Тепловое состояние стержневого вольфрамового катода в среде аргона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ч/'

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ

На правах рукописи Замбалаев Жамьян Жамбалович

ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ СТЕРЖНЕВОГО ВОЛЬФРАМОВОГО КАТОДА В СРЕДЕ АРГОНА

01.04.14 - теплофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -академик РАН М.Ф. Жуков

Новосибирск - 1998

Оглавление

Обозначения.....................................................................4

Введение...........................................................................7

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи........19

§1.1. Дуга с нестационарными пятнами...................20

§ 1.2. Дуга со стационарным контрагированным пятном 22

§ 1.3. Дуга без пятна....................................................24

§ 1.4. Переход от нестационарных пятен к стационарному

пятну......................................................................................25

§ 1.5. Переход от дуги со стационарным контрагированным

пятном к дуге без пятна.......................................................27

§ 1.6. Теоретические модели катодной области

электрической дуги..............................................................29

§ 1.7. Постановка задачи.............................................45

Глава 2. Методика определения параметров катодной области

.................................................................................................60

§ 2.1. Измерение температуры в зоне контакта дуги с

электродом............................................................................60

§ 2.2. Методика измерения распределения яркости на торце

катода.....................................................................................63

§ 2.3. Расчет распределения температуры................68

§ 2.4. Расчет теплового состояния электрода...........72

§ 2.5. Параметры, описывающие тепловое состояние катода

................................................................................................82

§ 2.6. Решение системы уравнений для прикатодной зоны

................................................................................................86

§ 2.7. Параметры, описывающие прикатодную зону88 § 2.8. Блок-схема методики определения параметров катодной области..................................................................89

Глава 3. Параметры катодной области электрической дуги.

................................................................................................103

§3.1. Распределение температуры на торце электрода в зоне

привязки дуги к катоду......................................................104

§ 3.2. Тепловое состояние электрода.......................106

§ 3.3. Эрозия стержневого вольфрамового катода. 109

§ 3.4. Прикатодная зона............................................ 112

§ 3.7. Режим с немонотонным распределением яркости на

катоде...................................................................................117

§ 3.6. Тепловое состояние электрода с присадкой. 120 § 3.7. Зависимость между плотностью теплового потока и

температурой катода..........................................................122

§ 3.8. Замкнутая математическая модель катодной области

..............................................................................................128

Глава 4. Переходы из одного режима в другой........151

§ 4.1. Переход дуги от режима с быстроперемещающимися

пятнами к режиму со стационарным пятном..................152

§ 4.2. Переход дуги с пятном к дуге без пятна.......164

Заключение...................................................................188

Литература....................................................................192

Обозначения

/ - ток дуги, А

О - тепловой поток, Вт

Тк - температура поверхности катода, К

qk - плотность теплового потока, Вт/м2

ик - катодное падение потенциала, В

ср{) - работа выхода материала электрода, В

срэ - эффективная работа выхода материала электрода, В

Л - плотность тока электронов эмиссии, А/м2

у,- - плотность тока положительных ионов, А/ м2

j++ - плотность тока двукратно заряженных

положительных ионов, А/м2

]еобр - плотность тока «обратных» электронов, А/м2

70 - плотность тока, А/м2

^ - доля ионного тока

и 1 - 1-ый потенциал ионизации, В

и21 - 2-ой потенциал ионизации, В

п0 - концентрация нейтральных частиц, 1/м3

пе - концентрация электронов, 1/м3

и + - концентрация однократно заряженных ионов, 1/м3

пг++ - концентрация двукратно заряженных ионов, 1/м3

Тп - температура плазмы в ионизационной зоне, К

уеГ - хаотическая составляющая скорости электронов, м/с

vгT - хаотическая составляющая скорости ионов, м/с

Ек - напряженность поля на поверхности катода, В/м

р - давление, Па

Я - длина волны, м

¿4 - диаметр электрода, м

1к - длина вылета электрода, м

тр - время распада плазмы, с

Тт - температура плавления материала электрода, К

гЯТ - спектральная плотность энергетической светимости

Лэ - эффективная длина волны, м

ос - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2. к) 8 - длина дуги, м

<2КП - тепло, поступающее от дуги через катодную привязку, Вт

(2т - тепло, уносимое через торцевую поверхность,

незанятую привязкой, Вт {1б - тепло, уносимое через боковую поверхность катода, Вт

{1в - тепло, уносимое через поверхность, охлаждаемую водой, Вт

()дж - энергия Джоуля-Ленца, выделившаяся в электроде, Вт

^ - плотность энергии, приносимая на катод однократно

л

заряженными положительными ионами, Вт/м

- плотность энергии, приносимая на катод двукратно заряженными положительными ионами, Вт/м2

Чеобр " плотность энергии, приносимая «обратными» электронами, Вт/м2

- плотность энергии, уносимой электронами эмиссии в

ионизационную зону, Вт/м2 ЯеТ - плотность энергии, уносимой в столб дуги, Вт/м2 т - время перехода от режима с

быстроперемещающимися нестационарными пятнами к режиму со стационарным пятном, с <Зобщ - удельная эрозия материала электрода с поверхностей,

незанятых катодной привязкой, г/Кул <Экп - удельная эрозия материала электрода с площади,

занятой катодной привязкой, г/Кул (Эъ - суммарная удельная эрозия материала катода, г/Кул

Ты - температура центральной точки привязки дуги к катоду, К

- плотность теплового потока в центральной точке привязки дуги к катоду, Вт/м2 иш - катодное падение потенциала в центральной точке

привязки дуги к катоду, В 1пер - ток перехода от дуги со стационарным катодным пятном к дуге без пятна, А

Введение

Последние десятилетия характерны тем, что в различных областях науки и техники находят широкое применение разнообразные плазменные устройства. Среди них доля электродуговых аппаратов неизменно остается высокой. Плазмотроны, МГД-генераторы, вакуумные сильноточные коммутаторы, мощные источники светового излучения - это далеко неполный перечень целых классов устройств, объединенных тем, что в них горит газовый разряд в форме электрической дуги. Все это является той материальной предпосылкой, которая стимулирует изучение электрической дуги. Здесь немаловажная роль отводится исследованию процессов взаимодействия низкотемпературной плазмы с электродами.

Результаты работ по приэлектродной тематике имеют не только чисто познавательное, научное значение, но и большое практическое значение. Дело в том, что в подавляющем большинстве случаев ресурс службы любого электродугового устройства определяется долговечностью электродных узлов. Вследствие этого, невозможно решить исключительно важные для промышленности вопросы обеспечения надежности и долговечности электродуговых аппаратов без знания процессов, происходящих на электродах и вблизи него.

Электродные явления - трудный объект для изучения, потому что детально могут быть изучены только следствия воздействия дуги, так называемые «автографы», которые остаются на электродах после их взаимодействия с разрядом. Что же касается параметров, характеризующих электродную область во время

горения дуги, то их экспериментальное изучение сопряжено с чрезвычайными трудностями.

Из двух электродов, анода и катода, катод является более сложным объектом исследования, чем анод. Это обусловлено тем, что явления, происходящие вблизи катода более многообразны. Катод, являясь отрицательно заряженным электродом, притягивает положительные ионы, которые, бомбардируя ее, нагревают электрод до высоких температур. В результате этого, происходит эмиссия электронов. Таким образом, в токопереносе вблизи катода участвуют, как положительно заряженные ионы, так и электроны. Внешне многообразие катодных явлений выражается в существовании различных типов дуг. Тип дуги на электроде определяется такими внешними условиями, как давление, материал и геометрия катода, ток и др. Существуют следующие основные разновидности дуг. Это прежде всего дуги с нестационарными пятнами [9]. В этом случае контакт дуги с катодом может осуществляться через множество быстроперемещающихся локализованных областей - «пятен». При атмосферном давлении такой разряд горит преимущественно на нетугоплавких электродах. На катодах из тугоплавких материалов дуга существует либо в виде стационарного контрагированного пятна, либо в так называемом режиме без пятна, когда сужения столба дуги перед электродом не наблюдается [12].

Приэлектродная область дуги описывается некоторым множеством таких параметров, например, как температура поверхности катода, плотность тока, катодное падение потенциала и т.д. Типы дуг отличаются друг от друга величинами этих параметров, и при переходе от одной формы разряда к другой происходят чаще всего скачкообразные их изменения. А так как

через эти характеристики определяется такой важный с точки зрения практики параметр, как скорость эрозии электрода, то становится ясным актуальность изучения не просто явлений, имеющих место при том или ином типе дуги, а переходных процессов. Ведь очевидно, что скачкообразные изменения параметров катодной области являются лишь внешними проявлениями более глубоких процессов, которым подчинены происходящие катодные явления. Знание физики перехода от одной формы привязки дуги к катоду к другой дало бы возможность управлять этими процессами, и реализовывать на электроде необходимый с практической стороны режим горения дуги. В конечном итоге это отразится на производительности, мощности и долговечности устройств, использующих дуговой разряд.

Сложность изучения катодных процессов обусловлена тем, что контакт дуги с электродом представляет собой объект малых размеров. Радиальные размеры привязки лежат в пределах от долей миллиметра - в случае нестационарных пятен, до нескольких миллиметров - для дуги без пятна [9, 14]. По теоретическим оценкам протяженность зоны, отделяющей столб дуги от поверхности катода, составляет всего несколько длин свободного пробега [9, 17]. Кроме того, наличие больших потоков энергии и частиц предполагает отклонение распределений частиц в приэлектродной области от равновесного. Это приводит к тому, что существует совсем немного параметров, которые могут быть измерены непосредственно во время горения электрического разряда. Одним из них является температура поверхности электрода в зоне контакта плазма - катод. Большинство же таких важнейших параметров, например, как температура прикатодной плазмы, концентрация заряженных частиц, плотности потока

ионов, электронов, прикатодное падение потенциала, в настоящее время практически не поддаются экспериментальному изучению. Все это свидетельствует о том, что прямое опытное изучение катодных процессов резко ограничено.

Недостаточное внимание уделяется тому, что параметры катодной области претерпевают изменение в пределах зоны контакта дуги с электродом. Сложилась устойчивая традиция описывать ее через такие усредненные характеристики, например, как плотность тока ]0, температура катода Тк, катодное падение

потенциала ик, как бы считая, что в пределах зоны контакта плазма

- электрод такие величины не претерпевают каких-либо изменений, или считая, что если и есть изменения, то ими можно пренебречь. Такой подход в корне неверен. Данные работ [14, 66], в которых производилось измерение распределения температуры в пределах катодной привязки, свидетельствует о том, что параметры приэлектродной зоны являются ярко выраженными функциями радиальной координаты. Особенно важно рассмотрение радиальных составляющих параметров катодной области при изучении переходных явлений. Ведь одним из главных критериев, по которому производится классификация по типам дуг, является размер контакта плазма - катод, т.е. радиальный размер прикатодной зоны. При переходах от одного вида разряда к другому происходит резкое, скачкообразное изменение размера привязки. Уже это свидетельствует о необходимости изучения радиальных составляющих параметров катодной области. Одним из возможных путей исследования подобных объектов является теоретический путь, заключающийся в построении их математических моделей. Математическая модель - есть формализованная запись внутренних закономерностей. Обычно она

представляет собой систему дифференциальных или алгебраических уравнений. Решение этой системы дает возможность определить параметры, описывающие исследуемый объект. В случае катодной области электрической дуги записываются следующие основные соотношения:

а) баланс энергии на катоде;

б) баланс энергии в приэлектродной плазме;

в) уравнение Маккоуна;

г) уравнение теплопроводности.

Анализ существующих математических моделей катодной области показывает, что число приведенных уравнений недостаточно для создания замкнутой математической модели [43]. Иными словами количество неизвестных параметров, подлежащих определению, превосходит число уравнений. В таком случае для замыкания модели обычно встают на путь упрощения, исключения неизвестных, априорного задания некоторых параметров. Естественно, «замкнутые» таким путем модели не отражают в полной мере реальные прикатодные процессы. Поэтому расчеты по этим математическим моделям не могут заменить натурные эксперименты. Причина заключается в том, что для истинного замыкания системы уравнений необходимо по меньшей мере еще одно соотношение, которое отражало бы закономерности катодной области электрической дуги.

Таким образом, с одной стороны затруднено чисто экспериментальное изучение катодной области из-за того, что есть параметры, которые в настоящее время вообще опытным путем невозможно получить. С другой стороны теоретическое исследование сопряжено с трудностями, заключающимися в несовершенстве математической модели, недостаточном

количестве соотношений ее составляющих. В такой ситуации изучение катодной области, на наш взгляд, должно идти путем тесного сочетания эксперимента и расчета. А именно: опытным путем получая сведения об одном из доступных параметров катодной области, можно использовать полученную информацию в качестве соотношения, которое замыкало бы математическую модель. Решения такой модели дадут величины всех других параметров катодной области.

Целью настоящей работы является получение информации о параметрах прикатодной зоны в пределах привязки дуги к электроду, используя подход, сочетающий эксперимент с модельным расчетом.

В этой связи:

1. Разработана методика получения информации о параметрах катодной области.

2. Определено тепловое состояние электрода при различных токах дуги. Выяснена его роль в формировании различных режимов горения дуги на катоде.

3. Определены радиальные распределения параметров прикатодной зоны.

4. Изучены причины перехода от дуги с быстроперемещающимися пятнами к дуге с контрагированным пятном, а также причины перехода от дуги с пятном к дуге без пятна.

5. Составлена приближенная замкнутая математическая модель катодной области.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе дается описание различных типов дуг. На основе обзора работ по электродной тематике показывается, что в

зависимости от внешних условий, например, тока, давления, геометрии электрода возможно существование различных типов дуг на катоде одного и того же материала, имеют место переходные явления. В этой главе дается краткий обзор основных моделей катодной области, отмечаются их недостатки. Дается постановка задачи, в которой обосновывается методика получения радиальных распределений параметров катодной области.

Во второй главе излагается разработанная в настоящей работе методика изучения катодной области. Эта методика является экспериментально-расчетной и включает в себя: а) экспериментальное измерение распределения температуры по торцу вольфрамового стержневого катода; б) решение тепловой задачи с целью выяснения теплового состояния электрода; в) решение системы уравнений для прикатодной зоны с целью определения параметров зоны контакта плазма - электрод.

Изложенная методика позволяет получить весь спектр параметров, характеризующих катодную область. Данная методика контролируема, в качестве критерия контроля служит закон полного тока. Методика может служить также для апробации верности математических моделей.

Третья глава посвящена изложению результатов, полученных по разработанной методике. Материалы представлены для

Л

стержневого вольфрамового электрода (длина вылета 5-10" м, диаметр 6-10~3м) в диапазоне токов дуги 75 - 300 А, плазмообразующий газ - аргон.

В результате эксперимента и последующих расчетов получены радиальные распределения температуры катод�