Характеристика приэлектродных областей и протекающих в них процессов

Изучение протекающих в приэлектродных областях и на электродах процессов преследует 2 цели:

1. Выявление закономерностей переноса теплоты и материала электрода при электродуговой сварке, плазменно-дуговой и плазменной сварке и резке металлов, переплавки металлов в дуговых печах;

2. Создание тугоплавких нерасходуемых и малорасходуемых электродов для электродуговых печей, плазменных генераторов (плазмотронов) и т.д.

Контакт электрической дуги с электродами происходит в электродных пятнах (катодом и анодом), которые различаются проходящими в них явлениями и элементарными процессами.

Из прикатодных участков плазмы ионы движутся к катоду и разогревают его за счет передачи энергии нейтрализации и собственной кинетической энергии. Таким образом, у поверхности катода образуется положительный электрический заряд, а у поверхности анода – отрицательный. При прохождении заряженных частиц через эти пространственные заряды образуется анодное и катодное падение потенциалов.

Выделяющаяся на аноде мощность

Q_a = I_g(V_a + , (1)

где I_g – ток дуги, А; V_a – анодное падение потенциала, В;  - работа выхода электрона, эВ.

Анодное падение потенциала зависит от материала анода, температуры его плавления (повышается с ростом температуры) и величины тока.

Мощность, выделяющаяся на катоде

Q_к = I_g(V_к + , (2)

где V_к – катодное падение потенциала, В.

Для катода работу выхода электрона  берут со знаком «-», так как электрон, покидающий катод, уносит с собой энергию и катод охлаждается.

Плотность тока в электродных пятнах зависит и от материала электрода. Например, на вольфрамовом и угольном электроде плотность тока в катодном пятне J_к = (3  5) 10³ А/см². Для легкоплавких катодов J_к = 10³ – 10⁴ А/см².

Рассмотрим баланс энергии на электродах. Энергию, поступающую в электрод, можно представить состоящей из компонентов:

1. внутреннего источника q_v = I²R (джоулева теплота, выделяющаяся на границе электрода с плазмой);

2. внешнего источника, связанного с приходом электрических зарядов на электрод;

3. излучения плазмы дуги;

4. конвективного нагрева окружающим газом;

5. теплоты от экзотермических реакций материала электродов с окружающими газами.

Рассмотрим каждую из этих составляющих.

Рис. Схема линий тока на границе дуговой столб – электрод

1. На рис. показаны линии тока, по которым электрический ток проходит из электрода в столб дуги. Область, в которой концентрируются токовые линии, расположена непосредственно под электродным пятном и характеризуется повышенной плотностью тока. Мощность объемного источника тепла в этом случае равна

q_v = 0,48(2/3r³)^I2/,

где r – радиус пятна, м;  - проводимость материала электрода, Ом^-1м^-1.

2. Энергия внешнего источника теплоты, обусловленная мощность, выделяющаяся в приэлектродных областях, определяющихся по формулам (1), (2).

3. Мощность излучения определяется по формуле радиационного теплопереноса

Q = Т⁴,

где  - постоянная Стефана – Больцмана;  - степень черноты.

4. Выделение теплоты за счет конвективного теплопереноса наблюдается в том случае, когда высокотемпературный газ обтекает электрод.

5. Теплота, обусловленная протеканием на электродах экзотермических реакций, зависит от химической активности системы плазма – материал электрода.

Теперь рассмотрим пути отвода энергии от электродов:

1. За счет теплопроводности в тело электрода.

2. В результате уноса теплоты при испарении и разбрызгивании электрода.

3. В результате уноса энергии электронами, которые эмиттируют разогретые поверхности электродов. Вышедшие из электродов частицы обладают определенной энергией, которую они уносят с собой:

W_к = I_е,

где  - работа выхода; I_е – электронный ток (в случае выхода ионов I_i – ионный ток).

4. За счет отвода теплоты от электродов излучением вследствие того, что электродные пятна имеют высокую температуру.