Способы зажигания дуги

В промышленных установках применяются следующие способы возбуждения дугового разряда: импульсное касание электродов; взрыв проводника малого сечения – проволочки; высокочастотный высоковольтный пробой дугового промежутка.

1. При касании электродов под напряжением в точке их касания в переходном контакте выделяется тепловая энергия, вызывающая расплавление участка электрода. При последующем разведении мостик из расплавленного металла взрывается. Под действием электрического поля между электродами горячие участки электрода эмитируют электроны, увеличивающие ионизацию продуктов электрического взрыва жидкого металла и создают цепь тока через образовавшуюся плазму. При ожидаемом токе дуги более 50 А скорость разведения электродов не должна превышать 0,01 м/с.

2. В случаях, когда электроды неподвижны или бросок тока, возникающий при их замыкании, превосходит допустимые пределы, зажигание дуги производится включением источника питания на закороченные тонким проводником электроды или электроды, находящиеся под напряжением, замыкаются тонкой проволокой. Для успешного возбуждения дуги, необходимо, чтобы проволочка взрывалась при токе, близком к номинальному току дуги. Материал проволочки должен иметь высокую температуру плавления, чтобы после взрыва температура продуктов взрыва была близкой к температуре плазмы дугового разряда

3. Зажигание дуги импульсным пробоем дугового промежутка, находящегося под напряжением источника питания дуги, производится с помощью осциллятора. Осциллятор – это преобразователь тока промышленной частоты низкого напряжения (60 – 220 В) в ток высокой частоты (150 – 500 кГц) высокого напряжения (2 – 8 кВ).

Принципиальная схема осциллятора показана на рисунке.

Рис. Схема осциллятора

В его состав входят: повышающий трансформатор Тр1 с выходным потенциалом 3 – 8 кВ, искровой разрядник Р, высокочастотный трансформатор Тр2, токоограничивающее сопротивление R, емкости С_к и индуктивности L_к, создающие колебательный контур КК, выделяющий из широкого спектра частот, генерируемых искровым разрядом частоту 150 – 500 кГц, необходимую для пробоя промежутка и безопасную для человека.

Элементы L и С препятствуют попаданию высокой частоты в питающую сеть, емкость С_б препятствует попаданию напряжения источника питания дуги в обмотку высокочастотного трансформатора.

Лекция №13

Процессы переноса в дуговых и плазменных электротехнологических установках

Технический прогресс в современной промышленности связан с применением электротехнологии и расширяющимся применением электронагрева как факторами повышения производительности труда и улучшения качества продукции. Значительное место в этом процессе в ведущих отраслях промышленности (металлургии, химии, машиностроении) занимает плазменная технология. Основными достоинствами плазменного нагрева является: высокие концентрации энергии и как следствие высокая скорость протекания технологических процессов, компактность технологического оборудования, возможность автоматизации и гибкость управления ходом процесса.

Дуговой разряд в том виде, как мы его описывали ранее, применялся в электросталеплавильных печах, в электросварке. Перенос энергии в таком разряде, обусловленный свободной или естественной конвекцией и излучением, отличается слабой направленностью и сравнительно малой концентрацией энергии (до 10⁵ кВт/м²) в рабочем объеме. Это не позволяло существенно интенсифицировать и расширить область применения дугового нагрева.

Чтобы найти пути интенсификации нагрева сильноточным электрическим разрядом, необходимо проанализировать этот разряд как источник нагрева и оценить эффективность нагрева электрическим разрядом в различных условиях.

Дуговой разряд состоит из трех областей: прикатодной, прианодной и столба дуги. Для промышленного применения используются так называемые длинные дуги, эффективность нагрева в которых обусловлена, прежде всего, процессами переноса и преобразования энергии в плазменном столбе. Именно плазма столба дугового разряда, ее свойства, параметры и характеристики определяют скорость и эффективность преобразования энергии электрического поля в тепловую энергию газа. В свою очередь направленность и эффективность переноса тепла от столба дуги к нагревательному изделию определяется процессами и законами теплопередачи в рабочем пространстве установки дугового нагрева.

Таким образом, процесс преобразования и переноса энергии при нагреве изделия электрической дугой можно разбить на два этапа:

1. Преобразование энергии электрического поля в тепло в плазме столба дугового разряда.

2. Передача тепла от плазмы столба нагревательному изделию.

Суть первого процесса заключается в том, что электрическое поле, характеризуемое напряженностью Е в столбе дугового разряда, прежде всего, воздействует на наиболее подвижный компонент плазмы – свободные электроны. Эффективность этого воздействия определяется силой

F = eE.

При столкновении с атомами и ионами электроны будут терять часть приобретенной от поля кинетической энергии

  W_e/W_e  2,4 m_e/M,

где W_e – доля кинетической энергии W_e, теряемая электронами при столкновении с частицей, массой М.

Кинетическая теория плазмы различает упругое и неупругое столкновение частиц.

Упругими называется столкновения, происходящие без изменения внутреннего состояния сталкивающихся частиц. Вероятность столкновения частиц рода  с частицами рода  в объеме плазмы оценивается сечением столкновения. Пусть частицы  в объеме плазмы обладают некоторой средней скоростью V, а частицы  неподвижны и их концентрация в объеме равна n_. Тогда полное сечение столкновения частиц  с частицами  можно определить как

Q_  _ n_V,

где _ - частота столкновений частиц  и .

Полное сечение столкновения является как бы площадью круга, расположенного перпендикулярно и вокруг вектора скорости V, попав в который частица испытывает столкновение, в результате чего изменяется ее скорость V.

С помощью сечения столкновения можно определить длину свободного пробега частицы , обладающей скоростью V:

 = V/_ = 1/( n_Q_)

Электроны испытывают упругие столкновения в плазме, как с нейтральными атомами, так и с заряженными частицами – ионами. В общем виде сечение столкновения электронов зависит от скорости или энергии электронов W_e.

Упругие столкновения электронов с нейтральными частицами плазмы называются близкодействующим взаимодействием в отличие от дальнодействующих взаимодействий заряженных частиц.

Размер (радиус) области, за пределами которой заряд частицы в плазме экранируется, получил название дебаевского радиуса

r_D = ,

где ₀ – электрическое постоянная, ₀ = 8,85410^-12 Ф/м; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура (для столкновений, в которых участвуют электроны Т = Т_е); n_e – концентрация электронов.

Введем понятие радиуса сильного взаимодействия заряженных частиц r_s, при котором потенциальная энергия кулоновского взаимодействия определяемая потенциалом

  е²/r,

равна половине кинетической энергии налетающей частицы:

r_s = е²/(_V²),

где _ = m_m_/(m_ + m_).

Обозначим логарифм отношения дебаевского радиуса и радиуса сильного кулоновского взаимодействия через L:

L = ln r_D/r_s = ln .

Логарифм L получил название кулоновского логарифма.

 = 3(4₀kT)^3/2/2e³(n)^1/2  T^3/2/e³n^1/2

В соответствии с введенными обозначениями сечения упругого взаимодействия заряженных частиц, м², можно рассчитать по формулам:

Q_ee = 6,2510^-27(e²/m_eV²)²L_e;

Q_ei = 1,5610^-27(e²/m_eV²)²L_i;

Q_ii = 6,2510^-27(e²/m_eV²)²L_i.

Неупругие столкновения электронов с атомами в плазме приводят к перестройке электронных оболочек атомов. Минимальная энергия, необходимая для возбуждения атомов газа, примерно составляет 10 эВ, для паров металла 4 эВ. Вследствие этого неупругие столкновения являются основным источником потерь энергии электронами в плазме сильноточного разряда.

Неупругое взаимодействие электронов с атомами газа в плазме связано с одним из основных видов передачи тепла от плазмы столба к изделию – излучением. Потери энергии излучением в зависимости от условий делятся на 2 вида: излучение в линиях и излучение в сплошной части спектра. Излучение в линиях определяется связанным переходом атомного электрона с одного дискретного энергетического уровня на другой. Переход может быть спонтанным и вынужденным (индуцированным). Фотоны спонтанного излучения возбужденного атома имеют изотропное распределение по направлениям в пространстве. Направление и фаза фотона вынужденного излучения совпадают с направлением и фазой индуцирующего фотона.

Излучение плазмы в сплошной части спектра определяется излучением свободными электронами проводимости плазмы и вызываемая процессами торможения свободных электронов при столкновениях с ионами и атомами (тормозное излучение) и процессами рекомбинации в объеме плазмы (рекомбинационное излучение).

Если проинтегрировать по всем длинам волн суммарный спектр излучения плазмы, то получим полное излучение плазмы.

Таким образом, на основе анализа элементарных процессов в плазме столба сильноточного разряда можно описать механизм передачи тепла от разряда к нагреваемого изделию в плазменных ЭТУ.

Плазменные ЭТУ по виду изделия можно разделить на 2 группы: 1) плазменные ЭТУ для высокотемпературного нагрева газа в потоке, в которых нагреваемый газ обдувает плазменный столб сильноточного разряда; 2) плазменные ЭТУ для нагрева и плавки металлов, в которых изделие – металл является на постоянном токе анодом.

На рис. представлена схема преобразования и передачи энергии в плазменных ЭТУ. При плазменном нагреве газа действуют только 1-й, 2-й и частично 4-й каналы передачи энергии изделию.

Электронный газ в единице объема в единицу времени получает от электрического поля напряженностью Е в плазме столба энергию

W_e = en_eVE,

которая преобразуется в кинетическую энергию электрона

W_ek = 3/2 kT_e + mV_e²/2,

где V_e – скорость дрейфа электронов вдоль силовых линий поля напряженностью Е.

Кинетическая энергия электронов в свою очередь передается при столкновениях тяжелым компонентам плазмы – атомам или ионам, преобразуясь либо в кинетическую энергию теплового движения атомов и ионов, либо в потенциальную энергию возбужденных ими ионизированных атомов, которые спонтанно или в результате процессов столкновения девозбуждаются или рекомбинируют, излучая энергию в линиях или континууля спектра.

При нагреве газа в плазменных ЭТУ тепло от плазмы столба сильноточного разряда передается изделию теплопроводностью, конвекцией и частично излучением. В плазменных плавильных ЭТУ при нагреве металла – анода перенос тепла к изделию определяется теплопроводностью, конвекцией, излучением и непосредственной передачей аноду кинетической и потенциальной энергии электронов

q_ek = j/e(3/2 kTe + mV_e²/2)

q_cp = j/e e_A  j_A,

если электроны проникают в материал анода через поверхность.

В плазменных ЭТУ для нагрева газа в потоке как теплоносителя основной цепочки, определяющей эффективность преобразования и направленность переноса энергии, является следующая последовательность процессов в плазме: энергия электрического поля – кинетическая энергия электрического компонента – упругие столкновения электронов плазмы с атомами и ионами – теплопередача от тяжелого элемента плазмы в зоне проводимости столба теплопроводностью. Неупругие столкновения электронов и связанное с ними излучение плазмы определяют в основном непроизводительный расход энергии ввиду прозрачности нагреваемого газа.

В плазменных ЭТУ для нагрева и плавки металла – анода ход преобразования энергии и теплоотдача будут определятся следующей последовательностью процессов: энергия электрического поля – кинетическая энергия электронов плазмы столба – упругие столкновения электронов плазмы с атомами и ионами – теплопередача от тяжелого элемента плазмы теплоносителю в зоне проводимости столба – теплообмен между теплоносителем и поверхностью металла – анода. Кроме того, изделию будет непосредственно передаваться кинетическая энергия и потенциальная энергия электронного компонента плазмы.

Прямая передача тепла изделию излучением в плавильных плазменных ЭТУ отличается слабой направленностью и поэтому неэффективна. Роль излучения может быть повышена только благодаря применению третьего замкнутого излучающего тела, например, керамической футеровки.

В результате, с учетом приведенных выше формул уравнение энергетического баланса для электронов единичного объема плазмы столба сильноточного разряда запишется в виде

en_eV_eE = q_изл + 3/2k(T_e – T_m)n_e_эфф

или E² = q_изл + 3/2k(T_e – T_m)n_e_эфф, (а)

где  - удельная электрическая проводимость плазмы; _эфф – эффективная частота упругих столкновений электронов с тяжелыми компонентами плазмы.

_эфф = _eQ_emn_m,

где Q_em – сечение упругого столкновения электронов с тяжелым компонентом плазмы; n_m – концентрация тяжелого компонента плазмы; _e – средняя тепловая скорость электронов.

Из формулы (а) следует, что основной особенностью плазмы сильноточного разряда при интенсивных тепловых потоках в плазменных ЭТУ является обязательное постоянное превышение температуры электронов Т_е над температурой тяжелого компонента плазмы T_m = T_a = T_i. Так как имеет место постоянный уход энергии из столба, плазма не находится в тепловом (T_m  T_е) и термодинамическом равновесии.

Для интенсификации нагрева электрическим разрядом необходимо увеличивать плотность электрического тока j и напряженность поля Е. Но плотность тока в свою очередь также зависит от Е. Поэтому увеличение напряженности поля Е и напряжения разряда V_р являются основными факторами интенсификации нагрева. В соответствии с формулой (а) напряженность поля Е возрастает с увеличением оттока тепла от тяжелых компонентов плазмы. Этого можно достичь, например, применяя принудительный обдув столба дуги газом – теплоносителем. В этом случае, чем эффективнее теплообмен между плазмой и теплоносителем, тем больше значение Е и интенсивнее нагрев разрядом.

С другой стороны, принудительный обдув столба дуги газом увеличивает эффективность и направленность процесса переноса тепла к изделию благодаря повышению роли конвективной теплоотдачи.

Таким образом, обдув столба сильноточного дугового разряда интенсифицирует процесс нагрева, увеличивает направленность переноса тепла к изделию, приводит к повышению температуры и коэффициентов переноса плазмы дугового разряда. Эти процессы позволяют говорить об имеющей место стабилизации разряда потоком газа.

Отток тепла от плазмы столба можно увеличить охлаждением разряда холодными твердыми стенками камеры, максимально приближая их к зоне проводимости столба разряда. Этот принцип стабилизации сильноточного дугового разряда называется стабилизацией стенки. Однако из-за существенных непроизводительных потерь тепла на холодные стенки этот принцип стабилизации в чистом виде не получил применения в плазменных ЭТУ.

При нагреве потока газа – теплоносителя в плазменных ЭТУ применяется как продольный, так и поперечный обдув дуги. Такие плазмотроны называются струйными. Принципиальные схемы струйных плазмотронов с поперечным и продольным обдувом показаны на рис.

Современные струйные плазмотроны достигают мощности в несколько сотен КВА и позволяют нагревать газовый теплоноситель до 5000 – 6000 К. Температура плазмы столба дуги в струйном плазмотроне достигает (2 – 2,5)10⁴К.

Столь же эффективна интенсификация нагрева с помощью стабилизации дуги потоком газа в плавильных и сварочных ЭТУ. Причем для переноса энергии от катода к аноду более интенсивно необходимо продольное обдувание дуги. В плазменно – дуговых печах эффективность переноса и передачи тепла изделию – аноду определяется конвективным переносом тепла и применением керамической футеровки как замкнутого излучателя.

Рис. Схема плазмотрона с поперечно обдуваемой дугой:

1, 2 – электроды; 3 – дуга; 4- линии магнитного поля; 5 – направление

потока газа; 6 – направление движения дуги; 7 – соленоид.

Рис. Схемы плазмотронов с продольной обдуваемой дугой: (а) – однокамерный плазмотрон; (б) – плазмотрон с межэлектродными вставками; (в) – плазмотрон с пористой вставкой; (г) – плазмотрон с уступом канала; 1, 2 – электроды; 3- пористая вставка; 4- дуга; 5 – поток газа; 6 – выход нагретого газа; 7 – вставные секции.

Лекция №14