Электроды дуговых установок

Электроды дуговых установок, применяемых в технологических процессах, подразделяются на 2 типа: легкоплавкие и тугоплавкие.

Тугоплавкие электроды изготавливают из графита и материалов на его основе, металлов, имеющих высокую температуру плавления – вольфрам, молибден, тантал и др., используя их способность выдерживать большие тепловые потоки и обеспечивать высокий уровень плотности тока термоэлектронной эмиссии.

Можно выделить 2 вида технологического использования тугоплавких электродов:

1. в технологических процессах, проходящих в установках с использованием материала электрода (вакуумные дуговые печи) – называются установки с расходуемым электродом;

2. в технологических процессах, происходящих в установках с нерасходуемыми электродами (электродуговой нагрев различных газов в плазмотронах, электрическая резка металлов и др.)

Рассмотрим электроды, применяемые в электродуговых нагревателях газа.

Рис. Конструкция катодного узла плазмотрона

На рис. показан вольфрамовый катод, выполненный в виде вольфрамового стержня 1, выпускающего на несколько миллиметров из охлаждаемого наконечника 2. Он предназначен для работы в электродуговых нагревателях газа при токах 100 – 2000 А в среде аргона, водорода и азота, исключающих присутствие кислорода.

Легкоплавкие электроды – используются в технологических процессах с расходуемыми электродами (электродуговая сварка, переплав металлов и их сплавов и д.р.) и в процессах с нерасходуемыми электродами (нагрев газов в плазмотроне). Для увеличения срока службы нерасходуемых электродов предусмотрено быстрое перемещение электродного пятна по их поверхности. Это может достигаться аэродинамическим воздействием на дугу газового потока, воздействием на дугу внешним магнитным полем или механическим перемещением электрода.

Термохимический катод

При горении дуги в активных газах на поверхности электродов возможно образование соединений, существенно влияющих на электрофизические свойства электродом – работу выхода, плотность тока эмиссии, температуру поверхности.

Термохимическим катодом называют электрод, активная зона которого образуется при взаимодействии материала электрода с окружающим газом, расходуется во время работы и регенерируется по мере разрушения.

Анализ свойств лантаноидов (цирконий, гафний и д.р.) показал, что благодаря наличию соединений, сохраняющихся при довольно высоких температурах и являющихся высокоэффективными электродами, эти металлы наиболее перспективны для создания термохимического катода.

При горении дуги на поверхности электрода (цирконий, гафний или лантан) на катоде в присутствии кислорода образуется оксиды металлов, которые характеризуются более высокой температурой плавления, чем у исходных металлов (температура плавления циркония  2500 К, у диоксида циркония  4800 К).

Рис. Разрез термохимического катода

Электрическое сопротивление диоксида циркония с повышением температуры падает от 110⁴ Оми при температуре 700 К до 0,1 Омм при температуре 2300 К. Катодное пятно на цирконии или гафнии, покрытых слоем оксидов, не перемещается и представляет собой концентрированную тепловую нагрузку. Вследствие низкой теплопроводности материала ограничивается значение действующего в пятне теплового потока (около 0,8 кВт для циркония и 1,5 – 2 кВт – для гафния). Стабилизации электродного пятна на цирконии способствует пониженное значение работы выхода материала поверхности электрода (для циркония  4,5 эВ, для диоксида циркония – 2,3 эВ).

На рис. показан термохимический катод дуговой установки для нагрева газов. В массивную водоохлаждаемую втулку запрессовывается активная вставка из циркония или гафния, так как охлаждение ее возможно лишь за счет теплопроводности. Допустимая плотность тока на цирконии – 50 – 60 А/мм².