Теплофизика высоких температур, 2021, T. 59, № 3, стр. 330-336

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных аспектов, определяющих рабочие характеристики и надежность работы плазмотрона, является конструкция электрода. Электродная система испытывает значительные термические нагрузки, электроэрозионное воздействие, влияние коррозии со стороны элементов плазмообразующего газа, и прежде всего кислорода. Эрозионный износ материала электродов определяется мощностью плазмотрона (величиной рабочего тока), режимом работы электрода (анод или катод), свойствами плазмообразующего газа и составом материала электрода [1].

Тепловой поток электрической дуги в точке привязки на поверхности электрода приводит к плавлению материала, возникновению “ванны” расплава, при этом некоторая его часть может быть унесена с поверхности под воздействием газодинамических и электромагнитных сил. При перемещении опорного пятна дуги на поверхности электродов возможно появление кратеров и их комплексов, появление и развитие трещин и отколов, как следствие термических и усталостных напряжений. В зоне непосредственного воздействия электрической дуги на поверхность электрода возможны локальный нагрев до температуры 15 000–20 000°С и появление локальных напряжений до 1000 МПа [1, 2]. В случае остановки или уменьшения скорости движения точки привязки по поверхности электрода процесс эрозии становится интенсивнее.

Отличительной особенностью работы электродов плазмотрона переменного тока является периодическая смена полярности, приводящая к изменению механизма взаимодействия их поверхности с дугой, а также изменение тока и, соответственно, наличие переменной составляющей теплового потока в электрод.

Анализ механизма работы материалов электродов в условиях повышенной температуры показывает, что ресурс работы может быть увеличен за счет введения определенных добавок, снижающих интенсивность разрушения основного материала электрода в процессе создания плазмы, и (или) максимально равномерного распределения теплового потока по поверхности электрода.

В настоящей статье рассмотрены два типа электродной системы мощных плазмотронов переменного тока, где электрод в некотором приближении можно представить в виде цилиндра с рабочей зоной на торце, либо расположенной вдоль образующей цилиндра.

Целью работы является исследование эрозии материалов и конструкций электродных блоков мощных однокамерных трехфазных плазмотронов переменного тока в зависимости от мощности, расхода и вида рабочего газа, в том числе для диапазона давлений, превышающих атмосферное. Для определения эрозии использовался гравиметрический метод: определялась потеря массы электрода его взвешиванием до и после эксперимента. В качестве характеристики эрозии была выбрана удельная эрозия – потеря массы электрода при протекании единичного заряда через электрод.

ТРЕХФАЗНЫЙ ПЛАЗМОТРОН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА СО СТЕРЖНЕВЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Конструктивно трехфазные плазмотроны состоят из следующих основных узлов: дуговой камеры, камеры тангенциальной закрутки подачи рабочего газа, электродного блока с электроизоляционной высокотемпературной вставкой и корпуса. Электродуговая камера трехфазного однокамерного плазмотрона со стержневыми электродами состоит из цилиндрического и сужающегося конического участков [3, 4]. В цилиндрическом участке камеры три стержневых электрода располагаются параллельно ее оси. В стенках этого участка выполнен ряд отверстий, через которые в электродуговую камеру тангенциально либо под определенным углом поступает рабочий газ.

Плазмотрон предназначен для работы на инертных газах, азоте и водороде и рассчитан на стационарный режим работы. Дуговая камера плазмотрона и электроды охлаждаются водой. Дуговая камера и корпус плазмотрона выполнены как единое целое из нержавеющей стали, имеют рубашку охлаждения, в которой расположены спиральные направляющие, организующие поток охлаждающей жидкости. Подвод охлаждающей жидкости производится в наиболее термически напряженный участок дуговой камеры, т.е. на ее срез. Компенсация термических напряжений, возникающих за счет нагрева электродуговой камеры, осуществляется гофрой, выполненной по типу сильфонной и расположенной на охлаждающей рубашке.

Принцип работы плазмотрона заключается в следующем: между торцами стержневых электродов горят дуги переменного тока, сдвинутые по фазе, величина сдвига может быть различной и определяется условиями горения дуги в электродуговой камере. Поступающий через отверстия тангенциальный поток рабочего газа образует у стенок электродуговой камеры относительно холодный слой, частично защищающий их от конвективного теплового потока. Кроме того, в зоне холодного слоя концентрация заряженных частиц резко падает, создается изолирующая область, вследствие чего столб дуги не касается стенок.

Для получения высокого теплового КПД форма камеры выбрана близкой к шарообразной: отношение длины камеры к ее среднему диаметру во всех конкретных моделях близко к единице. Существенно облегчает согласование работы плазмотрона с системой его электропитания параллельное расположение электродов, которое обеспечивает при некотором изменении длины электродов, возникающем из-за уноса электродного материала при эксплуатации, сохранение неизменными межэлектродного расстояния и, как следствие, внешних характеристик плазмотрона.

Объединение в одну камеру всех трех фаз обеспечивает постоянное горение в камере “дежурной” дуги, а вместе с ней и достаточное количество носителей зарядов (n_е) для повторного зажигания дуги между парами электродов без заметных пиков напряжения при смене полярности напряжения.

КОНСТРУКЦИИ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕКРОДОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве рабочего материала для изготовления электродов использован вольфрам с присадками. В режиме катода присадки снижают работу выхода электронов, т.е. режим термоэмиссии наступает при более низкой температуре рабочей поверхности, а в режиме анода тугоплавкий вольфрам обеспечивает наибольшую термостойкость электрода. В экспериментах использовался вольфрам с добавками оксидов редкоземельных элементов, но необходимо заметить, что при температурах, превышающих 3200 К, оксидные соединения разрушаются и эмитировать начинает вольфрам (работа выхода для вольфрама – 4.52 эВ, для вольфрама с добавками оксида лантана(III) – около 2.6 эВ).

Длина электродов обусловлена размером камеры, необходимостью обеспечить расстояние между дугой и электроизоляционной шайбой, предотвращающее ее повреждение и разрушение. Для эффективного отвода теплового потока от рабочей поверхности электрода вода должна как можно ближе подходить к этой поверхности. Технически удается подвести воду до места крепления вольфрамовых стержней в электрододержатель. При работе на давлениях 0.1−0.5 МПа и токах до 1 кА этого оказывается достаточно для поддержания температуры поверхностных слоев электрода ниже температуры плавления, что обеспечивает термоэмиссионный режим его работы без оплавления поверхности и механического разрушения.

При возрастании тока и увеличении давления в камере плазмотрона до 1−5 МПа значительно возрастает омический тепловой нагрев электродов в зоне электродных пятен, а также лучистый тепловой поток из плазмы, и такая конструкция электрода не обеспечивает отвод избыточного тепла. Электроды начинают интенсивно разогреваться с образованием жидкой фазы и выносом расплава в электродуговую камеру и далее с потоком нагретого газа. Вольфрамовые стержни выпадают из электрододержателей, и электрод разрушается. Кроме того, значительно возрастает концентрация паров металла в дуге, что приводит к снижению напряженности электрического поля и уменьшению энерговклада. Для эффективного охлаждения электрода была разработана конструкция электрода с комбинированными водяным и газовым охлаждениями.

Электрод состоит из цилиндрического медного охлаждаемого электрододержателя и наконечника. Типы наконечников:

стержень (вольфрам–рений) диаметром 40 мм и длиной 30 мм;

стержень (вольфрам–рений) диаметром 40 мм и длиной 30 мм с рядом отверстий диаметром 2–3 мм для продува газа (рис. 1);

Рис. 1.

Электрод с наконечником (вольфрам–рений) с рядом отверстий для продува газом: 1 – электрододержатель, 2 – рубашка охлаждения, 3 – канал для подачи газа, 4 – наконечник, 5 – отверстия для продува газа.

сборка стержней из лантанированного и иттрированного вольфрама диаметром 10 мм и длиной 40 мм, запаянных в медную втулку с отверстиями для продува газа (рис. 2);

Рис. 2.

Наконечник из лантанированного или иттрированного вольфрама с отверстиями для продува газа: 1 – втулка медная, 2 – стержень диаметром 10 мм, 3 – отверстия для продува газа.

стержень из сплава вольфрам–никель–медь диаметром 40 мм и толщиной 30 мм;

сборка из вольфрамовой проволоки диаметром 1 и 2.5 мм, запрессованная в медную обойму с продувом газа через нее (рис. 3).

Рис. 3.

Электрод с наконечником из вольфрамовой проволоки с продувом газа: 1 – электрододержатель, 2 – рубашка охлаждения, 3 – канал для подачи газа, 4 – обойма медная, 5 – стержни.

Газ подается через отверстия в вольфрамовом стержне, если наконечник в виде одного стержня, или между стержнями, если наконечник наборный. Как показали испытания, такое решение позволяет обеспечить работу электрода до давления 8 МПа при токе до 2 кА. При этом было обнаружено, что газовое охлаждение электрода примерно в 1.5 раза повышает напряжение на дуге и увеличивает мощность плазмотрона. Столб дуги становится диффузным, а рабочая поверхность электрода изнашивается более равномерно, что, по-видимому, обусловлено дестабилизацией привязки электродного пятна на поверхности. Эксплуатационные величины разрушения материала электродов и соответствующего изменения характерного показателя удельного износа (грамм на кулон) для разных температурных и тепловых режимов приведены в табл. 1.

Как видно из табл. 1, определяющим фактором, влияющим на износ стержневых вольфрамовых электродов, является величина тока и давление в камере плазмотрона. Продув газа через электрод позволяет примерно на порядок уменьшить эрозию по сравнению с тем же режимом, но без продува.

ТРЕХФАЗНЫЙ ПЛАЗМОТРОН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С РЕЛЬСОВЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Плазмотрон с рельсовыми электродами состоит из следующих основных элементов: корпуса, выходного фланца с соплом, системы электродов и инжектора [5]. Корпус изготовлен из нержавеющей стали и представляет собой цилиндр, переходящий в усеченный конус. Охлаждение корпуса – водяное. Одним из достоинств многофазных однокамерных плазмотронов с электродами рельсового типа является достаточно низкий уровень напряжения на основных электродах. Параметры питающей сети: напряжение – 380/480 В, частота – 50/60 Гц. Электроды в разрядной камере установлены с минимальным межэлектродным расстоянием от 8−2 мм. Чтобы обеспечить надежное зажигание дуги в межэлектродном промежутке при сравнительно низком напряжении питания, в состав плазмотрона вводится однофазный высоковольтный плазмотрон в качестве инжектора носителей зарядов [6]. При работе инжектора в зоне минимального расстояния между основными электродами плазмотрона устанавливается поток плазмы с концентрацией электронов n_e = 10¹⁴−10¹⁶ см^–3, достаточной для зажигания основных дуг. Инициированные дуги перемещаются по расходящимся электродам со скоростью 10−30 м/с, зависящей от тока, угла наклона электродов, а также расхода и способа подачи рабочего газа. Дуги заполняют большую часть разрядной камеры, совершая движение в продольном и поперечном направлениях. Благодаря этому можно получить сравнительно большой тепловой КПД плазмотрона (до 85%) [7]. В пристеночной зоне, куда подается холодный газ, создающий изолирующий слой, концентрация заряженных частиц резко падает и происходит погасание дуги. Описанный процесс непрерывно повторяется, в результате чего на выходе из сопла плазмотрона образуется струя плазмы со среднемассовой температурой порядка 1500−5500 К.

В основу работы плазмотронов с электродами рельсового типа положен принцип электродинамического движения дуг в поле собственного тока (рельсотронный эффект). Быстрое перемещение точки привязки дуги по электроду под действием электродинамических и газодинамических сил распределяет тепловую нагрузку по длине электрода.

РЕЛЬСОВЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Электроды имеют изогнутую форму и могут быть выполнены из медного прутка диаметром 20−40 мм с внутренним отверстием для протекания охлаждающей жидкости (рис. 4). На каждом электроде есть два штуцера с резьбой, они позволяют зафиксировать положение электрода в разрядной камере плазмотрона. Таким образом, установленный электрод имеет одну степень свободы для перемещения в радиальном направлении. Это позволяет быстро изменять межэлектродный зазор.

Рис. 4.

Рельсовый электрод с углом раскрытия 15°: 1, 2, 3 – соответственно инжекторный, основной и сопловой вводы рабочего газа.

Поскольку эрозия электродов зависит как от мощности теплового источника, так и от длительности его приложения, то создание благоприятных условий для направленного перемещения опорных точек электрической дуги должно привести к снижению времени теплового воздействия и, соответственно, эрозии электродов.

В результате исследований скорости перемещения дуги [8] можно выделить наиболее важные параметры, влияющие на нее: расстояние между электродами, величину тока, состояние поверхности электродов, их материал, конструктивные особенности.

В ходе выполнения экспериментов были проведены исследования взаимосвязи следующих параметров: длительности работы, величины тока, угла раскрытия электродов, материала и конструктивных особенностей электродов. Данные, полученные при различных режимах работы плазменной системы, представлены в табл. 2.

В экспериментах по определению удельной эрозии медных электродов в зависимости от тока, угла раскрытия, диаметра электродов и теплового потока в электроды рабочим газом был воздух. Время проведения экспериментов составляло от 2 до 40 ч. Полученные зависимости являются интегральными и не затрагивают роль микропроцессов на поверхности электродов. Как известно [9], эрозия электродов проходит в газовой, жидкой и твердой фазах. Причем до сих пор не ясен вопрос о соотношении долей каждой фазы. На рис. 5 представлены экспериментальные данные по эрозии медных электродов в зависимости от угла их раскрытия $\alpha ,$ действующего значения тока дуги I, расхода плазмообразующего газа G и суммарных тепловых потерь в электроды Q.

Рис. 5.

Зависимость величины эрозии от угла раскрытия электродов (а), тока дуги (б), расхода плазмообразующего газа (в), суммарных тепловых потерь в электроды (г).

Из рисунков видно, какой-либо зависимости удельной эрозии от перечисленных выше факторов не прослеживается. В инженерных расчетах приближенно можно считать, что удельная эрозия является величиной постоянной и с некоторой степенью запаса для данных плазмотронов составляет около 10⁻⁵ г/Кл, достигая такого значения за счет того, что тепловая нагрузка от опорных пятен дуги распределяется по рабочей поверхности электрода.

На рис. 6 приведены данные по удельной эрозии медных электродов плазмотронов постоянного и переменного тока, выполненные различными исследователями [9]. Эксперименты проводились на разных по конструкции плазмотронах, при разных токах разряда и расходах плазмообразующего газа. Так же, как и в нашем случае, можно считать, что удельная эрозия является приближенно постоянной величиной, но приводимые данные по эрозии на порядок меньше.

Рис. 6.

Удельная эрозия плазмотронов постоянного и переменного тока [9].

Следует отметить, что при использовании в качестве плазмообразующего газа воздуха по мере образования слоя окалины (теплопроводность этого слоя ниже, чем у чистой меди) время, в течение которого пятно привязки дуги остается неподвижным, увеличивается; в силу этого вероятность образования каверн в металле возрастает, что увеличивает массу выносимого материала. На поверхности электрода появляются трещины, приводящие к прорыву жидкости из канала охлаждения электрода в электродуговую камеру плазмотрона (рис. 7). За время работы поверхность электродов в месте контакта с дугой становится неровной и приобретает форму сливающихся между собой полусфер диаметром 1−3 мм, на границах между которыми виден тонкий слой окислов меди.

Рис. 7.

Поверхность электрода плазмотрона после нескольких часов работы.

Таким образом, в первом приближении расход материала электродов можно представить в виде

Для теплового потока в электроды не удалось подобрать сколько-нибудь приемлемую зависимость. Теоретическое решение задачи теплообмена также пока не представляется возможным в связи со сложным характером течения вблизи электродов. Поэтому представляется целесообразным использовать эмпирические выражения. Тепловой поток в один электрод, отнесенный к мощности плазмотрона, можно записать как

Данное соотношение, полученное в работе [10], было проверено для углов раскрытия, не превышающих 75°.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ результатов экспериментов позволяет сделать вывод о том, что при работе плазмотрона материалы электродов подвергаются электрической эрозии, химической эрозии, и механическому износу. В ходе исследований опробованы различные конструкции электродных систем плазмотрона переменного тока высокой мощности с торцевыми и рельсовыми электродами, получены данные по удельному эрозионному износу использованных электродных материалов.

Для стержневых электродов, изготовленных из материалов на основе вольфрама, удельная эрозия изменялась от 10⁻² до 10⁻⁴ г/К, максимальный износ зафиксирован при токе 2 кА и использовании азота в качестве рабочего газа. Это может быть связано с величиной тока и присутствием некоторого количества примесей кислорода в рабочем газе, так как использовался азот технической чистоты. Минимальный износ зафиксирован в экспериментах с гелием.

Для рельсовых медных электродов установлено, что минимальный уровень удельного износа составляет 3.7 × 10⁻⁶ г/Кл при рабочем токе порядка 700 А и угле раскрытия электродов 30°. При этом во всех экспериментах удельная эрозия составляла ~10⁻⁶ г/Кл. Это достигалось вследствие равномерного распределения тепловой нагрузки по поверхности электрода, при этом выход из строя электрода происходил из-за механического разрушения (трещин до канала охлаждения), а не из-за полного износа материала.

Можно предположить, что при увеличении силы тока и преодолении некоторой, для каждой конструкции электрода своей, величины воспринимаемого теплового потока в механизме разрушения электродов начинают интенсивно проявляться процессы, не связанные напрямую с эрозией, и фактор механического разрушения становится более значимым.