Тепловые потоки к электродам в приэлектродных пятнах столь ве­лики, что без перемещения пятен по электродам происходило бы их интенсивное разрушение. Поэтому во всех плазмотронах большой мощ­ности, рассчитанных на достаточно длительную работу, приэлект - родные части дуги перемещаются по электродам. Перемещение осу­ществляется или с помощью магнитного поля, или потоком нагре­ваемого газа. Для плазмотронов большой мощности обычно приходится перемещать дугу магнитным полем, поэтому обратимся, главным обра­зом, к процессам, происходящим на медных электродах при движении по ним электрической дуги под действием магнитного ПОЛЯ.

8.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛА, ПОСТУПАЮЩЕГО К МЕДНЫМ ЭЛЕКТРОДАМ ОТ ДУГИ, ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Для того чтобы выделить теплоту, поступающую в электроды не­посредственно через приэлектродные пятна (т. е. теплоту, связанную непосредственно с протеканием тока), из всей теплоты, поступающей в электрод, применена специальная методика.

На установке рельсотрон (см. рис. 3.1) нижний электрод был сменным и имел переменную форму и размеры. В первой серии экспе­риментов был использован медный пруток прямоугольного сечения длиной 300 мм и шириной Ь = 0,9 и 2,0 мм, как показано на рис. 8.1, а. Электрод имел защитные экраны, не позволяющие нагре­тому дугой газу отдавать теплоту боковым поверхностям электрода. Эта мера оказалась необходимой, так как без экранов количество те­плоты, поступающей в электрод, оказывалось существенно большим, чем при наличии экранов. Экраны изготовляли из пенопласта и при-

клсивали к боковым поверхностям электродов. На длине около 100 мм экраны имели такую форму поперечного сечения, что касались боковой поверхности электрода острой кромкой, как показано на рис. 8.1, поэтому утечки теплоты были незначительными. При давлениях 8 МПа и более пенопластовые экраны быстро разрушались, в дальнейшем они были заменены асбоцементными. Посредине электрода заделывалась хромель-копелевая термопара из термоэлектродов диаметром 0,2 мм. В результате однократного пробегания дуги температура электрода по­вышалась на АТ. По повышению температуры определялось количество теплоты, отданной в электрод, cpFAT (сир- соответственно удель­ная теплоемкость и плотность меди, F - площадь поперечного сечения электрода).

После достижения максимальной температуры показания термопары изменялись незначительно в течение нескольких секунд, что позво­ляло считать утечки теплоты малыми. Зная скорость перемещения ду­ги, которая измерялась в каждом опыте, можно определить тепловой поток в электрод:

Q = cpFATv.

Если теплота от дуги идет только через приэлектродныс пятна, что связано с переносом зарядов, а плотность тока не зависит от силы тока, то теплота, поступающая в электроды, пропорциональна силе тока дуги. В этом случае удобно ввести вольтовый эквивалент теплоты

All = .

Результаты обработки экспериментов при различных давлениях представлены на рис. 8.2. Каждая точка получена осреднением че­тырех экспериментальных значений. При давлениях до 1 МПа рас­стояние между электродами составляло 15 мм. При давлении 8 МПа расстояние пришлось уменьшить до 3 мм, так как дуга горела неу­стойчиво.

При увеличении скорости движения дуги и увеличении давления количество теплоты, поступающей в электрод, заметно увеличивалось, что связано с ростом конвективной составляющей теплового потока.

Считая, что на единицу площади электрода шириной Ь = 0,9 мм и 6 = 2 мм поступает одинаковое количество теплоты, связанной с конвекцией и излучением, можно записать, например, для катода

AUt = kbt * AU ; At/ = jto * All.

1 1 к 2 2k

Аналогичное выражение получается для анода. Рассчитанные значения AU и AU приведены на рис. 8.2. Видно, что как ДІ/ , так и АН

к а к а

остаются приблизительно постоянными независимо от изменения дав­ления AU = 7 В и AU = 11 В.

к а

Вторая серия экспериментов проведена на специальном секциони­рованном электроде, конструкция которого показана на рис. 8.1, г. Секции электрода шириной 0,9 мм каждая были изолированы друг от друга с помощью слоя слюды толщиной не более 0,2 мм. Ток во всех опытах подводили только к секции № 4 и одновременно производили калориметрирование секций № 4, 5 и 6. Между секциями № 3, 4, 5, 6 и 7 имелся воздушный зазор на длине 60 мм. Чтобы гарантировать воздушный зазор между этими секциями, через каждые 20 мм устанав­ливались небольшие бумажные вставки длиной около 1 мм. Высота электродов на участке 30 мм до и после термопары была уменьшена до 3 мм.

На секцию № 5 поступает только тепло, обусловленное конвек­тивным и лучистым переносом. Будем считать, что на секции № 4 ко­личество конвективной и лучистой теплоты такое же, как на соседней секции. Вычитая эту теплоту, получим теплоту, идущую непосредст-

венно через приэлектродные пятна. Примеры распределения теплоты по секциям на аноде и катоде показаны на рис. 8.3. Результаты экспе­риментов при атмосферном давлении приведены в табл. 8.1.

В среднем AU = 7 В, a AU = 11 В. Зависимость AU и AU от

к а к а

скорости движения дуги отсутствует. Результаты экспериментов при 244

различных давлениях приведены на рис. 8.4. Здесь же приведены данные рис. 8.2. Хотя разброс данных достаточно большой, но при­близительно можно оценивать количество теплоты, переносимое не­посредственно в приэлектродных пятнах, принимая Д1/^ = 7 В и AU^ =

Анод I-70SА V=Mm/c

Рис. 8.3. Распределение тепло­ты по секциям электрода от ду­ги, движущейся под действием магнитного поля

В последней серии экспериментов было проведено исследование по

выявлению влияния оксидной пленки на значения AU и AU. В элек-

к а

тродуговых плазмотронах в результате пробегания дуги поверхность покрывается оксидной пленкой, и в дальнейшем дуга должна пробегать по окисленной поверхности. Для выяснения влияния оксидной пленки электрод шириной 1 мм с экраном перед первым пуском тщательно полировался. Затем примерно на одном и том же режиме проводилась серия запусков. Опыты показали, что состояние поверхности от пуска к пуску существенно изменялось. Перед последним пуском вся по­верхность электрода была покрыта оксидной пленкой и следами оплавления. Результаты калориметрирования показали, что состояние поверхности не сказалось в пределах погрешности измерений на тепловой поток как в анод, так и в катод.