2. Принцип действия дсп. Экзотермические электрофизические процессы дугового разряда

а) Принцип действия ДСП основан на преобразовании электрической энергии в тепловую в результате экзотермических электрофизических процессов дугового разряда, существующего между одним (ДСП ПТ) или тремя (ДСП) графитированными электродами и нагреваемым (расплавляемым) металлом, выполняющим роль нулевой точки элетрической схемы «звезда» в ДСП или анода в ДСП ПТ. Дуговой разряд является зоной генерации тепла.

б) Экзотермические электрофизические процессы дугового разряда.

…

Термоавтоэлектронная эмиссия –основной механизм в ДСП, при котором внешнее электрическое поле напряженности порядка 0,01-1ГВ/м при наличии в области прикатодного падения напряжения пространственного положительного заряда, понижающего потенциальный барьер и уменьшающего работу выхода электронов, позволяет получить необходимые плотности тока эмиссии (около 10-50 МА/м²) при температурах не более 3500 К, соответствующих кипению сталей и сплавов на основе никеля.

…

Дуговой разряд имеет 5 областей:

1. Катодное пятно;

2. Область прикатодного падения напряжения;

3. Столб дугового разряда;

4. Область прианодного падения напряжения;

5. Анодное пятно.

1. В катодном пятне происходит эмиссия электронов, что является необходимым условием возникновения и поддержания самостоятельного дугового разряда. Плотность тока эмиссии зависит от температуры и работы выхода электрона:

J_эм­=f(T,W_вых)= f(T,eU_вых)

Поддержание эмиссионной способности катодного пятна обеспечивают экзотермические электрофизические процессы (за счет них катодное пятно нагревается):

1. Преобразование кинетической энергии положительных ионов, попадающих на катодное пятно под действием электрического поля, в тепловую;

2. Выделение потенциальной энергии этих ионов при рекомбинации в катодном пятне;

3. Теплогенерация по з-ну Джоуля-Ленца на активном сопротивлении катода при высокой плотности эмиссионного тока.

Плотность тока в катодном пятне 2700-2900 А/см²

2. Область прикатодного падения напряжения по протяженности примерно равна длине свободного пробега электронов (в ДСП – около 10^-4-10^-3мм). В этой области имеет место встречное движение ионов в сторону катода (ионный ток переноса) и электронов в сторону анода (электронный ток переноса). Ионы накапливаются вблизи катода и образуют область нескомпенсированного положительного заряда, являющегося причиной скачка потенциала и уменьшающего потенциал работы выхода электрона, что обеспечивает механизм термоавтоэлектронной эмиссии.

3. В столбе дуги электроны эмиссии, разогнанные электрическим полем, в результате неупругих соударений возбуждают и ионизируют нейтральные частицы атмосферы межэлектродного промежутка при условии ΔE_k>=(W_иониз=eU_иониз) (ударная ионизация). Помимо этого ионизация происходит в результате соударения нейтральных частиц, обладающих достаточной кинетической энергией теплового движения при нагреве газа (термическая ионизация):W=1.5kT=ΔE_k>=W_иониз. Любая ионизация является эндотермическим процессом и находится в равновесии с рекомбинацией. При повышении T сильнее идет ионизация.

Рекомбинация – обратный рекомбинации экзотермический процесс, при котором катионы и электроны объединяются в нейтральные атомы, выделяя энергию в виде квантов электромагнитной энергии:

А⁺ + е^- = А⁰+hν

Теоретически возможная тем-ра столба дуги может достигать 3000-20000 К.

4. В области прианодного падения напряжения электрический ток создают исключительно электроны (электронный ток переноса), в результате чего возникает нескомпенсированный пространственный отрицательный заряд и соответствующее электрическое поле, характеризуемое прианодным падением напряжения (в ДСП U_a порядка 30В).

5. На аноде ускоренные электроны внедряются в кристаллическую решетку материала анода, в результате чего их кинетическая энергия рассеивается в виде тепла в анодном пятне, вызывая локальное повышение тем-ры и эрозию анода. Плотность тока на анодном пятне составляет 300 А/см². Плотность тока в катодном пятне 2700-2900 А/см². Такая разница в плотностях тока определяет различие размеров электродных пятен.

gradU (В/м) зависит от следующих факторов:

-теплового состояния газовой атмосферы в межэлектродном промежутке;

-давления, уменьшаясь с понижением давления в ДВП;

-силы тока дуги;

-поперечного сечения столба;

-электрофиз-х св-в иониз-х газов или паров.

Периоды плавки	gradU в ДСП, В/см
Период расплавления	100-250
Окислительный период	15-38
Восстановительный период	7-11

Температура в столбе дуги может достигать 3-20 тыс. К и рассчитывается по ф-ле:

Т=800U_иониз

Напряжение на дуге U_д:

U_д= U_к+grad Ul_стб+ U_a;

Длина дуги l_д:

l_д= l_стб= [U_д-( U_д+ U_a)]/grad U.