автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Эрозионные характеристики полых катодов вакуумных плазмотронов и разработка критериев их конструктивного исполнения

новосибирский государственный технический университет

На правах рукописи удк 621.365.9

Павленко Людмила Кимовна

эрозионные характеристики полых катодов вакуумных плазмотронов и разработка критериев

Их Конструктивного исполнения

Специальность: 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 1996

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Чередниченко B.C.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук Тимошевский А.Н. Кандидат технических наук Сафонов Б. С.

Ведущёе предприятие - АО "ВНИИЭТО"

. Защита состоится " 1 " марта " 1996 г. в 1Q часов на заседании диссертационного совета Д 063,34.09 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, Г.Новосибирск, пр-т К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан " o f "JUcmZt* 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд.техн.наук, доцент. А.И. Алиферов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние десятилетия в различных областях науки н техники широко применяются элёктродуговЫе генераторы низкотемпературной плазмы. Важным достоинством плазменных ^устройств является возможность создания новых ресурсосберегающих и экологически чистых технологий. Кроме этого, использование плазменной техники обеспечивает существенное снижение металлоемкости и энергоемкости процессов плавления, резки, сварки и др. процессов, что повышает их экономическую и технологическую эффективность. Это стало возможным благодаря созданию технических устройств, обеспечивающих получение плазмы с высокой концентрацией энергии в малом объеме и, как следствие, высокую интенсивность теплового воздействия на тела, помещенные в плазму.

Наибольшее распространение, в Практических приложениях получили плазмотроны со стержневыми и полыми катодами. Как известно, стержневые катоды принципиально не обеспечивают устойчивых режимов работы при давлениях, меньших 100 Па, что не позволяет использовать их при получении особочистых и реакционных металлов. Другим фактором, сужающим область применения стержневых катодов даже при атмосферном давлении, является существенный нагрев рабочей части катода при контрагировапной форме привязки (как наиболее часто реализуемой на стержневых катодах) с ростом тока дуги. Это приводит к значительному испарению материала (удельная эрозия находится в пределах МИМО"10 кг/Кл). Подобное явление накладывает ограничение на величину рабочих токов, и следовательно, на мощность плазмотрона. Для стержневых катодов промышленных плазмотронов, работающих в непрерывном режиме, максимальный ток составляет несколько сотен ампер.

Таким образом, несмотря на кажущуюся простоту стержневого катода, при его использовании имеются ограничения как по величине рабочего тока и, следовательно, мощности плазмотрона, так и по ресурсу непрерывной работы. Наиболее логичный путь повышения максимально допустимых рабочих параметров плазмотронов с учетом требований современных технотогий в металлургии — реализация диффузной привязки душ к катоду Такая форма взаимодействия дуги с катодом без применения каких-либо дополнительных мер реализуется в дуговых разрядах с полым катодом. Благодаря этой особенности полый <-г;нют)итгя наиболее перспективным при создании сильноточных с !: ,ч лиц ,% п |:> пофошш попы нпчпей гллни'шой мощности г ресурсом

работы до нескольких сотен часов. Однако, отсутствие ясности в приоритетности и взаимовлиянии различных физических процессов и условий тепло- и электрообмена катода с плазмой не позволяют прогнозировать ресурс работы катода и решать связанные с этой проблемой вопросы единичной мощности (рабочего тока) плазмотрона.

Вакуумный плазмотрон, являясь составной частью электротехнологического комплекса или системы, обеспечивает рабочие характеристики и другие параметры промышленного оборудования в целом. Кроме того, разработанные в последнее время конструктивные схемы кольцевых полых катодов, допускающие обработку порошковых, жидких и газообразных исходных продуктов, позволяют реализовать принципиально новые электротехнологии - сфероидизация порошков, плакирование, переплав с целью рафинирования тугоплавких металлов.

Вышеизложенное обуславливает актуальность темы диссертационной работы, направленной на изучение процессов и параметров, определяющих эксплуатационные характеристики плазменных генераторов.

Работа выполнялась в соответствии с комплексной координационной программой "Сибирь" на 4991-95 г. "Новые материалы и технологии" и координационным планом РАН по проблеме "Физика низкотемпературной плазмы".

Целью работы является исследование рабочих параметров и процессов в полых катодах вакуумных плазмотронов, которое позволило бы в промышленных масштабах:

1. Обеспечить ресурс работы полого катода не менее 500 часов при уровне, единичной мощности плазмотрона 800 кВт и выше.

2. Обеспечить оптимальные соотношения рабочих параметров вакуумных, плазмотронов Для получения минимальных расходных характеристик полого катода.

3. Определить область изменения параметров, при которых наблюдается устойчивая работа вакуумного плазмотрона с полым катодом.

4. Разработать инженерную методику расчета вакуумных плазмотронов, позволяющую реализовать устойчивые и. экономичные режимы работы с необходимой надежностью.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие задачи:

1,. Экспериментальные исследования тепловых и эрозионных характеристик полых катодов вакуумных плазмотронов.

2. Исследование основных эксплуатационных режимов работы полого катода на основе теплового баланса.

3. Расчетно-теоретическое исследование теплового состояния полого катода на основе двумерной постанйвки задачи^ Проведение анализа особенностей теплового взаимодействия плазмы с поверхностью катода с целью повышения его термической стойкости и снижения эрозии.

4. Определение критериев подобия режимйв работы дуги с полым катодом.

5. Исследование механизма эрозии полого катода.

6. Определение области устойчивости горения дуги с полым катодом в рабочих диапазонах параметров электротехнологических установок. .

7. Создание инженерной методики выбора геометрических и рабочих параметров вакуумного плазмотрона с полым катодом с учетом электротехнологического назначения плазмотрона..

8. Разработка промышленной конструкции вакуумного плазмотрона мощностью до 800 кВт.

Методы проведения исследований. Сложность поставленных задач обусловила необходимость применений комплексного метода исследований, включающего экспериментальные и численно-теоретические исследования. Эксперименты проводились в лабораторных условиях на экспериментальной вакуумно-плазменной электротехнологической установке. Основные выводы работы проверялись на опытно-промышленной плазменной установке, созданной на базе электропечи ДДВ-2.5В-0,6 на Ульбинском металлургическом заводе (г. Усть-Каменогорск). При проведении исследований наряду с применением средств вычислительной техники использовались такие методы, как измерение цветовой температуры при фотоэлектрической системе регистрации, фотографический, метод физико-математического моделирования и теория подобия.

Научная новизна:

- показано, что основная роль в эрозионном разрушении полого катода принадлежит катодному распылению. Унос массы за счет катодного , распыления намного превышает лэигмюровское испарение материала;

- получен теплофизическнй критерий различных форм привязки дуги к катоду. Использование данного критерия позволяет ввести следующее разграничение: при Чет А]г « 1 на катоде реализуется диффузная привязка, при Чеш/Чг >> 1 может существовать только контрагиронянное пятно, где пет - плотность термоэмисгиошюго потока с внутренней поверхности катода, - плотность радиационного потока с наружной поверхности;

- в результате исследования внутрнполостных процессов получены критерии подобия режимов работы полого катода. С помощью этих критериев проведено обобщение эрозионных, электрических и энергетических характеристик вакуумного плазмотрона с гшлым катодом;

- показано, что запуск катода через тлеющий разряд является самым благоприятным для обеспечения наименьшей эрозии катода. В этом случае эрозией катода в пусковом режиме можно пренебречь по сравнению с эрозией в рабочем режиме; установлено, что при запуске катода через микродуговые (искровые) разряды эрозия в 30-40 раз больше, чем в рабочих режимах;

- предложена инженерная методика расчета рабочих параметров вакуумного плазмотрона с полым катодом мощностью до 1000 кВт, включающая номограмму для выбора этих параметров.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- на основе комплексного экспериментально-теоретического исследования разработана инженерная методика определения рабочих параметров и геометрических размеров вакуумного плазмотрона с вольфрамовым и танталовым Польши катодами с использованием различных плазмообразующих газов (аргон, гелий, азот). С помощью данной методики произведен расчет опытно-промышленного сильноточного вакуумного плазмотрона;

- для промышленных плазмотронов получены оптимальные с точки зрения минимума эрозии соотношения рабочего тока к диаметру полости: 11с1=*\,ЪЛФА1н - для вольфрамовых катодов, ¡¡¿-\,\А<$А!м -для танталовых катодов;

- использование разработанного теилофизического критерия диффузной привязки дуги к катоду позволило разработать на базе вакуумного разряда с полым катодом новый катодный узел, обеспечивающий нагрев крупногабаритного тигля до высоких температур (2000-2200°С);

- определена область рабочих параметров вакуумного плазмотрона с полым катодом, при которых обеспечивается безаварийный режим работы и удовлетворительный ресурс работы (500 часов).

На защиту выносится:

- результаты теоретических и аксперименталышх исследований механизма самоподдержанпя устойчивых режимов работы нолых катодов вакуумного плазмотронов, учитывающие роль массивности катода в формировании и самоиоддержаннн нелинейных взаимосвязей между рабочими токами и тепловыми полями катодов;

• теплофизический критерий различных форм привязки дуги к поверхности катода;

- результаты исследования механизма эрозии полых катодов вакуумных плазмотронов, включая анализ экспериментально полученных эрозионных-характеристик полых катодов в пусковых и рабочих режимах; ----- •____

- инженерная методика расчета геометрических размеров и рабочих параметров вакуумного плазмотрона в полым катодом, включающая оценку рабочих режимов на основе теплофизического критерия диффузной привязки дугового разряда к катоду.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме по электрическим контактам 18ЕСТА'93 (г.Алма-Ата, 1993г.), научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Новосибирск, НГТУ, октябрь 1995г.), научно-технических семинарах кафедры "Автоматизированные электротехнологические установки" НГТУ. Основное содержание Диссертации опубликовано в 5 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы из 1-07 Наименований. Материал изложен на 173 страницах, 50 рисунках и 3 таблицах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы проблемы, цель к научные задачи исследований. Выполнено аниотированние полученных научных и практических результатов, их новизна и практическая реализация.

В первой главе представлен обзор литературы по современному состоянию исследований дуговых разрядов с полым катодом и практическому использованию этого типа разряда.

В аспекте практического использования полых катодов рассмотрены принципиальные вопросы повышения единичной мощности и ресурса непрерывной работы плазмотронов. Проведен анализ известных из литературы традиционных способов решения этих задач путем применения пленочных катодов и катодов с развитой термоэмиссионной поверхностью. Показано, что использование пленочных катодов в металлургических установках по переплаву и рафинированию тугоплавких и, особенно, высокореакционных металлов невозможно из-за загрязнения переплавляемого металла испаряющимися присадками, а увеличение термоэмиссионной поверхности приводи! к росту эрозии материма катода.

Проведение систематизации опубликованных ре!ультагов по «личине эрозии различных полых катодов не представляется возможным из-за неполноты приводимой в литературе информации и освещения в ней, в основном, частных фактов. Также практически не имеется рекомендаций но выбору конструктивных и рабочих параметров вакуумных плазмотронов с полым катодом. Все это свидетельствует об отсутствии каких-либо значительных успехов в оптимизации эре знойных характеристик катодного узла вакуумных плазмотронов повышенной мощности.

Решение этих задач требует детального рассмотрения физических особенностей работы вакуумного плазмотрона с полым катодом. Имеющихся на сегодняшний день теоретических представлений о катодных процессах явно недостаточно, и, в первую очередь, потому что большинство исследований посвящено изучению тонкостенных полых катодов, рассчитанных на токи не более 150-200 А. При этом физика процессов, протекающих в массивных катодах, работающих в килоамперном диапазоне, имеет ряд принципиальных особенностей, и не поддается объяснению с помощью существующей теории классического слаботочного полого катода.

На основании анализа литературных и патентных информационных материалов конкретизированы задачи настоящей работы и обоснована постановка и методы их решения.

Во второй главе проведен теоретический анализ теплового баланса и физической модели локальных параллельно развивающихся процессов, вызывающих эрозию полого катода. Это позволило поставить задачу экспериментального исследования, заключающуюся в измерении температуры наружной поверхности катода и средней удельной эрозии при различных типоразмерах, расходах плазмообразующего газа и в широком диапазоне рабочих токов. Описана экспериментальная установка и методика измерения и обработки данных; проведена оценка точности измерений температуры и уноса массы полого катода.

Принятая в работе схема тепловых потоков в полом катоде представлена на рис.1. Изучение энергетического баланса базируется на введении понятия суммарного теплового потока из плазмы в катод

(о

где О^ и (Р,,т - тепловые потоки, приносимые иомают плазмы, обратнышГэлектронами и уносимые электронами термоэмиссии, соответственно. С другой стороны суммарный тепловой поток рассеивается за счет излучения с наружной цилиндрической поверхности с

торца и из полости катода От, а также за счет тепловых потерь отводимых теплопроводностью п катододержатель и излучением, поглощенным поверхностью 2 (рис.1):

<к = 0бП + 0т + 0** (2)

Джоулевым тепловыделением в данном случае пренебрегается, правомерность этого допущения доказывается в третьей главе. Тепловые потоки, возникающие за счет излучения плазмы, химических реакций на поверхности катода, теплообмена с нейтральным плазмообразугощим газом, в тепловом балансе не учитываются, так как из-за малого расхода газа сумма этих составляющих не превышает 1-2% от Составляющие правой части уравнения (1) экспериментально трудноразличимы, в то время как величины, входящие в уравнения (2), определяются из эксперимента после обработки измерений температуры наружной поверхности.

Измерение температуры наружной поверхности катода показало, что величины рабочих температур в центральной части ак-Рис. I Схема тепловых пото- ГШШой зоны лежат в диапазоне 2700-2900 К.

ков в полом катоде. Анализ составляющих тепловых потоков (рис. 1), рассчитанных на основе температурного распределения вдоль наружной стенки катода, позволил установить следующие закономерности. Показано, что суммарный тепловой поток из плазмы в катод незначительно увеличивается с ростом тока дуги. При увеличении рабочего тока в три раза тепловой поток возрастает всего лишь на 20%, причем производная dQ.il¿1 уменьшается с ростом тока. На основании этого высказана гипотеза о существовании внутри полости катода механизма самоподдержания квазистационарных параметров плазмы. Выяснено, что геометрические размеры полого катода существенно влияют на величину £>2: суммарный тепловой поток Спропорционален

радиусу полости. Это позволило построить универсальную зависимость суммарного теплового потока от тока дуги.

Дальнейший анализ строился на балансовых соотношениях. Рассмотрен вклад отдельных составляющих тепловых потерь с катода, входящих в уравнение (2). Установлено, что за счет излучения с боковой поверхности катода отводится 70-75% от общей величины тепловых потерь с катода, равных суммарному тепловому потоку из плазмы в кагод; теплоотвод в катододержатель составляет около 15%; излучение из полости и с торца катода примерно равно 10%.

Показано, что общие затраты энергии на катоде в диапазоне рабочих токов от 400 А до 1000 А составляют 12-15% от вводимой в дуговой разряд мощности. Эти затраты уменьшаются при увеличении тока, что и обеспечивает высокую результативность работы вакуумного плазмотрона мощностью до 800 кВт.

При исследовании интегральных эрозионных характеристик за весь цикл работы катода отдельно рассмотрена эрозия в пусковых и рабочих режимах. Установлено, что наиболее благоприятным является запуск и вывод разряда в рабочий режим через тлеющий разряд, так как эрозия катода при таком режиме практически равна нулю. В то же время этот режим пуска крайне неустойчив, и при незначительном отклонении параметров от заданной величины "срывается" в дуговой разряд с контрагированным пятном на внутренней поверхности трубки катода. Описан механизм перехода тлеющего разряда в аварийный режим и методы его устранения. Исследованы и оптимизированы режимы запуску полого катода.

Исследование удельной эрозии полых катодов и обработка результатов этих исследований с расчетом уноса ' массы катода с единицы площади активной зоны показали, что геометрические размеры внутренней полости катода должны выбираться с учетом рабочего диапазона токов. Детальное изучение установленных взаимосвязей проведено в четвертой главе диссертации.

Установлен и теоретически обоснован тот факт, что в рабочих режимах наибольшее влияние на удельную эрозию оказывает диаметр полости катода: увеличение диаметра полости от 9103 до 27-103 м ведет к росту удельной эрозии более, чем в три раза при питании от тиристорного источника и примерно в 2,5 раза - от электромашикного источника. Это связано, главным образом, с увеличением площади взаимодействия внутриполостной плазмы с поверхностью катода. Показано, что при росте рабочего тока наблюдается увеличение обратного потока атомов (ионов) металла на катод, и нго приводит к уменьшению удельной эрозии. Плазма, затекающая'б полость катода, увлекает за

собой- часть выбитых или испарившихся ионов и атомов материи 11.1 катода, которые конденсируются около горловины катода. Экспернмен тально :ио подтверждается наличием наростов на катоде выше актшшой зоны и сужением этой части катода вплоть до зарастания. Показано, чю уменьшение удельной эрозии достигается при питании вакуумшно плазмотрона с полым катодом от источника с минимальным коэффи циентом пульсаций тока.

В грет ьен главе сформулирован теплофпзический критерий существования различных форм привязки дуги к катоду. Сущность еп> заключается в том, что при диффузной привязке дуги плотное >н радиационного и эмиссионного тепловых потоков с катода имею: величины одного порядка. При контрагированной привязке душ к катоду плотность эмиссионного теплового потока значительно прены шает плотность радиационного потока, т.е. наблюдается существенное изменение характера взаимодействия плазмы с катодом. Таким образом, катоды с различными формами привязки дуги, имея много общего в электрофизическом воздействии плазмы на поверхность, могут сильно различаться в теилофизическом отношении.

С целью изучения особенностей взаимодействия плазмы с поверхностью полого катода в данной главе проведено решение двумерных классических уравнений теилонереноса и переноса электрического заряда в теле катода.

1 д

Уд г

г-Л(Т)

1А

гдг

дт

дг

д

дг

Л(Т)

дТ

дг

-Л(г,г)-р(Т),

1 д<р

Р(Т)дг

дг

1 дф Р( Т) дг

= 0

Л =

1

Р(Т)

Шщ

I*

(3)

(4)

(5)

Граничные условия к рассматриваемой физико-математической модели задавались с учетом переизлучения в полости катода:

\ =

■А

дТ дг

дТ

' д:

= -£ОТ4(Г,0);

1Т

' дг

г = К

4=0; Ш =0; дЛ =0; -Щ = к(г)

Предварительные численные эксперименты показали возможность игнорирования джоулевого тепловыделения в катодах любых диаметров с толщиной стенки б > 2 мм, выполненных из вольфрама и тантала. Пренебрежение джоулевым тепловыделением дает заниженное значение максимальной температуры не более, чем на 10 К, что соответствует относительной погрешности, меньшей 3 %.

• Проведено исследование консервативности суммарного теплового потока, поступающего на катод, от тока дуги. Ярко выраженная консервативность <?2<Х> объясняется существующим отношением степенной зависимости (~Т4) радиационного потока к экспоненциальной зависимости термоэмиссионного тока (~ехр(-1/Т)), а именно эти составляющие теплового потока и тока являются превалирующими в балансовых уравнениях знергопереиоса в полом катоде. Это сопровождается уменьшением площади активной зоны с ростом тока, правомерность чего доказана в численном эксперименте. Одно и то же количество тепла распределялось на разную площадь поверхности катода - менялись координаты ¡ц и ¿2 (рис.1) и распределение плотности теплового потока вдоль оси катода q(z). Для каждого распределения q(z) рассчитывалось температурное поле в стенке катода. Из анализа полученных зависимостей Т(г) следует,. что уменьшение зоны энергообмена позволяет объяснить основные эффекты, наблюдаемые экспериментально: смещение координаты максимума температуры к срезу катода, увеличение максимальной температуры при росте тока. Относительно небольшой рост температуры приводит к значительному увеличению тока термоэмиссии, несмотря на уменьшение площади привязки дуги к катоду. Благодаря этому тепловые потери с катода, практически, остаются постоянными, т.е. мало зависят от тока, и составляют 12-15% от общей мощности разряда.

Изучено влияние толщины стенки катода на режимы работы. Показано, что изменение толщины стенки катода неодинаково влияет на его температуру при изготовлении катодов из различных материалов:

- при малых X и больших е (например, для графитовых катодов) гтспка является теплоизолятором и увеличение толщины может ири-пегтл к разрушению катода в области интенсивного теплообмена с плазмой;

- при больших X и малых с, т.е. в случае металлических катодов, нчгюнпи поток переносится вдоль осп катода н за счет увеличения

-----продольно» составляющей перераспределяется по наружной новерхнт

гн на ботынук: площадь,"тем"" самым-улучшая -охлаждение каниа Следовательно, увеличение толщины стенки металлического кат.м снижает рабочую температуру в активней'! лоне Для графит они ч катодов увеличение толщины сгенки может приводит!, к формированию неустойчивых режимов работы.

13 четвертой ыаве с использованием теории размерностей и на основании анализа икю- и .»лекфодинамического равновесия в пик» ш катода получены критерии подобия режимов работы вакуумных плазмотронов с полыми катодами. Существующие на сегодняшний день критериальные соотношения либо не позволяют создать какукыо после довательную инженерную методику расчета вакуумных илазмигрошж, либо являются корректными в узком диапазоне изменения рабочих параметров. Подтверждено, что при диффузной привязке дуги к катоду, когда Яет/Чг и '. внутриполостные процессы катодов различных диаметров подобны при условии постоянства соотношений 1/е1 и О/Л, где С - расход плазмообразующего газа. На рис.2 представлены обобщенные характеристики напряжения на дуге и КПД нагревателя от обобщенного параметра 1/с1 при постоянном значении 0/(]. Из этих зависимостей следует, что, несмотря на сложность протекающих проце< сон в полос гн катодов, можно ограничиться при обобщении всего двумя критериями подобия. Обобщенные характеристики зависимостей напряжения на дуге и КПД нагревателя, определяемого как доля мощности, выделяемая на аноде, от обобщенного параметра 1 УА при постоянном значении О/с! (рис.2) получены с использованием результатов исследо вапнй автра и литературных источников, и.в

40

30 20

10

2 4 8 6 10 1/(}.10'-А/М ° 2 4 6 . 8 1/й,10' А/м

Рис.2. Зависимой!! напряжения на дуге и КПД от обобщенною параметра ! /А.

Для исследования механизма эрозии полого катода проведено сравнение экспериментальных данных по уносу массы с расчетными, полученными по модели лэнгмюровского испарения. В результате доказано, что унос массы за счет лэнгмюровского испарения примерно в 100 раз меньше установленного в экспериментах (рис.3).

Выявлена область устойчивости рабочих режимов вакуумного дуго вого разряда с полым катодом. Нижний предел расхода плазмообразую-щего газа Отщ определялся, исходя из возникновения высокочастотных колебаний, генерируемых плазмой и приводящих к выходу из строя вентильных групп источников питания. Установлено, что значения (Зшт для фиксированного диаметра полости не зависят от тока разряда и материала катода. Эксперименты проводились с тремя плазмообра-зующими газами: аргоном, гелием и азотом. Получено, что .

>1,110'3~; >1-10-? — ; Г^1) >0,8910-3 —

V * )лг м с V * )не м с V А А, . м с

Определена верхняя граница токового диапазона из обобщенной зависимости удельной эрозии от 1/6 (рис.4).

Рнс.З. Зависимости уноса массы от

тока, полученные экспериментально Рис.4. Зависимость удельной

(I) и рассчитанные по модели эрозии катодов от обобщен-

Лэнгмюровского испарения (2) ного параметра Ш

Установлено, что катастрофический рост эрозии материала катода наблюдается при

<1/<!^тах=М7-105 А/м, <1/«1)ТаП1ах = 1124-105 А/м

для вольфрама й тантала, "соответственно. Уменьшение удельной----------------

эрозии при значениях 1/ё, меньших критических, связано с нроян лением нескольких факторов, и прежде всего, с поведением сум марного теплового потока. Изучение теплового состояния полого катода показало, что тепловой поток практически не меняется при варьировании тока дуги и диаметра полости катода. В таком случае остается постоянным и поток ионов на стенку катода из плазмы, и коэффициент катодного распыления, и, следовательно, унос массы катода. Поэтому удельная эрозия, определяемая как унос массы на единицу заряда будет уменьшаться с ростом тока. Помимо этого, на величину удельной эрозии влияет диаметр полости катода: умень шение диаметра, и, соответственно, площади взаимодействия катода с дугой, ведет к снижению удельной эрозии. Свой вклад в уменьшение удельной эрозии вносит и рециклинг, так как рост тока сопровождается увеличением обратного потока выбитых или испарившихся атомов и ионов металла обратно на катод, что подробно рассматривалось во второй главе. Все это объясняет убывающий характер зависимости д( 1/<1) в рабочей области изменения параметра 1/й.

Разработана инженерная методика расчета рабочих и конструктив ных параметров вакуумных плазмотронов заданной мощности, включаю щая номограмму, построенную для вольфрамовых и танталовых полых катодов. С помощью данной номограммы можно произвести выбор; оптимального значения тока дуги, напряжения, минимально допустимого расхода плазмообразующего газа, диаметра полости, длины и минимальной толщины стенки катода. Номограмма использовалась при конструировании вакуумной плазменной плавильной печи для получения компактного слитка тантала из мелкодисперсного порошка натриетермического восстановления.

Результаты, полученные при эксплуатации опытно-промышленных вакуумных плазмотронов, подтверждают перспективность данного вида нагрева, а устойчивая работа вакуумных плазмотронов позволяет судить о корректности принятой модели, положенной в основу расчета полых катодов.

С целью экспериментальной проверки полученных критериев заключительный раздел главы посвящен изложению результатов исследований и созданию ноной промышленной злектротехиологичес.кой системы, обеспечивающей нагрев в тигле конечных размеров чернового металла до температур 2000 - 2200°С. При этом в новом агрегате часть тигля, начиная с нижней координаты - поверхности расплава, оказывается свободной для расположения паропровода н конденсатора иаропон

фракции технологического процесса. Это технологическое требование не позволяло использовать для разогрева тигля и металла до рабочих температур какие-либо известные методы нагрева. В качестве технологического объекта был принят графитовый тигель, коаксиально которому устанавливался графитовый полый цилиндр - катод. Для обеспечения разряда с диффузной Привязкой дуги к катоду был использован теплофизический критерий, представленный в третьей главе. С целью выполнения соотношения Яеш/Ят и 1 было предложено использовать набор концентрических радиационных экранов, устанавливаемый с наружной стороны катода. Аналогичные радиационные, но плоские экраны устанавливались с нижнего торца системы нагрева. В результате этого условие существования диффузной привязки дуги к катоду было выполнено, установка выведена в рабочий режим, и обеспечен оптимальный ход процесса. Стабильная работа устройства дает основания считать возможным дальнейшее использование данного критерия при создании и проектировании новых электротехнологических систем на основе полого катода.

Осцрводе ВЫВОДЫ ПР рзботе

1. Предложена инженерная методика расчета рабочих параметров вакуумных плазмотронов с полыми катодами мощностью до 1000 кВт, базирующаяся на обработке результатов экспериментальных исследований и включающая номограмму для выбора этих параметров.,

2. Выявлены И доказаны основные механизмы самоподдержания устойчивых режимов работы палых катодов вакуумных плззмотронов, используемых в металлурпгческих злектротехнологических установках; показана роль массивности катода в формировании и самоподдержании нелинейных взаимосвязей между рабочим током и тепловыми полями катодов; установлены причины локализации наиболее нагретой зоны катода в определенном месте.

3. Получен теплофизический критерий, характеризующий интегральную взаимосвязь и взаимоотношения параметров дуговых разрядов, обеспечивающих различные формы привязки дуги к катоду; установлено, что при примерном равенстве плотности термоэмиссионного теплового потока с внутренней поверхности катода плотности радиационного потока с наружной поверхности катода (чг) реализуется диффузная привязка дуги к катоду (яет/яг«1), при соотношении Чгт/Ч,^5*! может существовать только контрагированное пятно; покачано, что этому критерию подчиняются наблюдаемые в экспериментах режимы работы катодов любой конструкции, в том числе работающих яри атмосферном давлении (стержневые катоды).

4. Изучены критерии подобия режимов работы полых катодов; на основании критериев;._ подобия проведено обобщение эрозионных, электрических и энергетических характеристик вакуумного плазмотрона с полым катодом.

5. Показано, что основная роль в эрозионном разрушении полого катода принадлежит катодному распылению; установлено, что унос массы катода намного превышает лэнгмюровское испарение материала.

6. Доказано, что запуск катодов в рабочий режим (разогрев катода до рабочих температур) с использованием тлеющего разряда является наиболее благоприятным для обеспечения наименьшего уноса массы катода; установлено, что при разогреве катодов тлеющим разрядом можно пренебречь зрозией катодов в пусковом режиме.но сравнению с эрозией в рабочих режимах; запуск катодов с использованием микродуговых (искровых) разрядов обеспечивает эрозию в 30-40 раз больше, чем в рабочих режимах.

7. Показано, что внутренний диаметр полых катодов должен оптимизироваться с учетом минимума эрозии и рабочего диапазона токов (рис.4), толщина трубки полого катода выбираться из конструктивных соотношений, а длина катода составлять не менее 3,5н-4 наружных диаметров катода.

Результаты, полученные в данной работе, подтверждены опытом эксплуатации экспериментально-промышленных установок с полы^ катодом. Многообразие технологических процессов, в том числе сферои-днзация и рафинирование порошков, предопределило необходимость разработки вакуумных плазмотронов с кольцевым полым катодом. Ряд результатов, касающихся механизма эрозии, критериальных зависимое теп, пусковых режимов, нашли подтверждение и в данной конструкции. Однако ее существенная сложность по сравнению с классическим полым катодом требует дальнейшего исследования тепло; и электрофизических процессов и экспериментальной проверки возможности переноса результатов, полученных на классическом полом катоде, на кольцевой.

Основное содержание диссертации изложено в 5 печатных работах:

1. Anshakov A.S., Cherednichenko V.S., Pavlenko L.K. Thermophysical Interaction of Plasma with Cathode Surface // ISECTA'93, Proceedings of (lie International Symposium on Electrica! Contacts, Theory and Applications. - June 21-25, 1993, Almaty, -Kazakhstan National Academy of Sciences.

2. Обобщенные характеристики вакуумных дуг с полыми катодами. С.Г.Галкин, М. В. Чередниченко, Д.К.Павленко // Теплофизика и аэромеханика, 1994. - т.1.- N2,- С. 159-163

3. Тепловой критерий взаимодействия ■ дуги с полым катодом. В.С.Чередниченко, Л.К.Павленко, С.Г.Галкин// Теплофизика и

4. Критерии устойчивости вакуумного дугового разряда с полым катодом. Л.К.Павленко, С.Г.Галкин, М.В.Чередниченко // Электротехнологические процессы и установки. Новосибирск: ИТ СО РАН, 1995. С.77-85.

5. Определение рабочих параметров вакуумных плазмотронов с полым катодом. Павленко Л.К., Галкин С.Г. // Электротехнологические процессы и установки. Новосибирск: ИТ СО РАН, 1995. С.86-90.

аэромеханика, 1994.-т. 1.- N4.

Подписано в печать 25.01.96. Формат 60 х 84 1/16. Бумаг оберточная. Тираж 100 экз. Уч.-изд.л. 1,0. Печ.л. 1,0. Заказ №

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092. г.Новосибирск, пр. Маркса, 20