Электротехнологические установки (стр. 12 из 32)

Термины «разряд», «дуговой разряд» возникли как описание явления потери

«заряда» батареей гальванических элементов или конденсаторов через газы и вакуум.

В большинстве случаев формы существования электрической дуги самые разнообразные, однако сохранилось первоначальное название «дуга», данное этому явлению В. В. Петровым еще в 1802 г. при описании разряда между

горизонтальными электродами в воздухе, когда высокотемпературный газ в межэлектродном промежутке конвективными потоками воздуха изгибался

выпуклостью вверх, принимая форму дуги или арки.

В последние годы все большее количество производственных процессов переводится на дуговой нагрев. Этому соответствует повышение наших знаний о дуговом разряде, найденные возможности регулирования и использования его многочисленных свойств.

Электрическая дуга является одним из явлений, возникающих при прохождении электрического тока через газ, пары или вакуум.

По внешнему признаку и особенностям электрические разряды в газах очень разнообразны. В общем случае их подразделяют на самостоятельные и

несамостоятельные.

В самостоятельных разрядах заряженные частицы в разрядном промежутке образуются за счет энергии источника тока. Для поддержания несамостоятельного

разряда необходимо воздействие внешних факторов, обеспечивающих ионизацию газов. Дуговой разряд или электрическая дуга характеризуется высокой

плотностью тока в канале разряда (порядка 102-106 А/см²), низким катодным

падением потенциала (менее 20 В), высокой температурой газовой среды в межэлектродном пространстве, достигающей в зависимости от условий существования дуги значений порядка (3÷5) 10³ К и выше.

В цепи, состоящей из проводниковых материалов, передача электрической энергии осуществляется электронами. Другое дело, если в цепь включен проводник второго рода. В этом случае прохождение электрического тока по такой цепи сопровождается протеканием сложных явлений, в процессе

которых электроны превращаются в носители электрических зарядов другого вида, а затем снова в электроны.

Изучение протекающих в приэлектродных областях и на электродах процессов и их закономерностей применительно к электротехнологическим установкам преследует две цели:

1) выявление закономерностей переноса теплоты и материала электрода при электродуговой сварке, плазменно-дуговой и плазменной сварке и резке металлов, переплаве металлов в дуговых печах;

2) создание тугоплавких нерасходуемых или малорасходуемых электродов для электродуговых печей, плазменных генераторов (плазмотронов) и т. д. Контакт электрической дуги с электродами происходит в электродных пятнах (катодном и анодном), которые различаются проходящими в них явлениями и элементарными процессами.

Электроды дуговых установок. Электроды дуговых установок, применяемых в технологических процессах, подразделяют на два типа: легкоплавкие и тугоплавкие.

Тугоплавкие электроды изготовляют 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 два вида технологического использования тугоплавких электродов:

1) в технологических процессах, проходящих в установках с

использованием материала электрода (вакуумные дуговые печи). Такие технологические установки называют установками с расходуемым электродом;

2) в технологических процессах, происходящих в установках с нерасходуемыми электродами (электродуговой нагрев различных газов в плазмотронах, вакуумные дуговые печи, некоторые виды сварки и электрической резки металлов).

Рассмотрим электроды, применяемые в электродуговых нагревателях газа.

Рис. 5.3. Конструкция катодного узла плазмотрона

На рис. 5.3 показан вольфрамовый катод, выполненный в виде вольфрамового стержня 1, выступающего на несколько миллиметров из охлаждаемого наконечника 2. Он предназначен для работы в электродуговых нагревателях газа при токах до 100-2000 А в среде аргона, водорода и азота, исключающих присутствие кислорода.

Легкоплавкие электроды используются в технологических процессах с рас- ходуемыми электродами (электродуговая сварка, переплав металлов и их сплавов в вакуумных дуговых печах и др.) и в процессах с нерасходуемыми электродами (нагрев газов в плазмотронах). Кроме указанных случаев электроды из легкоплав- ких металлов, в частности из ртути, применяются в выпрямительных устройствах. Термохимический катод. При горении дуги в активных газах на поверх- ности электродов возможно образование соединений, существенно влияющих на электрофизические свойства электродов - работу выхода, плотность тока эмиссии, температуру поверхности.

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

Так, если температура плавления циркония около 2500 К, то диоксид циркония плавится при температуре около 4800 К.

Рис. 5.4. Температурное поле термохимического катода

Термохимический катод не может работать без взаимодействия с окружающей средой.

Рис. 5.5. Разрез термохимического катода

На рис. 5.5 показан термохимический катод дуговой установки для нагрева газов. В массивную водоохлаждаемую втулку 1 запрессовывается активная вставка из циркония или гафния 2, так как охлаждение ее возможно лишь методом контактного теплообмена.

5.5. Особенности дуги переменного тока

В отличие от дуги постоянного тока дуга переменного тока имеет меняющиеся во времени ток и напряжение: i_д = f(η) и u_д = f(η). При этом дважды за период ток и напряжение дугового разряда проходят через нуль и меняют направление, соответственно меняется и полярность электродов. При этом каждый раз происходит погасание и вновь зажигание электродугового разряда. После угасания дуги в межэлектродном промежутке происходят два процесса: деионизация промежутка (увеличение его диэлектрической прочности) и нарастание потенцила на электродах.

Поскольку дуга дважды за период гаснет и загорается, кривая напряжения имеет пики зажигания и угасания. После зажигания дуги происходит снижение напряжения на ней, поскольку имеет место дальнейшее увеличение тока (по синусоиде) и, следовательно, повышение температуры (падающая вольт-амперная характеристика). После прохождения тока через максимум напряжение на дуге остается практически постоянным и повышается при снижении тока перед погасанием дуги.

Дуга может существовать с паузой тока и без паузы в момент перехода тока через нулевое значение. Продолжительность паузы определяется соотношением процессов нарастания диэлектрической прочности дугового промежутка и напряженности электрического поля между электродами, а также температуры электродов, обеспечивающих эмиссию электронов.

Для облегчения зажигания и непрерывного горения дуги в цепь последовательно с ней включают индуктивность.

Мощность электрической дуги можно регулировать несколькими способами.

1. Изменением напряжения питающей сети при постоянном балластном сопротивлении.

2. Изменением балластного сопротивления при неизменном напряжении источника питания.

Для осуществления этого способа регулирования необходимо иметь сопротивление с переключением ступеней. По сравнению с рассмотренным этот способ менее экономичен, поскольку источник вырабатывает постоянную мощность и при уменьшении мощности дуги избыток энергии рассеивается на балластном сопротивлении.

3. Воздействием на дугу различными факторами, в результате чего изменяются условия ее горения при постоянных напряжениях источника и сопротивления в цепи.

Среди факторов, воздействующих на дугу, отметим такие, как наложение на дуговой разряд магнитного поля, поток газа, изменение давления среды и самой среды, в которой горит дуга, а также изменение длины дугового столба.

Влияние этих факторов на вольт-амперную характеристику рассматривалось при обсуждении баланса энергии электродугового столба.

При питании дуги от индивидуальных источников энергии создание падающей характеристики цепи и регулирование мощности дуги необходимо

производить на стороне переменного тока включением дросселей с регулируемым

индуктивным сопротивлением или изменяемой индуктивностью трансформаторов, входящих в источник питания. Это позволяет повысить КПД системы источник питания - электрическая дуга и увеличить крутизну характеристики питающей

цепи. Более крутые или вертикальные характеристики источников сварочного тока позволяют точнее поддерживать заданное значение тока дуги независимо от изменения условий горения дуги. С этой целью разработаны специальные источники питания дуги - параметрические источники тока, тиристорные преобразователи, применяемые в конкретных установках.

Способы зажигания дуги. В промышленных установках применяются следующие способы возбуждения дугового разряда: импульсное касание электродов; взрыв проводника малого сечения - проволочки; высокочастотный