ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Дуговые плазмотроны широко используются в различных областях науки и техники. Ресурс непрерывной работы электродов определяет эффективность плазмотрона и является одной из его важнейших технологических характеристик. Теоретическое и экспериментальное исследование физико-механических процессов в материале катода направлено на повышение длительности его работы и является актуальной задачей. Цель работы: создание физико-математических моделей и численное исследование тепловых и рекристаллизационных процессов, происходящих в полом катоде вакуумного плазмотрона под воздействием электрической дуги. Методы исследования. Для исследования температурного поля катода при воздействии электрической дуги проводится совместное численное решение дифференциального уравнения Фурье с внутренним источником тепла, уравнения Лапласа для электрического потенциала и уравнения закона Ома. При работе плазмотрона в катоде формируются и растут зародыши новых зёрен. Наиболее существенными для рекристаллизационных процессов являются три взаимосвязанных между собой явления – это нагрев материала, зарождение и рост новых зерен. На основе данных о температурном поле и параметрах активационных моделей процессов зарождения и роста зерен в вольфраме получено распределение размера кристаллического зерна по объему катода. Предложенные математические модели позволяют проводить численное моделирование различных режимов работы полого катода, оценивать изменение структуры материала в процессе его нагрева и могут быть использованы для исследования и повышения эксплуатационных характеристик полых катодов вакуумных плазмотронов.  Результаты и обсуждение. Полученные решения показали, что нагрев катода характеризуется большими скоростями и быстрым выходом на стационарный режим. Нужно отметить резкое изменение температуры по длине катода в окрестности активной зоны (поверхности нагрева). Характерным признаком распределения температуры являются значительные осевые и радиальные градиенты температуры, которые могут приводить к большим термическим напряжениям в катоде. Результаты расчёта показали, что размер зерна увеличивается с уменьшением перегрева над температурой начала рекристаллизации. Это связано с тем, что с ростом перегрева скорость образования новых зерен опережает скорость их роста, и зерно начинает уменьшаться в размере. Для исследованных значений плотности потока среднее по длине катода значение размера первично рекристаллизованного зерна находится в интервале 3,7…14 мкм. Время, необходимое для получения монокристаллической стенки полого катода в результате собирательной и/или вторичной рекристаллизации, составляет 1…32 ч. В результате полная рекристаллизация зерна в поперечном сечении вольфрамового катода может происходить за один цикл работы плазмотрона. Это означает, что электрофизические и тепловые характеристики катода существенно меняются в ходе его работы. Размер зерна также оказывает существенное влияние на сопротивление разрушающему воздействию термических напряжений.

1. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии: проблемы и перспективы / Г.Ю. Даутов, А.Н. Тимошевский, Б.А. Урюков и др.; отв. ред. В.М. Фомин, И.М. Засыпкин. – Новосибирск: Наука, 2004. – 464 с. – (Низкотемпературная плазма; т. 20).

2. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела / М.Ф. Жуков, Е.И. Карпенко, В.С. Перегудов, В.Е. Мессерле. – Новосибирск: Наука, 1995. – 304 c.

3. Peregudov V.S. Optimization of the process of plasma ignition of coal // High Temperature. – 2009. –Vol. 47, N 2. – P. 181–186. – doi: 10.1134/S0018151X09020059.

4. Pulverized coal plasma gasification / R. Kalinenko, A. Kuznetsov, A. Levitsky, V. Messerle, Yu. Mirokhin, L. Polak, Z. Sakipov, A. Ustimenko // Plasma Chemistry and Plasma Processing. – 1993. – Vol. 13, N 1. – P. 141–167. – doi: 10.1007/BF01447176.

5. Blackburn P.R. Ignition of pulverized coal with arc-heated air // Journal of Energy. – 1980. – Vol. 4, N 3. – P. 98–99. – doi: 10.2514/3.62464.

6. Pulverized coal torch combustion in a furnace with plasma-coal system / V.E. Messerle, A.B. Ustimenko, A.S. Askarova, A.O. Nagibin // Thermophysics and Aeromechanics. – 2010. – Vol. 17, N 3. – P. 435–444. – doi: 10.1134/S0869864310030145.

7. Demonstration plasma gasification/vitrification system for effective hazardous waste treatment / K. Moustakas, D. Fatta, S. Malamis, K. Haralambous, M. Loizidou // Journal of Hazardous Materials. – 2005. – Vol. 123, N 1–3. – P. 120–126. – doi: 10.1016/j.jhazmat.2005.03.038.

8. Thermal plasma technology for the treatment of wastes: a critical review / E. Gomez, D. Amutha Rani, C.R. Cheeseman, D. Deegan, M. Wise, A.R. Boccaccini // Journal of Hazardous Materials. – 2009. – Vol. 161, iss. 2–3. – P. 614–626. – doi: 10.1016/j.jhazmat.2008.04.017.

9. Плазмотермическая переработка твердых отходов / В.П. Лукашов, С.П. Ващенко, Г.И. Багрянцев, Х.С. Пак // Экология и промышленность России. – 2005. – № 11. – C. 4–9.

10. Плазмотроны. Исследования. Проблемы / М.Ф. Жуков, А.Н. Тимошевский, С.П. Ващенко, И.М. Засыпкин, В.П. Лукашов, В.С. Перегудов, Б.И. Михайлов, Т.С. Мельникова, Б.А. Поздняков. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1995. – 203 с.

11. Delcroix J.L., Trindade A.R. Hollow cathode arcs // Advances in Electronics and Electron Physics. – 1974. – Vol. 35. – P. 87–190. – doi: 10.1016/S0065-2539(08)60281-4.

12. Чередниченко В.С., Юдин Б.И. Вакуумные плазменные электропечи. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. – 586 с. – (Современные электротехнологии; т. 10).

13. Ferreira C.M., Delcroix J.L. Theory of the hollow cathode arcs // Journal of Applied Physics. – 1978. – Vol. 49, N 8. – P. 2380–2395. – doi: 10.1063/1.325126.

14. Чередниченко В.С., Аньшаков А.С., Кузьмин М.Г. Плазменные электротехнологические установки. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. – 508 с.

15. Чередниченко В.С. Сильноточные вакуумные дуги с полым катодом. Тепловое поле катода // Известия СО АН СССР. Серия технических наук. – 1987. – № 7, вып. 2. – С. 91– 96.

16. Чередниченко В.С., Галкин С.Г., Косинов В.А. Сильноточные дуги с полым катодом // Генерация потоков электродуговой плазмы. – Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1987. – С. 306–322.

17. Highly ionized hollow cathode discharge / L.M. Lidsky, S.D. Rothleder, D.J. Rose, S. Yoshikawa, C. Michelson, R.J. Mackin // Journal of Applied Physics. – 1962. – Vol. 33, N 8. – P. 2490–2497. – doi 10.1063/1.1729002.

18. Гужков В.В., Козлов Н.П., Хвесюк В.И. Экспериментальное исследование баланса токов и энергии в полом катоде // IV Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам: тезисы докладов. – М.: ВНТИЦ, 1978. – С. 261–262.

19. Чередниченко В.С., Косинов В.А. Дуговой разряд с полым катодом // Известия СО АН СССР. Серия технических наук. – 1980. – № 13, вып. 3. – C. 22–30.

20. Еременко Г.П., Юдин Б.И., Чередниченко М.В. О взаимодействии плазмы с внутренней поверхностью полого катода вакуумного плазмотрона // Автоматизированные электротехнологические установки: cборник научных трудов. – Новосибирск: НЭТИ, 1991. – С. 29–34.

21. Низкотемпературная плазма. Т. 11. Математическое моделирование катодных процессов / А.М. Зимин, И.П. Назаренко, И.Г. Паневин, В.И. Хвесюк. – Новосибирск: Наука, 1993. – 194 с.

22. Самарский А.А. Введение в численные методы. – М.: Наука, 1982. – 288 с.

23. Кондратьев Н.С., Трусов П.В. Механизмы образования зародышей рекристаллизации в металлах при термомеханической обработке // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2016. – № 4. – С. 151–174.

24. Савицкий Е.М., Поварова К.Б., Макаров П.В. Металловедение вольфрама. – М.: Металлургия, 1978. – 257 с.

25. Засимчук Е.Э., Исайчев В.И. Кинетика первичной, вторичной и собирательной рекристаллизации в вольфрамовой проволоке // Металлофизика. – Киев: Наукова думка, 1970. – Вып. 31. – С. 56–60.

26. Klopp W.D., Raffo P.L. Effects of purity and structure on recrystallization, grain growth, ductility, tensile, and creep properties of arc-melted tungsten. – Washington: National aeronautics and space administration, 1964. – 50 p. – (NASA technical note; NASA TN D-2503).

27. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. – М.: Наука, 1967. – 389 с.

28. Низкотемпературная плазма. Т. 12. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов / В.П. Сабуров, А.Н. Черепанов, М.Ф. Жуков, Г.В. Галевский, Г.Г. Крушенко, В.Т. Борисов. – Новосибирск: Наука, 1995. – 344 с.

29. Самсонов Г.В. Свойства элементов. – М.: Металлургия, 1976. – 312 с.

30. Self-diffusion in tungsten / J.N. Mundy, S.J. Rothman, N.Q. Lam, H.A. Hoff, L.J.  Nowicki // Physical Review B. – 1978. – Vol. 18, N 12. – P. 6566–6575. – doi 10.1103/PhysRevB.18.6566.