Характеристика приэлектродных областей и протекающих в них процессов.

Изучение протекающих в приэлектродных областях и на электродах процессов и их закономерностей  преследует две цели:

выявление закономерностей переноса теплоты и материала электрода при электродуговой сварке, плазменно-дуговой и плазменной сварке и резке металлов, переплаве металлов в дуговых печах;

создание тугоплавких не расходуемых или мало расходуемых электродов для электродуговых печей, плазменных генераторов (плазмотронов) и т. д.

Контакт электрической дуги с электродами происходит в электродных пятнах (катодном и анодном), которые различаются проходящими в них явлениями и элементарными процессами.

Из прикатодных участков плазмы ионы движутся к катоду и разогревают его за счет передачи ему энергии нейтрализации и собственной кинетической энергии. Таким образом, у поверхности катода образуется положительный электрический заряд, а у поверхности анода — отрицательный. При прохождении заряженных частиц — электронов и ионов — через эти пространственные заряды образуются анодное и катодное падения потенциалов.

Выделяющаяся на аноде мощность

 

Q_а = I_д(U_а + φ),                                                                                (2.85)

 

где I_д — ток дуги, A; U_a — анодное падение потенциала, В; φ – работа выхода электрона, эВ.

Анодное падение потенциала зависит от материала анода, температуры его плавления (повышается с ростом последней) и силы тока.

Выделяющаяся на катоде мощность

 

Q_к = I_д(U_к – φ),                                                                                 (2.86)

 

где U_к — катодное падение потенциала, В.

Для катода работу выхода электрона φ берут со знаком «–», так как электрон, покидающий катод, уносит с собой энергию и катод охлаждается.

Плотность тока в электродных пятнах зависит и от материала электрода. Например, на вольфрамовом и угольном электроде плотность тока в катодном пятне j_к=(3÷5)10³ А/см², Для легкоплавких металлических катодов j_к = 10⁴÷10⁷ А/см². В анодных пятнах для тугоплавких электродов j_к= (1÷6)10² А/см², а для легкоплавких j_к=10³÷10⁴ А/см².

Рассмотрим баланс энергии на электродах. Энергию, поступающую в электрод, можно представить состоящей из компонентов:

внутреннего источника (I²R — джоулева теплота, выделяющаяся на границе электрода с плазмой);

внешнего источника, связанного с приходом

электрических зарядов на электрод;

излучения плазмы дуги;

конвективного нагрева окружающим газом;

теплоты от экзотермических реакций материала электродов с окружающими газами.

Рассмотрим первую составляющую. На рис. 2.63. показаны линии тока, по которым электрический ток проходит из электрода в столб дуги. Область, в которой концентрируются токовые линии, расположена непосредственно под электродным пятном и характеризуется повышенной плотностью тока.

Мощность объемного источника энергии в этом случае

 

,                                                               (2.87)

 

где r – радиус пятна, м; σ — проводимость материала электрода, Ом^-1· м^-1.

Энергия внешнего источника теплоты обусловлена мощностью, выделяющейся в приэлектродных областях. Для определения этих величин пользуются формулами (2.85) и (2.86).

Мощность излучения определяют по формуле радиационного теплопереноса (3).

Выделение теплоты за счет конвективного теплопереноса наблюдается в том случае, когда высокотемпературный газ обтекает электрод.

Теплота, обусловленная прохождением на электродах экзотермических реакций, зависит от химической активности системы плазма — материал электрода.

Пути отвода энергии.

За счет теплопроводности в тело электрода.

В результате уноса теплоты при испарении и разбрызгивании электрода.

В результате уноса энергии электронами, которые эмитируют разогретые поверхности электродов. Вышедшие из электрода частицы обладают определенной энергией, которую они уносят с собой:
ΔW_к = φI_е, ΔW_а=φI_i, где φ — работа выхода; I_е и I_i - электронный и ионный ток соответственно.

За счет отвода теплоты от электродов излучением вследствие того, что электродные пятна имеют высокую температуру.

 

Электроды дуговых установок.

 

Электроды дуговых установок, применяемых в технологических процессах, подразделяют на два типа: легкоплавкие и тугоплавкие.

Тугоплавкие электроды изготовляют из графита и материалов на его основе, металлов, имеющих высокую температуру плавления вольфрам, молибден, тантал и др., используя их способность выдерживать большие тепловые потоки и обеспечивать высокий уровень плотности тока термоэлектронной эмиссии. Можно выделить два вида технологического использования тугоплавких электродов:

Рассмотрим электроды, применяемые в электродуговых нагревателях газа. На рис.2.64. показан вольфрамовый катод, выполненный в виде вольфрамового стержня выступающего на несколько миллиметров из охлаждаемого наконечника 2. Он предназначен для работы в электродуговых нагревателях газа при токах до 100—2000 А в среде аргона, водорода и азота, исключающих присутствие кислорода.

Легкоплавкие электроды используются в технологических процессах с расходуемыми электродами (электродуговая сварка, переплав металлов и их сплавов в вакуумных дуговых печах и др.) и в процессах с нерасходуемыми электродами (нагрев газов в плазмотронах). Для увеличения срока службы нерасходуемых электродов предусмотрено быстрое перемещение электродного пятна по их поверхности. Это может достигаться аэродинамическим воздействием на дугу газового потока, воздействием на дугу внешним магнитным полем или механическим перемещением электрода.

Термохимический катод. При горении дуги в активных газах на поверхности электродов возможно образование соединений, существенно влияющих на электрофизические свойства электродов — работу выхода, плотность тока эмиссии, температуру поверхности.

Термохимическим катодом называют электрод, активная зона которого образуется при взаимодействии материала электрода с окружающим газом, расходуется во время работы и регенерируется по мере разрушения.

Анализ свойств лантаноидов (цирконий, гафний и др.) показал, что благодаря наличию соединений, сохраняющихся при довольно высоких температурах и являющихся высокоэффективными электродами, эти металлы наиболее перспективны для создания термохимического катода.

При горении дуги на поверхности электрода (цирконий, гафний или лантан) на катоде в присутствии кислорода образуются оксиды металлов, которые характеризуются более высокой температурой плавления, чем у исходных металлов.

 

Рис. 2.63 Схема линий тока на границе дуговой столб-электрод

Рис. 2.64. Конструкция катодного узла плазмотрона

Рис. 2.65. Температурное поле термохимического катода

Так, если температура плавления циркония около 2500 К, то диоксид циркония плавится при температуре около 4800 К.

 

Электродуговые печи

Дуговые печи косвенного действия. Электродуговой разряд горит между электродами, расположенными над нагреваемым материалом, и теплообмен между электрической дугой и материалом осуществляется в основном за счет излучения.

Дуговые печи прямого действия. В них электрическая дуга горит между концами электродов и нагреваемым материалом. Нагрев материала осуществляется при выделении энергии в опорных пятнах дуги, протекании тока через расплав, а также за счет излучения плазмы дуги, конвекции и теплопроводности.

Дуговые печи сопротивления. В них дуга горит под слоем электропроводной шихты; теплота выделяется в дуговом разряде и преимущественно при прохождении тока через шихту в расплавленных материалах. Передача теплоты в объем печи осуществляется за счет теплопроводности, излучения и в меньшей мере конвекции.

Вакуумные дуговые печи. В них электрическая дуга горит в инертном газе или парах переплавляемого материала при низком давлении между расходуемым электродом, изготовленным из переплавляемого металла, и ванной жидкого металла либо между нерасходуемым электродом и ванной жидкого металла.

Плазменными печами или плазменно-дуговыми плавильными установками. В этих установках нагрев металла осуществляется электрической дугой, совмещенной со струей плазмы инертного газа. Это позволяет исключить засорение переплавляемого металла материалом электрода, увеличить интенсивность передачи энергии на ванну печи.

 

Рис. 2.66. Классификация электродуговых печей.

Электрическое сопротивление диоксида циркония с повышением температуры падает от 1·10⁴ Ом·м при температуре 700 К до 0,1 Ом·м при температуре 2300 К. Катодное пятно на цирконии или гафнии, покрытых слоем оксидов, не перемещается и представляет собой концентрированную тепловую нагрузку. Температура максимальна в центре пятна и резко спадает к периферии (рис. 2.65.). С понижением температуры уменьшается проводимость активного слоя электрода, тем самым положение пятна дуги стабилизируется расплавленными и твердыми слоями соединений на электроде. Вследствие низкой теплопроводности материала ограничивается значение действующего в пятне теплового потока (около 0,8 кВт для циркония и 1,5—2 кВт для гафния). Стабилизации электродного пятна на цирконии способствует пониженное значение работы выхода материала с поверхности электрода. Так, работа выхода циркония составляет 4,4—4,7 эВ, а работа выхода образующейся пленки диоксида циркония —2,3 эВ.

Электродуговые печи применяются в металлургической, химической, машиностроительной и в ряде других отраслей промышленности. Они могут быть классифицированы следующим образом (Рис.2.66).