Электрофизические процессы дугового разряда

Из физики известно, что дуговой разряд является разновидностью самостоятельного электрического разряда в газах или парах, характеризующейся падающей вольт-амперной характеристикой (ВАХ), малым прикатодным падением напряжения U_к(несколько десятков вольт), высокой плотностью разрядного тока J (сотни и тысячи А/см²) и относительно большой силой тока I_д (свыше 1 А).

Дуговой разряд имеет пять областей, где происходят специфические электрофизические процессы и разные энергетические преобразования:

а) катодное пятно,

б) область прикатодного падения напряжения,

в) столб,

г) область прианодного падения напряжения,

д) анодное пятно.

Необходимым условием возникновения и поддержания самостоятельного дугового разряда является эмиссия электронов из катодного пятна.

Этот электрофизический процесс исследовал в 1904–1905 г. русский ученый-электротехник В.Ф. Миткевич, математически описали в 1923 г. английские физики О. Ричардсон (O.W. Richardson) и С. Дэшман (S. Dushman), показавшие зависимость плотности тока эмиссии от температуры (термоэлектронная эмиссия) и работы выхода электрона в виде W_вых = eU_вых, где U_вых – скачок потенциала, составляющий, например, для некоторых материалов катода, В:

в ДСП

углерод.............................................................. 4,7

никель................................................................ 4,5

железо................................................................ 4,3

в ПДП

вольфрам........................................................... 4,5

торий на вольфраме

(«торированный» вольфрам)........................... 2,6

в УЭН

тантал................................................................. 4,2

гексаборид лантана LaB₆................................ 2,66

Термоэлектронная эмиссия характерна для катодов, работающих при температуре порядка 4000…6000 К (например, графитированный электрод в ДСП, вольфрамовый нерасходуемый электрод в ДВП и ПДП).

Преодоление электроном энергетического уровня Ферми* связано с затратой энергии. Поэтому эмиссия – процесс эндотермический, снижающий температуру катодного пятна («эмиссионное охлаждение» катода). Поддержание эмиссионной способности катодного пятна обеспечивают экзотермические электрофизические процессы:

1) преобразование кинетической энергии положительных ионов, попадающих на катодное пятно под действием электрического поля;

2) выделение потенциальной энергии этих ионов при нейтрализации в катодном пятне;

3) теплогенерация по закону Джоуля – Ленца на активном сопротивлении катода при высокой плотности эмиссионного тока.

Эмиссия электронов возможна и при наличии у поверхности катода электрического поля напряженностью 1…10 ГВ/м (автоэлектронная, или туннельная, эмиссия как разновидность холодной эмиссии при прохождении электронов сквозь потенциальный барьер Ферми), например, при пробое газа под действием напряжения U_пр в виде импульса высокого напряжения от осциллятора** (в ПДП).

При плавке металлов с температурой плавления менее 2000 К (например, в ДСП или ДВП с расходуемым электродом) наиболее вероятен механизм термоавтоэлектронной эмиссии, когда внешнее ускоряющее электрическое поле меньшей напряженности (порядка 0,01…1 ГВ/м) при наличии в области прикатодного падения напряжения пространственного положительного заряда, понижающего потенциальный барьер и уменьшающего работу выхода электронов (эффект Шоттки***) позволяет получить необходимые плотности тока эмиссии (порядка 10…50 МА/м²) при более низких температурах (не более 3500 К), соответствующих кипению сталей и сплавов на основе никеля.

В ДСП плотность тока в катодном пятне на графитированном электроде составляет J_к » 2700…2900 А/см² (по данным акад. К.К. Хренова), температура (при атмосферном давлении) примерно 3500 К (при температуре возгонки графита 3900 К), на металле 2300…2400 К (при температуре кипения железа 3020 К).

К катоду прилегает область прикатодного падения напряжения U_к, протяженность которой l_к примерно равна длине свободного пути электронов (табл. 2).

Таблица 2

Длина свободного пути электронов в электропечах разного типа

Показатель	Тип электропечи
ДСП	ДВП	УЭН
Давление, Па	105	102	10–2
Длина свободного пути, мм	10–4...10–3	10–2...10–1	102...103

Прикатодное падение напряжения U_к определяется напряженностью электрического поля E_кв этой области дугового разряда:

U_к = .

В области прикатодного падения напряжения имеет место встречное движение эмитированных электронов в сторону анода (электронный ток переноса) и положительных ионов в сторону катода (ионный ток переноса). Меньшая подвижность ионов, имеющих большую массу, приводит к их накоплению вблизи катода в виде слоя нескомпенсированного пространственного положительного заряда, являющегося причиной скачка потенциала, равного для условий ДСП U_к » 10 В и уменьшающего потенциал работы выхода электрона, например для железного катода до эффективного значения U_вых = 1,55…1,71 В. Это заряд в области протяженностью 10^–4…10^–3 мм создает напряженность 10⁷…10⁸ В/м, обеспечивая ранее рассмотренный механизм термоавтоэлектронной эмиссии.

Под действием электрического поля E_к электроны эмиссии ускоряются, увеличивают свою кинетическую энергию на величину ∆К = eU_к и в результате неупругих соударений в столбе дуги возбуждают и ионизируют (ударная ионизация) нейтральные частицы атмосферы межэлектродного промежутка при условии ΔК ≥ W_инз, где W_инз = еU_инз – энергия ионизации частицы; U_инз – ионизационный потенциал, составляющий, например, для некоторых атомов элементов, присутствующих в атмосфере дугового разряда, В:

в ДСП в ПДП при ионизации:

хром.................... 6,74;.................. однократной водород...... 13,54;

марганец............. 7,40;.............................................. аргон........... 15,68;

железо................. 7,83;.............................................. гелий........... 24,48;

кремний.............. 7,94;.................. двухкратной аргон........... 27,50;

кислород........... 13,60;.............................................. азот............. 29,40;

азот.................... 14,50;.............................................. гелий........... 54,10.

кальций............... 6,10;

Помимо ударной ионизации, в столбе происходит ионизация в результате соударения нейтральных частиц массой M, обладающих достаточной кинетической энергией ∆K теплового движения со скоростью υ_n при нагреве газа до температуры Т (термическая ионизация):

υ_n² ≥ W_инз,

где k = 1,38·10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Обратный процесс – рекомбинация (нейтрализация) заряженных частиц, естественно, связан с выделением энергии, эквивалентной W_инз. Если газоразрядную плазму выделить из межэлектродного промежутка, например, через отверстие в аноде плазменно-дугового генератора (дугового плазматрона*) в виде струи (факела), то плазма может выполнять роль высокоэнтальпийного энергоносителя в ПДП.

Теорию ионизации разработал в 1920 г. индийский физик М. Саха (M. Saha) на основе равновесия процессов ионизации и рекомбинации, а российский ученый В.Л. Грановский в 1952 г. предложил учитывать при определении степени ионизации квантовую статистическую характеристику состояния ионизируемых молекул и образующихся ионов.

Помимо рекомбинации, уменьшение концентрации заряженных частиц в столбе дуги может происходить в результатеих диффузии из межэлектродного промежутка.

Процессу термической ионизации предшествует процесс диссоциации многоатомных молекул газа с поглощением энергии диссоциации W_дис.

Энергия физических процессов теплового движения (W_энт), диссоциации (W_дис) и ионизации (W_инз) характеризует энергетическое состояние (энергосодержание) плазмы дугового разряда W_S:

, (30)

где W_энт – энтальпия плазмы;
W_дис – химическая энергия (энергия диссоциации);
W_инз – электрическая энергия (энергия ионизации).

Термически ионизированная плазма является электрически нейтральной, что характеризуется отсутствием пространственных электрических зарядов, плавным возрастанием потенциала электрического поля и соответствующей величиной продольного градиента в столбе дуги gradU.

Так как основным источником тепловой энергии является теплогенерация за счет электрического тока, протекающего через столб, gradU должен быть таким, чтобы энергия, выделяющаяся в единице длины столба, обеспечивала компенсацию энергозатрат на термическую ионизацию (W_инз) и тепловых потерь столба вследствие теплопроводности, излучения и конвекции. Поэтому величина gradU зависит от:

1) теплового состояния газовой атмосферы в межэлектродном промежутке. В частности, снижение температуры, увеличение расхода плазмообразующего газа в плазматронах, усиление теплоотдачи теплопроводностью при горении дуги в атмосфере водорода или конвекцией при вихревой стабилизации дуги в плазматронах сопровождается увеличением продольного градиента gradU;

2) давления, уменьшаясь с понижением давления в ДВП;

3) электрофизических свойств ионизируемых газов или паров;

4) силы тока дуги I_д, причем характер этой зависимости меняется от условий энерговыделения в столбе и теплообмена с окружающей средой;

5) поперечного сечения столба. При сжатии дуги в плазматронах стенками канала, потоком плазмообразующего газа или магнитным полем градиент напряжения в столбе возрастает.

В дуговых печах градиент gradU составляет (меньшие значения соответствуют большей силе тока), В/см:

в ДСП в ПДП

период расплавления 100…250 аргон, 1700 К 3…5

окислительный период 15…38 аргон, 2000 К 1…2

восстановительный период 7…11 азот 15…20

в ДВП гелий 20…30

переплав стали 0,4…2,0 водород 50…100

По расчетам немецких физиков А. Энгеля (A. Engel) и М. Штеенбека (M. Steenbeck) в 1936 г. температура в столбе дуги, соответствующая минимальному продольному градиенту при условии излучения абсолютного черного тела, может быть

Т ≈ 800 U_инз. (31)

Теоретически возможная температура столба может достигать 3000…20000 К, особенно в условиях использования инертных газов и аэродинамической стабилизации дугового разряда в ПДП.

Вблизи анода электроны, поступающие из столба дуги, получают дополнительную кинетическую энергию за счет энергии внешнего электрического поля. Анод может не обладать способностью к эмиссии положительных ионов (при высокой температуре кипения материала анода). Поэтому в области прианодного падения напряжения электрический ток создают исключительно электроны (электронный ток переноса), в результате чего возникает нескомпенсированный пространственный отрицательный заряд и соответствующее электрическое поле напряженностью E_а, характеризуемое прианодным падением напряжения U_а :

где l_а – протяженность области прианодного падения напряжения, измеряемая долями миллиметра.

В ДСП U_а ≈ 30 В.

При дуговом разряде на аноде происходят физические процессы, составляющие сущность электронного нагрева (см. гл. VI, § 4), в частности, ускоренные электроны внедряются в кристаллическую решетку материала анода, в результате чего их кинетическая энергия рассеивается в виде тепла в анодном пятне, вызывая локальное повышение температуры и эрозию анода.

Температура анода выше температуры катода и для ДСП на графитированном электроде составляет 4200…4500 К, что вызывает повышенный торцевой износ в результате сублимации (возгонки) графита, на металле - порядка 2500…2600 К, что ниже температуры кипения железа. Плотность тока в анодном пятне составляет
J_а ≈ 300 А/см² (по данным акад. К.К. Хренова). Такая разная плотность тока определяет различие размеров электродных пятен.

Дуговые печи работают на постоянном токе прямой полярности для снижения торцевого износа электрода – катода (ДСП ПТ и ПДП), имея более высокую температуру на металле – аноде для эффективного нагрева и плавления металлошихты (ДСП ПТ и ПДП с огнеупорной футеровкой) и рафинирования жидкого металла (ДВП и переплавные ПДП с кристаллизатором).

Сумма прикатодного и прианодного падения напряжения для технологических условий ДСП представлена в табл. 3.

Таблица 3

Падение напряжения в приэлектродных областях дугового разряда в ДСП

Технологические условия	Напряжение, В, по данным
К.М. Хасина	Н.В. Окорокова, А.В. Егорова	В. Швабе (США) (W. Schwabe, USA)
Плавление твердой шихты	16…22		Нет свед.
Конец расплавления	25…35	Нет свед.	То же
Восстановительный период	35...46		40…50

Зная распределение потенциала вдоль дуги (рис. 10), можно определить:

напряжение на дуге U_д

U_д = U_к + gradUl_стб + U_а; (32)

длину дуги l_д (при атмосферном давлении l_к ≈ l_а≈ 0)*

l_д ≈ l_стб = [U_д – (U_к + U_а)]/gradU. (33)

Выражения (32) и (33) показывают возможность регулирования электрического режима ДСП изменением длины дуги (точнее, межэлектродного расстояния в результате передвижения электрода).

Рис. 10. Потенциальная диаграмма дугового разряда

С учетом рассмотренных электрофизических процессов дугового разряда в дуговых печах применяют следующие способы зажигания дуги:

1) сближение подвижного электрода до контакта с металлом и последующее размыкание этого контакта, в результате чего происходит локальный нагрев контактирующих поверхностей под действием силы тока короткого замыкания (КЗ) цепи (режим эксплуатационного КЗ в ДСП, ФСП и ДВП) и создаются условия для термо- и термоавтоэлектронной эмиссии;

2) электрический пробой промежутка между неподвижными электродами под действием напряжения зажигания U_прб (в ДСП при достаточной температуре газовой фазы) или специального импульса высокого напряжения от осциллятора (в ПДП);

3) повышение электрической проводимости межэлектродного промежутка (в ПДП) с помощью закорачивающей проволоки (искусственное КЗ), вспомогательного разряда («дежурная» дуга), электромагнитного излучения высокой интенсивности (лазерное излучение), легкоионизируемых добавок и т.п.