книги из ГПНТБ / Сисоян, Г. А. Электрическая дуга в электрической печи

носимых ими, будут зависеть от их подвижности. Так как подвиж­ ность электронов во много раз больше подвижности ионов, то можно сделать вывод, что почти 99% тока в столбе должно переноситься электронами. В действительности же, как увидим в дальнейшем, соотношение между электронной и ионной составляющими тока получается иное.

В столбе дуги происходят явления рекомбинации и диффузии, что приводит к уменьшению числа свободных заряженных частиц. Убыль последних компенсируется тепловой ионизацией в самом столбе. Помимо этого, столб теряет энергию вследствие теплопровод­ ности, излучения и конвекции.

Так как основным источником энергии, выделяющейся в столбе, является электрическое поле, градиент потенциала в столбе должен быть таким, чтобы энергия, выделяющаяся в единице длины столба, могла покрывать тепловые потери столба и поддерживать темпера­ туру последнего на уровне, достаточном для термической ионизации. Это играет весьма важную роль в механизме печной дуги.

Переход тока из столба на анод происходит через концентриро­ ванное светящееся пятно, внешне похожее на катодное.

При высоких температурах в дуге переход тока на анод обычно сопровождается испарением материала анода.

Рассмотрим теперь условия возникновения дуги при электро­ статической эмиссии с катода.

Если у поверхности катода создать электрическое поле напря­ женностью в 106— 108 В/см, то катод начинает эмитировать элек­ троны. Эта эмиссия в достаточно широких пределах не зависит от температуры и называется холодной, или электростатической.

Для создания таких полей необходима высокая концентрация положительных объемных зарядов в непосредственной близости к катодному пространству. Условием возникновения таких высо­ ких концентраций зарядов является прежде всего большая плотность газов или паров, окружающих катод. Как указывают некоторые авторы, плотность атмосферного воздуха на катоде не всегда до­ статочна для электростатической эмиссии и, по-видимому, образо­ вание дуги с холодным катодом всегда связано с испарением катода.

Подробнее с обоими видами эмиссии познакомимся позже; здесь лишь отметим, что типичной дугой с «холодным» катодом, т. е.

сэлектростатической эмиссией, является ртутная дуга, а термо­ электронной дугой — дуга между угольными электродами в воздухе.

Вряде случаев трудно отличить термоэлектронную дугу от дуги

сэлектростатической эмиссией.

Вэлектропечи один электрод всегда угольный, второй представ­

ляет собой жидкий металл. Температура в тигле, а следовательно, и на электродах всегда очень высока; это значит, что процесс термо­ электронной эмиссии в печной дуге должен быть всегда явно выражен.

Поэтому мы и определили выше печную дугу как термоэлектрон­ ную. Следует, однако, подчеркнуть, что при давлениях несколько выше атмосферного в печной дуге имеет место также электростати­

зо

ческая эмиссия, чему благоприятствуют большие плотности токов дуги.

Столб и анодное пространство термоэлектронной и электроста­ тической дуг мало отличаются друг от друга.

Характер протекания тока в дуге в основном определяется фи­ зическими процессами, проходящими на границе электродов с раз­ рядным промежутком и в самом разрядном промежутке. Поэтому остановимся подробнее на этих процессах.

7« Катодная область дуги

Выше мы определили печную дугу как термоэлектронную, по­ лагая, что ток у катода в основном поддерживается термоэлектрон­ ной эмиссией.

Рассмотрим теперь этот вопрос несколько подробнее.

Впервые мысль о термоэлектронной эмиссии с катода электриче­ ской дуги была высказана В. Ф. Миткевичем в 1905 г. Им же были поставлены опыты, которые подтвердили эту мысль.

В настоящее время явление термоэлектронной эмиссии изучено

представляет собой дальнейшее развитие первой и выведена Дешменом. Несмотря на то, что в первую формулу входит множитель 7"/*, а во вторую Г 2, разница в результатах расчетов получается небольшая, так как зависимость плотности тока от температуры в основном определяется степенным множителем. Практически обе эти формулы равноценны. В табл. 2 приведены постоянные электрон­ ной эмиссии для некоторых элементов.

ТАБЛИЦА 2

ПОСТОЯННЫЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

31

Формулы, характеризующие электронную эмиссию, показывают, что с увеличением температуры ток эмиссии растет очень быстро. Так, например, для вольфрамового катода в вакууме плотность тока эмиссии при 1500К составляет всего 10-7 А/см2, а при темпера­ туре 3500К повышается до 225 А/см2, т. е. увеличивается более, чем в 109 раз.

В печной дуге, как правило, одним электродом является уголь, а вторым — жидкий сплав. Многочисленные измерения показывают, что при угольной дуге в области катода господствует высокая темпе­ ратура. Так, например, для угольной дуги в атмосфере азота тем­ пература катода составила ~ 3600° С, что соответствует току эмис­ сии от 500 до 800 А/см2. Можно было бы привести и другие примеры, показывающие более широкий диапазон колебаний плотности тока эмиссии.

Следует указать, что формулы термической эмиссии нужно применять с большой осторожностью. Действительно, в приведен­ ных формулах не учтены специфические свойства дуги и прежде всего большая роль, которую могут играть химические реакции. На роль химических реакций в дуговом разряде в свое время ука­ зывали П. Н. Яблочков и Д. И. Менделеев. В отношении мощной руднотермической дуги ряд выводов сделал М. С. Максименко.

К. К. Хренов, рассматривая сварочную дугу, также высказывает сомнение в чисто термоэлектронной природе освобождения электро­ нов на катоде. Действительно, температура кипения большинства материалов, которые могут входить в состав сварочных электродов, низкая; исключение составляют углерод и железо; углерод «кипит» или распыляется при 4200, а железо — при 3500КЕсли и для ка­ тода дуги воспользоваться постоянными, приведенными в табл. 2, то при угольном катоде и 4200 К плотность тока эмиссии полу­ чается — 2000 А/см2, а для железного катода при температуре, близкой к кипению,— всего только 194 А/см2. Получающееся при этом несоответствие приводит К. К. Хренова к мысли, что в свароч­ ной дуге явления на катоде нельзя исчерпывающе объяснить одной термоэлектронной эмиссией и наряду с последней должна происхо­ дить также электростатическая эмиссия.

В руднотермической печи условия горения дуги сильно отли­ чаются от условий горения сварочной дуги. Печная дуга в тепловом отношении изолирована лучше сварочной, порядок величины токов тоже больше; ток печной дуги измеряется десятками тысяч ампер, в то время как ток сварочной дуги измеряется сотнями ампер. По­ этому температурные условия на катоде печной дуги, несомненно, должны быть лучше, чем на катоде сварочной дуги.

Как было отмечено, в руднотермической печи катодом служат поочередно угольный электрод и расплав.

При переменном токе в течение полупериода, когда катодом служит угольный электрод, по-видимому, условия для термоэлек­ тронной эмиссии вполне благоприятны и она обеспечивает достаточ­ ную плотность тока для поддержания дуги. Но осциллограммы печной дуги показывают, что в течение второй полуволны тока,

32

■ т

Рис. 15. Осциллограммы си­ -т лы тока и напряжения дуги

при:

а — вольфрамово-стальных электродах в среде техни­ ческого аргона; 6 — вольф­ рамово-алюминиевых эле­ кт1ириодахл;, напряжение nuхо-

лостого хода V = 220 В; длина дуги 2,7 мм; в — вольфрамово-магниевых элек тродах в техническом аргоне U = 2000 В; длина дуги 5,2 мм

когда катодом является расплав, дуга горит без значительного вен­ тильного эффекта и, следовательно, в этой полуволне катод дает достаточно высокую эмиссию. В сварочной же дуге запирающий эффект почти всегда ясно выражен. Наличие постоянной составля­ ющей тока и напряжения в сварочной дуге подтверждается рис. 15, а—в> на которых приведены три осциллограммы по данным А. Я. Бродского. На этих осциллограммах сняты сварочные дуги в аргоне. В качестве одного электрода во всех трех случаях служил вольфрам. Вторым электродом были сталь, алюминий и магний. Сравнительно с вольфрамом эти материалы характеризуются низ­ кими точками плавления и испарения. Однако объяснить появление постоянной составляющей тока или напряжения дуги только этим едва ли возможно. Несомненно, низкие температуры плавления и испарения играют роль, но все же основная причина появления постоянной составляющей — усиленное охлаждение основания дуги, обусловленное перемещением дуги вдоль линии сварки. Отметим, кстати, что в случае устойчивой сварочной дуги во второй полуволне, когда вольфрам не является катодом, выделяющаяся мощность больше, чем в первой полуволне и, по-видимому, разница между ними идет на покрытие усиленных потерь в области катода.

В печной дуге тепловые условия и при неугольном катоде значи­ тельно лучше. Поверхность сплава, на которую опирается дуга, находится в жидком состоянии и непрерывно испаряется («кипит»). Так как тепловая изоляция сплава велика, то температура эле­ ментов сплава может быть выше температуры их кипения. Эмити­ рующее катодное пятно не обязательно должно находиться на твер­ дой поверхности электрода. Эмиссия электронов может происходить с поверхности тонкого газового слоя, покрывающего поверхность

жидкого сплава. Температура слоя выше температуры самого сплава. Далее, как будет показано ниже, основание дуги испытывает дав­ ление со стороны столба дуги и при жидком состоянии катода (или анода) на последнем образуются углубления. Благодаря этому еще больше возрастает теплоизоляция жидкого сплава, на который опирается дуга, и повышается температура области катода. Поэтому вентильный эффект в печной дуге проявляется гораздо слабее, чем в сварочной.

Рассмотрим несколько подробнее процесс электростатической эмиссии.

Если к поверхности электрода приложить электрическое поле достаточно высокой напряженности, то эта поверхность начинает испускать электроны. Эмиссия при низкой температуре (до 1000° С) не зависит от температуры и поэтому ее иногда называют холодной, или электростатической, электронной эмиссией.

Напряженность поля, при которой начинается электростатиче­ ская эмиссия, зависит от материалов электрода и состояния его поверхности.

Плотность тока электростатической эмиссии можно подсчитать по эмпирической формуле.

—J^2

этим уравнением и идет гораздо энергичнее. Для иллюстрации отметим, что плотность тока эмиссии для вольфрама при 1800° С в несколько раз больше, чем при 20° С.

Таким образом, если в области катода одновременно существуют оба благоприятствующих фактора — высокая напряженность поля и высокая температура,— то на катоде наблюдаются оба вида эмис­ сии. Плотность тока эмиссии в этом случае определяют по эмпириче­

ской формуле

ь

При Т = 0 она обращается в формулу электростатической эмис­ сии, а при Е = 0 выражает плотность тока термоэлектронной эмис­ сии.

Конечно, не исключена возможность электростатической эмиссии в дуге руднотермической печи, но автор полагает, что тут она играет подчиненную роль.

В целом, механизм прохождения тока в области катода можно охарактеризовать следующим образом.

Электроны, вырываясь с поверхности катода, устремляются в катодное пространство. Получив там достаточное ускорение, они, при столкновении с нейтральными атомами и молекулами газа, ионизируют их. Если предположить, что электроны ионизируют

34

нейтральные частицы при первом же соударении, то толщина ка­ тодного пространства будет приблизительно равна длине свободного пробега электрона.

Таким образом, катодное пространство можно рассматривать как тонкий слой высокого вакуума, на одной границе которого (поверх­ ность катода) расположен источник отрицательных зарядов — элек­ тронов, на второй — источник положительных зарядов — ионов.

Рассмотрим величины, входящие в уравнение (П-5).

Выше было отмечено, что в первом приближении катодную часть разрядного промежутка можно рассматривать как вакуум. При определении напряженности поля такое предположение уже не дает удовлетворительного результата. Подробное изучение процесса показывает, что напряженность поля в катодной части разряда

Если в первом приближении принять s равной длине свободного пробега электрона, то формула для напряженности поля приобретает

При температуре, отличной от нуля, длина свободного пробега электрона определяется формулой

Следует отметить, что свободный пробег электронов больше сво­ бодного пробега молекул и соотношение между ними определяется равенством

одних и тех же условиях температуры и давления. Экспериментальные данные для значения X дают довольно боль­

шой разброс.

В табл. 3 приведены наиболее достоверные значения Хе и Xg для

мулу (П-5) следует рассматривать как приближенную. Остановимся на соотношении токов электронной и ионной про­

водимости в катодной области, которое лучше всего уясняется из энергетических соображений. Поэтому рассмотрим сначала баланс энергии на катоде.

Катод получает энергию от бомбардирующих его положительных ионов, от экзотермических химических реакций между материалом катода и окружающими его газами и (если он подогревается) от по­ сторонних источников.

Катод теряет энергию на термическую эмиссию, отдачу тепла теплопроводностью и излучением, испарение материала катода и поддержание эндотермических химических реакций.

При ударе о катод ион может отдать ему всю свою потенциальную и кинетическую энергию. Но за счет энергии иона совершается и работа выхода электрона, который нейтрализует данный ион. По­ этому максимальная энергия, которую может отдать ион самому катоду, равна разности полной его энергии и энергии выхода элек­ трона.

Если обозначить через 6+ плотность ионного тока, через e0Uk— кинетическую энергию иона, через e0Ut — его потенциальную энергию, через еои вых — работу выхода электрона, то максимальная поверхностная плотность мощности, отдаваемой ионным током ка­

Фактически ионы отдают катоду меньше энергии, так как часть энергии они уносят с собой при отскакивании от катода.

Для поддержания термической эмиссии с катода требуется мощ­

36

Химические, реакции, как эндо-, так и экзотермические, могут значительно исказить баланс энергии на катоде, но влияние их на баланс токов маловероятно.

Поэтому при анализе токов будем исходить из предположения, что процессы протекают в инертной среде без химических реакций. Подогрев катода посторонним источником легко исключить из баланса.

В этом случае в приходной части баланса энергии на катоде остается только энергия, доставляемая ионным током.

Максимальную величину плотности тока на катоде получим, если исключим из расходной части баланса потери остальных видов.

Разделив уравнение (П-10) на (П-11), получим соотношение между электронной и ионной составляющими плотности тока на катоде:

(IM2)

Рассмотрим два примера.

Для угольных электродов в атмосфере азота (L/*=t//= 15,8 В; (/ЕЫХ= 2,5 В) электронный ток получается примерно в пять раз больше ионного; для медных электродов в парах меди ({/* = (/,• = 7,7 В: и вых = 4,3 В) это соотношение равно 2,5.

Существенно важным в этом выводе является то, что ионный ток может дости­ гать 20—30% электронного.

Потери энергии с катода (теплопроводность, излучение, испарение и т. д.) трудно поддаются подсчету, во всяком случае, они повышают долю ионного тока. Нижний предел отношения величин электронного и ионного токов можно получить, если предположить, что каждый электрон, вылетающий из катода вследствие иони­ зации, создает только один-единственный ион. В этом случае отношение электрон­ ного тока к ионному может достигнуть единицы. Можно полагать, что ионный ток в катодном пространстве может составить ~ 1 0 —50% электронного тока.

Для подсчета абсолютной величины плотности тока можем воспользоваться общеизвестной теорией разряда в высоком вакууме с постоянным электрическим полем при наличии объемных зарядов.

Для плотности ионного тока расчетная формула~принимает следующий вид:

Приведенный выше расчет основан на предположении, что толщина катодного слоя равна свободному пробегу электронов и явление ступенчатой ионизации отсут­ ствует. Эти допущения весьма снижают надежность формул. Поэтому эксперимен­ тальные данные иногда значительно расходятся с расчетными величинами.

Общеизвестно, что плотность тока на катоде возрастает с увеличением давления, а эта закономерность в приведенных формулах не находит точного отражения. На рис. 17 дана зависимость плотности тока от давления для катода, выполненного из чистого угля в воздухе. Мы видим, как с увеличением давления плотность тока растет и при атмосферном давлении достигает 450—470 А/см2.

В предыдущих выкладках мы предполагали, что в области катодного падения потенциала отсутствуют химические реакции. Для электропечи это допущение не­ верно. Во всем объеме тигля электропечи, а следовательно, и в области дуги хими­ ческие реагенты присутствуют. Например, при выплавке ферросилиция в области дуги могут находиться в парообразном состоянии кремний, кремниевая кислота

37

и железо. Естественно, что они могут попадать в область катодного падения по­ тенциала. При наблюдаемых в электро­ печи высоких температурах и темпера­ турных градиентах, вероятно, происходят экзотермические и эндотермические реак­ ции, которые в корне могут изменить количественные соотношения приведенных выше выкладок. При современных зна­ ниях о процессах горения дуги едва ли возможно дать какую-либо количествен­ ную оценку этим химическим факторам.

Давление Р, ммpm cm. Отметим только одно: химические ре­ акции не могут влиять на граничные ус­ ловия, и диапазон соотношения электрон­ ной и ионной составляющих тока оста­ нется при всех условиях химических реакций в указанных выше пределах.

Так как дуга электропечи относится к разряду длинных дуг и трансформация энергии в основном происходит в области столба, то явления на катоде дуги постоян­ ного тока существенного значения не имеют. Они приобретают значение при рас­ смотрении процессов, происходящих в дуге переменного тока.

Как известно, физические процессы, протекающие в нейтральном газе, описываются кинетической теорией Больцмана. При протека­ нии в газе электрических токов газ меняет свои физические свой­ ства — он превращается в плазму. Плазмой в широком смысле этого слова называется газ, содержащий некоторое количество ионизи­ рованных частиц, которые создают вокруг себя электромагнитные поля. Поэтому для описания процессов в плазме дуги кинетическая теория Больцмана уже недостаточна. Прежде чем перейти к изуче­ нию столба дуги, рассмотрим некоторые элементарные процессы, протекающие в газах при электрическом разряде. Основными из них являются ионизация и рекомбинация элементарных частиц, а также электризация и диэлектризация газовой среды в целом.

8. Ионизация газов

Ионизацией элементарной частицы (атома или молекулы) назы­ вается процесс, в результате которого на частице возникает электри­

положительные ионы и отрицательные ионы. Если процесс иониза­ ции протекает ступенчато, то в газовой среде образуются еще воз­ бужденные атомы и молекулы, т. е. частицы, у которых увеличена внутренняя энергия без изменения заряда.

Виды ионизации элементарных частиц весьма разнообразны. Рассмотрим основные из них.

А. Контактная ионизация атомов и молекул. Она происходит на границе газовой сферы с ограничивающими ее твердыми и жид­ кими телами. На торцах газового промежутка такими телами яв­ ляются электроды, обладающие разными потенциалами. Поэтому ионизация на этих поверхностях является как результатом ударов электронов о поверхности электродов, так и следствием воздействия

38

электрического поля электродов и приэлектродных частей разряд­ ного промежутка на среду. О них было сказано выше.

Для боковой поверхности разрядного промежутка электрическое поле не играет роли и ионизация элементарных частиц у этих по­ верхностей является результатом их взаимодействия (удара) с эле­ ментарными частицами твердых и жидких веществ, ограничива­ ющих разрядный промежуток.

Так как в электрических печах дуга горит в обширном замкну­ том объеме («тигле») и ограничивающие поверхности находятся далеко от разрядного промежутка, то значение ионизации этого вида для дуги невелико.

Б. Фотоионизация элементарных частиц. Эта ионизация про­ исходит при поглощении атомом излучения.

Как известно, каждый квант излучения обладает энергией

h — постоянная Планка.

Для ионизации элементарной частицы необходима работа иони­

Если av s» ah то очевидно, что в результате поглощения энергии, равной av, атом ионизируется.

Как видно из формулы (II-14), энергия кванта пропорциональна частоте излучения. Для значительной части спектра излучения энергия кванта обычно бывает недостаточной для ионизации газов.

Только энергия квантов при частотах ультрафиолетового излу­ чения и выше становится больше работы ионизации паров щелочных металлов (Са, Na). Большинство же газов и паров металлов не может быть ионизировано в результате однократного поглощения кванта излучения. Однако нейтральные атомы при каждом таком поглоще­ нии приходят в возбужденное состояние. В результате нескольких элементарных процессов атом может, наконец, ионизироваться. Ионизация такого вида называется ступенчатой.

В печных дугах сечение разрядного промежутка очень большое, температуры, господствующие там, также очень велики, особенно

разрядах это наиболее важный вид ионизации. В зависимости от вида соударяющихся частиц различают ионизацию при соударении частиц газа с электронами и частиц газа с ионами.

И о н и з а ц и я п р и с о у д а р е н и и ч а с т и ц г а з а с э л е к т р о н а м и . Работу ионизации можно выразить формулой

Щ = eUt.

39