепла в пятне и в струйном столбе дуги внешне схоже с выделением теп­ла в нагревательном пламени от горения железа в кисло­роде. Однако высокая температура плазмы позволила разрезать все металлы и повысить скорость резания до нескольких метров в минуту.

В дальнейшем учеными было изучено пове­дение проникающей плазменной дуги в зоне резки.

К. В. Васильев, осциллографируя процесс резки па­кетного образца с изолированными слоями, установил, что активное пятно дуги перемещается по листам пакета, чаще ориентируясь посредине его толщины. Это было объяснено стремлением дуги занять траекторию наиболь­шей проводимости.

Однако Васильевым не были полностью раскрыты при­чины такого поведения дуги.

В работе Дайкера А. Ф. «Теория и практика металлургии» описываются опыты по изучению этого явления. Резали пакет плотно стянутых полос общей тол­щиной 50—60 мм; пакет являлся анодом, зазоры между полосами отсутствовали. Кривые распределения тока по слоям пакета отражали вероятность нахождения анодно­го пятна дуги в определенном месте разрезаемого изделия. Было показано, что имеющее место в процессе резки скач­кообразное перемещение анодного пятна объясняется шун­тированием дуги.

Действительно, интенсивный поток газа, смывающий фронт резки, стремится выдуть дугу вниз, т. е. сместить анодное пятно к нижней кромке. Так как поверхность ме­талла является эквипотенциальной, а падение напряже­ния в столбе дуги определяется его длиной, то в какой-то момент происходит электрический пробой в более высокой точке, после чего анодное пятно скачкообразно переме­щается в точку пробоя (возникает новый канал дуги).

Этот процесс повторяется с частотой в несколько тысяч герц, что подтверждается наличием высокочастотной сос­тавляющей (шума) на осциллограммах напряжения плазматрона при резке.

Описанные в [Краснов А.Н. «Низкотемпературная плазма в металлургии»] представления о поведении дуги и распределении энергии в зоне резки дают возможность объяснить ряд технологических особенностей процесса. Так, по данным К. В. Васильева и А. А. Исаченко, при плазменной резке могут быть получены резы с парал­лельными стенками, а также со сходящейся и расширяю­щейся книзу формами сечения, что отражает характер распределения интенсивностей введения энергии по глу­бине реза.

Важнейшие факторы, влияющие на геометрию реза — скорость резки и жесткость дуги. При достаточно больших скоростях область наиболее вероятного пробоя между каналом дуги и фронтом резки перемещается в верхнюю часть реза, имеющего V-образную форму. В предельном случае, когда скорость резки очень велика, металл в ниж­ней части не проплавляется.

При уменьшении скорости резки область наиболее ве­роятного пробоя перемещается в нижнюю часть, стенки реза становятся почти параллельными. В пределе (при очень малых скоростях) это приводит к выдуванию анод­ного пятна на нижние кромки, оплавлению их и расшире­нию реза книзу.

Аналогично объясняется и влияние жесткости дуги. «Жесткая дута» характеризуется большим током и большим расходом плазмообразующего газа; оба эти фактора способствуют углублению дуги в металл. Увели­чение силы тока приводит к увеличению скорости оплавле­ния металла в верхних слоях (растет температура плазмы), а увеличение расхода газа способствует более интенсивно­му выдуванию дуги в глубь металла. Область наиболее вероятного пробоя при этом смещается вниз, что и приво­дит к вырождению расширяющейся кверху формы реза.

Анализируя энергетический баланс процесса, К. В. Ва­сильев предложил определять скорость резки w плотностью металла ρ и толщиной δ при токе I в напряже­нии u дуги по уравнению

Имеется в виду, что при этом получается рез шириной b, из которого металл удаляется с получением приращения теплосодержания ΔS, а во время резки в процессе участ­вует доля η, энергия дуги, часть которой q_m отводится в массу металла.

В. В. Кудинов и И. Д. Кулагин показали возможность пользования более простым уравнением:

где η — полный тепловой к.п.д. процесса резки, опреде­ляемый как произведение эффективного к.п.д. на термический к.п.д. (η_t).

Таким образом, эффективность плазменной резки обус­ловлена в значительной мере процессом распространения теплоты плазменной струи вследствие теплопроводности в разрезаемом листе, характеристикой которого и является термический к.п.д. (η_t) процесса проплавления, т. е. отно­шение теплосодержания выплавляемого металла за еди­ницу времени к эффективной тепловой мощности плазмен­ной струи.

Величина η_t может быть определена расчетным путем по схеме линейного сосредоточенного источника в зависи­мости от безразмерного критерия ε_r по номограммам, при­веденным в монографии:

г де δ — толщина разрезаемого листа;

a — коэффициент температуропроводности;

S —толщина зоны плавления;

q — тепловой поток.

Максимальное значение η_t достигает 0,484 при резке металла очень мошной струей плазмы с весьма большой скоростью.

Электрическая мощность современной аппаратуры для резки не обеспечивает максимальных значений тепловой эффективности процесса резки. Так, термический к.п.д. составляет при резке листов толщиной 6— 100 мм из нержавеющей стали — 0,43—0,48; при резке листов толщиной 6—150 мм из алюминия 0,16—0,46; при резке листов толщиной 6—50 мм из меди 0,08—0,34. С увеличением толщины листов снижается η_t так как при сни­жении скорости резки (при постоянной мощности струи) резко повышаются потери энергии струи на нагрев участ­ков металла вне зоны реза, особенно при резке металлов с высокой теплопроводностью (медь, алюминий). В этих случаях для повышения экономичности резку следует вес­ти струями высокой мощности.