Баланс энергии в приэлектродных областях

 

Баланс энергии дуги. Как для катодной, так и для анодной областей дуги можно составить подробную схему баланса энергии. Например, для участка анода основные составляющие баланса энергии следующие: приход - потенциальная и кинетическая энер­гия электронов, конвективная и лучистая теплопередача от столба плазмы; расход - плавление, излучение и теплоотвод в материал анода. Однако механизм явлений в переходных областях дуги пока недостаточно ясен, поэтому проводить точный расчет всех состав­ляющих баланса энергии трудно. В катодной области остается не­известной доля ионного тока, коэффициент аккомодации энергии ионов для данного катода, изменение работы выхода электронов вследствие эффекта Шоттки и т. п.

В технологическом отношении энергетическая структура дуги вполне определяется при термодинамическом макроподходе. Дугу при этом рассматривают как квазиравновесную систему, состоя­щую из трех источников теплоты: катодного W _K; анодного W _a и столба дуги W _ct.

Ток во всех зонах дуги условно можно принять электронным. На результат термодинамического расчета такая условность со­вершенно не влияет. Баланс энергии за 1 с в расчете на 1 А тока приведен в табл. 2.3.

Принимаем условно φ_к = φ_а = φ, тогда для всей дуги

 (2.75)

что соответствует известной формуле

 (2.76)

Термодинамический баланс энергии на катоде целесообразно сравнить с точным балансом энергии, который для катода следо­вало бы написать так: приход = расход в катод + расход в столб, т. е.

 (2.77)

где I = I _j + I _е - общий ток; W _Ki, W _ni - кинетическая и потенциаль­ная энергии ионов, передаваемые на катод ионным током силой 1 А. Обозначив долю ионного тока f = I _i / I, а долю электронного тока I _е / I = 1 - f и разделив обе части уравнения (2.77) на I, полу­чим баланс энергии на 1 А общего тока

 (2.78)

В соответствии с табл. 2.3 для термодинамического баланса энергии в катодной области первое слагаемое в правой части (2.78) есть W _K, а второе равно φ + 2 кТ. Отсюда

 (2.79)

т. е. электроны уносят в столб дуги потенциальную энергию, соот­ветствующую высоте барьера φ, и кинетическую энергию 2 кТ, где Т - температура плазмы столба дуги. Тогда доля ионного тока на катоде

 (2.80)

Отсюда следует, что, например, увеличивая температуру Т в стол­бе дуги или работу выхода, можно уменьшить долю ионного тока и увеличить долю электронного тока. Если U _K= 10 В, φ = 4 В, то f = 0,4. Это соответствует условиям W-дуги в аргоне.

Теплота, выделяющаяся в катодной (W _K) и анодной (W _a) облас­тях, затрачивается на нагрев, плавление и испарение соответ­ствующих электродов, а также на механические воздействия в приэлектродных областях.

Из формул, приведенных в табл. 2.3, следует, что на катоде не вся выделяемая энергия U _K переходит в теплоту. Часть ее, равная φ + 2 кТ, уносится электронами в плазму дуги. На аноде, наоборот, потенциальная (φ) и термическая (2 кТ) энергии электронов прибав­ляются к энергии, определяемой анодным падением потенциала.

Иногда теплоту W _K (и W _a) оценивают как эффективное катод­ное (анодное) падение потенциала:

(2.81)

 (2.82)

Тогда суммарное эффективное падение потенциала на катоде и аноде    U ^э _k+a= U _k+a.

По формулам (2.81), (2.82) можно решить и обратную задачу -приближенно оценить тепловыделение на электродах без измере­ния теплового потока на катод и анод. Для этого необходимы зна­чения катодного и анодного падений потенциала, температуры столба дуги и работы выхода электронов.

Пример 2.7. Для Ме-дуги из эксперимента получено: U _K = 8 В, U _a = 3 В при Т  ≈ 5800 К. Для значений кТ ≈0,5 эВ, ф = 4 эВ определить тепловы­деление в приэлектродных областях.

Решение. В соответствии с формулами (2.81) и (2.82) на 1 А тока тепло­выделение составит: в катодной области W _K = 8 - (4 + 1) = 3 В; в анодной области W _a = 3 + (4 + 1) = 8 В.

Пример 2.8. Вольфрамовая, или W-дуга, характеризуется следующими параметрами: U _K = 9 В, Т ≈ 23 000 К, кТ = 2 эВ, φ = 4 эВ, U_a = 3 В. Найти тепловыделение в приэлектродных областях на 1 А тока.

Решение. Подставляя числовые значения в (2.81) и (2.82), получаем, что тепловыделение составит: в катодной области W _K = 9 - (4 + 4) = 1 В; в анодной области W _a = 3 + (4 + 4) = 11 В.

Пример 2.9. Для плавящегося стального электрода теплота плавления на 1 А за 1 ч будет равна

 (2.83)

где α_р - коэффициент расплавления электрода, составляющий для руч­ной дуговой сварки 6... 14, а для автоматической 12...24 г/(А•ч); ΔН -теплосодержание расплавленного материала. Найти тепловыделение для ручной дуговой сварки в приэлектродных областях на 1 А тока.

Решение. Для сварки стали ΔН = 2300 Дж/г. Переводя час в секунды и подставляя числовые значения в (2.83), находим выражение для q _пл в вольтах: q _пл ≈0,64 α_р. Подставляя α_р = 10, получим q _пл ≈ 6,4 В.

Из этих примеров следует, что в анодной области дуги тепло­выделение энергии значительно больше, чем в катодной (как пока­зано на рис. 2.25). Это учитывается технологами при выборе по­лярности электрода и изделия.

Тепловыделение в столбе дуги зависит от длины дуги и от на­пряженности электрического поля Е. В свою очередь, Е зависит от теплофизических свойств среды и тока и имеет максимальное зна­чение при сварке в среде водяного пара (Е = 60...80 В/см), мини­мальное - в вакуумной дуге (Е = 2...4 В/см).

 

Потоки плазмы в дуге

 

Потоки плазмы в дуге увлекают за собой окружающий газ и поэтому всегда сопровождаются газовыми потоками. При малых токах (меньше 30 А) это движение вызывается подъемной силой, возникающей в результате того, что плотность горячей плазмы меньше плотности окружающей атмосферы. Дуги, в которых характер движения газа определяется свободной кон­векцией, относятся к слаботочным ду­гам. В связи с этим интересно отме­тить, что название «дуга» произошло от       формы, которую принимает газовый разряд низкой интенсивности между горизонтальными электродами под влиянием подъемных сил.

При увеличении тока возникает струйное течение плазмы со скоростя­ми, которые значительно превышают скорости, обусловленные естественной конвекцией. Течение плазмы в таких сильноточных дугах на­правлено обычно от стержневого катода к плоскому аноду и назы­вается катодной струей. Газовый поток входит в зону W-дуги в районе катода и уходит в радиальном направлении вблизи анода (рис. 2.29).

Давление в дуге возникает под действием электромагнитных сил (сил Лоренца). Радиальное сжатие (пинч-эффект) обратно про­порционально сечению, по которому идет ток. Следовательно, при стержневом катоде и плоском аноде оно постепенно убывает от ка­тода к аноду. Наибольшее давление на оси столба при токе I и его плотности j составляет

 (2.84)

а скорость катодной струи, 

 

где А - коэффициент, зависящий от размерности; р - плотность плазмы.

Для W-дуг типична форма колокола (рис. 2.30), расширяющаяся к аноду. Область перед катодом здесь можно представить как электромагнитный насос, который забирает газ из среды и вы­брасывает его к аноду. Скорость ионизованного газа в катодной струе W-дуги может иметь порядок 10² м/с, что соответствует от 0,1 до 0,2 М (М - число Маха). Поэтому катодную струю можно исследовать методами теоретического течения несжимаемой жид­кости. При сварке Ме-дугой возможны скорости плазменного потока до 10³ м/с. Потоки плазмы дуги обычно направлены перпен­дикулярно поверхности электродов, и их интенсивность увеличи­вается с ростом тока.

В Ме-дугах возникают встречные плазменные потоки струи как на катоде, так и на аноде. Они иногда могут располагаться соосно: внутренняя - от катода к аноду, а наружная - от анода к ка­тоду, причем анодные струи (от анода к катоду) часто движутся быстрее, чем катодные. Скорость их движения может достигать 5 • 10³ м/с. Причиной сжатия дуги у плоского анода может быть охлаждение слоя газа в анодной области.

Всякое сжатие дуги может послужить причиной возникнове­ния потока плазмы в результате появления градиента давления. Это хорошо видно на рис. 2.31, где между угольными электродами показана в двух положениях (а, б) охлаждаемая водой медная пластинка S с отверстием. На катоде возникает поток плазмы. На широком аноде его нет. В от­верстии возникают плазменные струи, направленные в обе сто­роны.

В обычной дуге места суже­ния, а следовательно, и плазмен­ные струи возникают только вблизи электродов, и в этом смысле о них можно говорить, как о явлениях, связанных с электродами. Однако инжекти­рование струи горячего, хорошо проводящего газа или пара способствуют возникновению «сердеч­ника» столба, характерного для мощной дуги. Такой «сердечник» возникает также в связи с отрицательным наклоном кривой зави­симости теплопроводность - температура после максимума диссо­циации или ионизации. Его иногда называют стержнем или шну­ром диссоциации (ионизации). Если плазменная струя сообщает «жесткость» дуге вблизи катода, то в этом случае можно говорить о дуге, стабилизированной катодной струей (потоком плазмы).