CC BY
10
НАУКОВО-ТЕХН1ЧНА 1НФОРМАЦ1Я
Ю-ДАТЧИК ДЛЯ ВИМ1РЮВАННЯ ПИТОМОГО ТЕПЛОВОГО ПОТОКУ ТА ГУСТИНИ СТРУМУ В ПЛЯМ1 ЕЛЕКТРИЧНО1 ДУГИ
Вступ
Шдвищення ефекгивностi використання плазмово-дугових технолопчних апарапв у промисловостi ставить зав-дання про посгiйне дослщження взаемодп плазми електрично! дуги з поверхнею твердо! фази [1].
Особливо важливими, з точки зору щдвищення ресурсу роботи елекгродiв i ефекгивносгi взаемоди з матерiалом, е процеси в приелекгродних дiлянках електрично! дуги, для яких харакгернi велика густина теплового потоку та елекгрич-ного струму. Таю iнтеrральнi параметри дугових плям, як i сумарний тепловий полк та загальний струм, е недостатньо корекгними для вивчення механiзмiв теплопередачi й ерозп елекгродiв. Припущення про рiвномiрне розподiлення за Гаусом питомого теплового потоку та густини струму в дугових плямах спрошуе фiзичну картину явища.
Разом з тим, вщмштстъ експериментальних результатiв з визначення питомого теплового потоку та густини струму в плямах електрично! дуги, огляд яких приведено в рядi робгг [2, 3], пояснюеться складнiстю дослщжуваного явища та вiдсутнiстю надiйно обгрунтованих методик вимiрювання. Суттева необхiднiсть у таких дослвдженнях обу-мовлена розробкою та освоениям ряду датчиков, яш визначають питомий тепловий потiк при рiзних плазмово-дуго-вих процесах (плазмового рiзания, зварювання, плазмово-дугового переплаву [1], обробки металiв рiзаниям з попе-редшм плазмовим пiдiгрiвом [4], формоутворенням деталей з плазмовим наrрiваниям [5]).
Мета роботи. Створення та випробування датчика, придатного для багаторазового вимiрювания розподiлу питомого теплового потоку в плямi потужних елекгричних дуг.
Матерiали та методика досл1джень
^-датчик складаеться з двох жорстко з' еднаних мiж собою цилiндричних водоохолоджуваних секцш, роздiлених тепло- та елекгроiзоляцiйною прокладкою зi слюди товщиною близько 0,1 мм. Конструкщя датчика, схема елекгричних та калориметричних вимiрювань представлена на рис. 1. Поверхня ¡р-датчика, яка сприймае тепло, виконана з металу. Напруга в секцп пiдводиться через шiтки. Щд час вимiрювань ¡р-датчик приводиться в обертальний рух, а дугова пляма перемiшуеться паралельно вiсi обертання, перетинаючи межу роздiлу секцiй. Слад, який залишае дуга на поверхнi, являе собою гвинтову лшш. Ступiнь змши температури води в секцiях рееструеться диференцiйними термопарами, сигнал з яких поступае на контакгнi к1льця. Для дослщження енергетичного балансу дуги калориметру-вались тепловi потоки в катод та сопло плазмотрона. При вишрюванш плазмотрон перемшуеться на задану ввдстань ввд поверхиi ¡р-датчика паралельно вга обертання з постiйною подачею, яка може регулюватись вiд 0,08 до 2 мм/об.
Знаходження локальних значень густини струму та питомого теплового потоку можливо для вюесиметричних дуг [7]. Для перевiрки впливу меж1 розпод^ секцiй i обертання датчика на збертання осьово! симетрi! опорно! плями дуги проводилось фотографування ввдкрито! частини дуги та приелекгродно! обласп як в напрямку вектора лшшно! швидкостi обертання приладу в мгсщ прив'язки дугово! плями, так i перпендикулярно до нього. Для дослщжених режимiв горiння дуги та швидкосп обертання ¡р-датчика викривлення дугового стовпа не спостерiгалось (струм дуги 100-500 А, витрата газу 0,35-3 г/с, дiаметр сопла плазмотрона 4-7мм, довжина дуги 10-40 мм, лшшна швидк1сть обертання ^-датчика 0,06-4 м/с).
Дослщження часу переходу дугово! плями через лшш розщдалу секцiй показали, що перехiд здiйснюеться плавно. Це шдтверджуеться плавною змiною струму через кожну секцiю та вщсутшстю викривлення стовпа дуги в напрямку сканування на фотографiях вщкрито! частини дуги в момент переходу меж1 розд^ секцiй.
Теор1я та ан^з отриманих результата
У робой [6] наведено результата вимiрювань локальних параметрiв дугово! плями секцiйним елекгродом, який скануе анодну пляму електрично! дуги перпендикулярно и вiсi. По мiрi сканування визначаюгься струм, що пролкае через секцш та тепловий полк, що приходить на секцш та выводиться водою. Конструктивно секцшний елекгрод складаеться з двох плоских рiвних водоохолоджувальних частин, роздiлених м1ж собою тепло- та iзоляцiйною прокладкою . Такий датчик е непридатним для вимiрювання теплового потоку вщ електрично! дуги, який перевищуе 3-4 кВт/см2, через руйнування поверхонь секцш. Вказане руйнування е наслщком того, що тепловi потоки до поверхш такого датчика перевищують критичш При цьому, через зменшення коефщента теплообмiну м1ж водою та охолод -жувальною поверхнею датчика, температура матерiалу в мiсцi прив'язки опорно! плями шдвищуеться. В датчику ввдомо! конструкцi! швидк1сть перемiшення дуги по поверхш, яка сприймае тепло, складае долi мiлiметра в секунду, тому важко запобiгти оплавленню матерiалу в опорних плямах, незважаючи на iнтенсивне охолодження цих поверхонь.
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2015
133
Рис. 1. Конструкщя датчика для ви]шрювання питомого теплового потоку та густини струму в пля]ш електрично! дуги та
схема електричних i калориметричних вимiрювань: 1, 2 - поверхш секцш, що сприймають тепло, 3, 4 - диференцшш термопари, 5, 6 - мiдно-графiтовi щiтки, 7, 8 - контактш кiльця, 9 - плазмотрон, 10, 11 - вимiрювачi тдвищення температури води в охолоджених вузлах плазмотрона, 12 - спещаизоване джерело живлення
плазмотрона, 13 - згладжувальний фшьтр
Практика використання електродугових нагр1вач1в газу показала, що можна ютотно збшьшити тепловвдввд у елек-трод без руйнування його поверхш через опорну пляму, яка швидко рухаеться. Питомий тепловий пот1к при руа опорно! плями по поверхш датчика може в сотт раз1в перевищувати критичний тепловий пот1к. У плоскому секцш-ному електрод1 в1домо! конструкцп збшьшити швидк1сть перемщення опорно! плями (наприклад, вщносно меж1 розд1лу секцш) е неможливим через його теплову шерцшшсть.
На рис. 2 наведено експериментальш крив1 змши теплового потоку та електричного струму в однш з секцш ^-датчика та знайдений за ним ращальний розподш питомого теплового потоку та густини струму в аноднш плям1 електрично! дуги.
в кбт /V \А ц кВт/т2 / Ю'2. А/см2
Рис. 2. Типовi експерименталънi кривi теплового потоку (1) та електричного струму (2) в одну з секцш ^-датчика i радiалъ-не розподшення питомого теплового потоку (3) та густини струму (4) в аноднш плямi електрично! дуги
Результати, отримаш при таких умовах пропкання процесу: дiаметр вихiдного сопла плазмотрона 7 мм, масова витрата аргону 0,6 г/с, дааметр вольфрамового катода 5 мм, ввдстань зрiзу сопла плазмотрона - поверхня IQ-датчика -9 мм, швидшсть перемiщення плазмотрона вщносно роздiлу секцiй - 0,6 мм/с, струм та напруга - 360 А i 42 В ввдповщно до рис. 2 видно, що електричний струм та тепловий потж у секцш IQ-датчика збiльшуються монотонно i досягають стацiонарних значень. Математична обробка експериментальних кривих зводиться до диференцшвання та чисельного розв'язку штегрального рiвняння Абеля. Методика перерахунку експериментальних кривих та аналiз похибки при числовому розв'язку цього рiвняння приведено в робот [8].
Висновки
1. Розроблена конструкщя IQ-датчика, який придатний для багаторазових вим1рювань розподшу питомого стащонарного теплового потоку та густини струму в плям1 потужних електричних дуг.
2. Експериментально доведено, що електричний струм та тепловий потж у секщю IQ-датчика збшьшуються монотонно i досягають стащонарних значень.
3. З отриманих експериментальних даних видно, що штегральний тепловий потж через опорну пляму дуги IQ-датчика значно перевищуе верхню межу вимiрювань теплових потоюв датчиками вiдомих конструкцiй.
Список лтератури
1. Николаев А. В. Состояние и перспективы развития плазменно-дуговых технологических аппаратов / Николаев А. В. // Физ. и хим. обраб. материалов, 1975. - 5 с.
2. Гаврюшенко Б. С. Исследование электродов плазмотронов / Гаврюшенко Б. С., Пустогаров А. В. // Сб. «Приэлектродные процессы и эрозия электродов плазмотронов». - Новосибирск : Наука, 1977 - 85 с.
3. Жуков М. Ф. Эрозия электродов / Жуков М. Ф., Аньшаков А. С., Дандарон Н. Б. // Сб. «Приэлектродные процессы и эрозия электродов плазмотронов». - Новосибирск : Наука, 1977 - 123 с.
4. Обработка резанием труднообрабатываемых материалов с нагревом / [Строшков А. Н., Теслер Ш. Л., Шабашов С. П., Элинсон Р. С.]. - М. : Машиностроение, 1977. - 20 с.
5. Плазменная интенсификация процесса резания металлов / [Кравченко С.С., Элькин В.С., Урицкий М.Л. и др.]. // Краткие тезисы докл. 8-й Всесоюзн. Научно-производственной конф. по электрофизическим и электрохимическим методам обработки. - Ленинград : НПО ЦКТИ им. И. И. Ползунова. - 1977. - 26 с.
6. Шоек П. А. Исследование баланса энергии на аноде сильноточных дуг, горящих в атмосфере аргона / Шоек П. А. // Сб. «Современные методы теплообмена». - М.-Л. : Энергия, 1986. - 110 с.
7. Гордов А. Н. Основы температурных измерений / Гордов А. Н. - М. : Энергоатомиздат, 1992. - 304 с.
8. Alvarez R. An Abel inversion method for radially resolved measurements in the axial injection torch / Alvarez R., Rodero A., Quintero M.C. // Spectrochimica Acta, Part B. - 2002. - Vol. 57. - P. 1665-1680.
9. Долматов А. В., Гуляев П. Ю., Бороненко М. П. Диагностика распределения частиц по температурам в технологии плазменного напыления / Долматов А. В., Гуляев П. Ю., Бороненко М. П. // Ползуновский альманах. - 2010. - № 2. - С. 71-73.
Одержано 21.12.2015
© Д-р техн. наук С. П. Поляков, I. I. Фенько, А. В. Йовченко
Черкаський державний технолопчний уыверситет, м. Черкаси
Polyakov S., Fenko I., Yovchenko A. IQ-sensor for measurement of the specific
thermal flow and current density in an electric arc spots
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepitrnu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2015 135
