CC BY
29
ff iff:« 111
ffBffe;
ffffffff; 1Ж ill
ш
УДК 621.387.143
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАЛОЭРОЗИОННЫХ ПУСКОВЫХ РЕЖИМОВ ПОЛЫХ КАТОДОВ ВАКУУМНЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ
III А.В.Чередниченко, Л.К.Павленко, М.В.Чередниченко
s Новосибирский государственный технический % 1 университет А.П.Кислое
Павлодарский государственный университет
\ им. С.Торайгырова
¡¡¡¡f
■ >, | Куысгпы вакуумды плазмотрондардыц цосцыштарын
if| эксперименталдьщ зерттеу м1неч<)емес1 сипатталган. Катодтардыц эрозияга ушырауныц кей 6ip жолдары сипатталган. Олардыц режимЫк керсеткштерге байланысты взгеру1 царастырылган.
Рассматриваются результаты экспериментальных исследований пусковых характеристик полых катодов вакуумных плазмотронов. Приводится анализ зависимостей интенсивности эрозии катодов от
¡1
11
§§1 .- . х
9У//УУУ?.
шш
шш
ЩЖ режимных параметров и конструктивного исполнения вакуумных плазмотронов.
1 - The results of experimental researches of starting characteristics of hoi-
¡11
low cathodes of vacuum plasmotmns are considered in this paper. The analysis of intensity dependencies of erosion of cathodes upon schedule parameters and constructive performance of vacuum plasmotmns is presented in the article.
1. Постановка задачи
Возможности использования шений [1]. Однако общей и важней-вакуумных плазмотронов в различ- шей характеристикой всех вакуумных технологических процессах, та- ных плазмотронов, независимо от ких как переплав и рафинирование конкретной конструкции, является реакционных металлов и сплавов, ресурс непрерывной работы полого обработка порошковых материалов катода.
(сфероидизация, плакирование и На сегодняшний день не су-
т.д.) предопределило и значительное ществует четкого определенного
количество их конструктивных ре- критерия качества термокатода.
Например, в работе [2] в качестве такого критерия использовалось отношение работы выхода % к удельной теплоте испарения материала — Х/У • Качество работы катодов определялось по минимуму этого соотношения. Несмотря на простоту, этот критерий дает только очень приближенные сравнительные характеристики катодов. Это связано с упрощенным представлением эрозионных процессов, которые в действительности носят более многоплановый характер.
Для создания более приемлемого описания рассматриваемых процессов логично использовать критерий, называемый удельной эрозией q [3, 4]. Он определяется как скорость уноса массы катода на единицу тока, протекающего через катод [кр./Кл].
Интегральные эрозионные характеристики вакуумных плазмотронов определяются, в основном, рабочей температурой катода, поверхностной плотностью тока и параметром 7/4/. Первые два параметра имеют сложную зависимость от тока разряда, расхода плазмооб-разующего газа, геометрии катода и др. Помимо этого, они обладают ярко выраженной зависимостью от продольной координаты катода. Вследствие этого, теоретический расчет эрозионных характеристик не может быть выполнен с требуемой точностью. Величину удельной эрозии можно определить экспериментальным путем. Именно этот параметр имеет особое значение для оценки качества и длительности непрерывной работы катода.
2. Исследование характеристик тлеющего разряда с полым катодом в пусковых режимах
Известно, что электротехнологическое использование вакуумных плазмотронов осуществляется в дуговых режимах. Для вывода плазмотронов в эти режимы катод должен быть разогрет до температуры начала интенсивной термоэмиссии на его рабочей поверхности. Взаимодействие плазмы с поверхностью катода определяет его эрозионные хар актер истики.
Эрозия катода по определению является нестационарным процессом. Наибольшая эрозия характерна для наиболее неустойчивого режима — режима запуска катода. Запуск разряда с полым катодом и
вывод его в рабочий режим осуществлялся с помощью источника питания, имеющего максимальное рабочее напряжение 500 В. При включении источника питания и подаче плазмообразующего газа между анодом и катодом возникает тлеющий разряд [5].
Среди существующих способов поджига дуги с полым катодом наиболее благоприятным является запуск и вывод разряда в рабочий режим через аномальный тлеющий разряд, так как эрозия катода при таком режиме может быть сведена к минимуму. В то же время, такой режим крайне неустойчив, а при зна-
чительном отклонении параметров от заданной величины "срывается" в дуговой разряд с контрагирован-ным пятном на внутренней поверхности трубки катода. При этом катодное пятно быстро перемещается по поверхности полости катода в сторону торца и в случае цилиндрической поверхности, как правило, переходит на като до держатель.
Анализ результатов экспериментов с катодами, выполненными из цилиндрических трубок, показал, что при реализации режимов нормального тлеющего разряда обеспечивается устойчивость режимов горения разряда при внутренних диаметрах трубок свыше 12 мм, при длине не менее 80 мм. При этом в полной мере реализуются режимы горения, соответствующие правой ветви кривой Пашена [5] вблизи ее минимума. Измерение токов с наружной поверхности трубки (катода) и давления газов в этой области подтверждают вывод, сделанный в [5], что в этой области развитие процессов определяется левой ветвью кривой Пашена и, следовательно, наблюдается несамостоятельный разряд при напряжениях ниже порога зажигания нормального тлеющего разряда. Для указанных геометрических соотношений (¿/¡>12 мм, 1>80 мм) катодов нормальный тлеющий разряд можно было плавно переводить в режимы аномального разряда с интегральным током выше 10 А. Методика проводимых экспериментов соответствовала работе [5]. Напряжения зажигания нормального тлеющего разряда в атмосфере аргона для катодов, выпол-
ненных из тантала или вольфрама, лежали в диапазонах от 220 В до 260 В, что вполне соответствует диапазону изменения напряжений на экспериментальных кривых Пашена [5], полученных для стержневых катодов.
Существенное снижение напряжения горения нормального тлеющего разряда (более чем в 2 раза) обнаружено при уменьшении внутреннего диаметра трубки катода ниже 12 мм. Для исследуемого диапазона параметров тлеющего разряда в [5] получено значение протяженности (ширины) прикатодного темного пространства ¿=0,7410"2 м для конфигурации разрядного промежутка "стержень-плоскость". Это дает возможность предположить, что при уменьшении диаметра поло -сти катода {(1<2(1) дальние от поверхности катода границы темногс пространства смыкаются, что и приводит к снижению напряжения существования самостоятельного тлеющего разряда.
Установленный экспериментально факт снижения напряжения горения самостоятельного разряда при уменьшении диаметра внутренней полости катода существенно повлиял на конструктивное исполнение промышленных катодов к позволил обеспечить оптимальные режимы разогрева катодов больших диаметров. На рис.1 приведен эскиз промышленного полого катода специальной конструкции с диаметром полости <* имеющего конусный переход к горловине с диаметром с1г
Величина диаметра горловины йг в значительной мере опреде-
ляет начальное напряжение горения тлеющего разряда. На рис.2 приведена зависимость напряжения горения тлеющего разряда от диаметра горловины, полученная из серии экспериментов по методике, изложенной в [5]. Как видно из характеристики, с уменьшением этого диаметра существенно снижается напряжение горения, уменьшается вероятность появления дуговых привязок на наружной поверхности катода. Обозначим напряжение зажигания
разряда в полости катода и"ол ■ Для
режима разогрева катода рабочее давление в камере электропечи устанавливается не выше р-МО-3 мм.рт.ст. Это давление определяет развитие процессов на наружной поверхности катода, и, следовательно, напряжение зажигания
Рис. 1. Схема полого катода с сужающейся горловнной
разряда на этой поверхности и"ар
будет определяться левой ветвью кривой Пашена с параметром рЧ(1<0,\ (см-мм.рт.ап.). Режим разогрева катода аномальным тлеющим разрядом выбирается таким образом, чтобы обеспечить диапазон напряжений и"ол < и"ар с кратностью и"ол I и"ар < 0,7 ■ При таких
условиях в пусковых режимах снаружи катода самостоятельный разряд возникать не может, что способствует проведению разогрева катода только за счет разряда в полости катода с меньшей вероятностью возникновения контрагированных пятен.
Построение алгоритма управления рабочими режимами разогрева катодов основывается на исходном значении энергии запуска <2зап, необходимой для повышения температуры катода Тк массой тк до температуры появления термоэмиссии с учетом зависимости удельной изобарной теплоемкости материала катода Ск от температуры, т.е.
йшп = СК(ГК) ■ тк(Тк ~Т0). Непрерывный контроль вводимой в разряд энергии 0зап = 1 -Vк(Тк)-т позволяет проводить вычисление текущей температуры катода с учетом известной зависимости IIк = /(Тк). Устройство запуска катодов в рабочий режим включает систему слежения и стабилизации тока источника питания, обеспечивающую отключения тока в цепи на время, необходимое для ликвидации возникающих дуг с контрагированными ка-
ип3°\в
260
220
180
10 (¡г, мм
Рис.2. Зависимость напряжении зажигания тлеющего разряда о г диаметра горловины катода
тодными пятнами По величине это время должно быть меньше тепловой постоянной времени остывания катода 0 ), т. е. I <<1 . Это
^ V т'' откп т
обусловило высокую стабильность разогрева катодов и позволило обеспечить уровень эрозии катодов в
Рис.3. Зависимость напряжения на катоде от времени при увеличении температуры катода
пусковых режимах не более 1410-9кг/Кл.
На рис. 3 приведена зависимость рабочего напряжения на катоде от температуры катода ик = f(Тк) и его изменение во време-
ни. Напряжение на катоде в диапазоне времени ^ соответствует режиму горения аномального тлеющего разряда при температуре до 1000° С. При возникновении в этот период контрагированных катодных пятен, что сопровождается резким увеличением тока, система защиты катода отключает источник пигания на время, достаточное для деионизации межэлектродного (прикатодного) промежутка и распада плазмы вблизи катода, но недостаточное для значительного понижения температуры катода. Этот режим аналогичен показанному на рис.3 в периоды времени 121:4 (:6 и т.д. При достижении температуры катода Г =1000°С рабочее напряжение на разряде снижается в соответствии с зависимостью ик~/(Тк), полученной на основании анализа кривых Пашена. Снижение напряжения на катоде
итг > ич >иТ1 и т.д. может проводиться без отключений, если источник питания позволяет это осуществлять. В этот период разогрева катода существенно увеличивается коэффициент вторичной эмиссии g,
что способствует возникновению микропробоев в прикатодной области с возникновением локальных микродуговых разрядов, перемещающихся по внутренней поверхности катода. При токах порядка 10 А появление микр о дуговых разрядов в прикатодной области не приводит к дестабилизации аномального тлеющего разряда и существенному увеличению эрозии поверхности катодов из-за их многочисленности и относительно малых токов в единичных микродугах. По мере разогрева катода до температуры появления тока термоэмиссии разряд скачком переходит в режим дугового разряда с полым катодом, который характеризуется диффузионной (распределенной) катодной привязкой с прикатодным падением потенциала 20—-30 В. При увеличении рабочего тока до 10 кА напряжение на разряде повышается до 90-100 В. Оптимизация пусковых режимов полых катодов позволяет сократить время запуска катодов до 1—2 минут при сохранени величины эрозии катодов не выше МО"9 кг/Кл.
3. Исследование влияния процессов в столбе тлеющего разряда на пусковые режимы плазмотронов с полым катодом
Как показали исследования процессов, происходящих при запуске разряда с полым катодом, на режим запуска может существенно влиять структура течения плазмооб-разующего газа в пространстве между катодом и анодом. При подаче газа в полость катода на выходе из последней образуется сверхзвуковое истечение, характером которого оп-
ределяется интенсивность запуска. В экспериментах с цилиндрическим катодом наблюдалось, что разряд зажигался при возникновении ударной волны вблизи поверхности анода. Так, при малом расходе газа и большом расстоянии между катодом и анодом, когда ударная волна отсутствует, разряд не зажигается даже при увеличении напряжения
выше минимума кривой Пашена [5]. При сохранении малого расхода и межэлектродного расстояния разряд можно зажечь, увеличивая давление в камере печи. Однако при этом практически не удается избежать дуговых привязок на наружной поверхности катода и катододержате-ля, что крайне нежелательно.
При оптимальном расстоянии между полым катодом и анодом и минимальном расходе газа, при котором возникает тлеющий разряд, форма его приобретает колоколооб-разный вид, который принято назы-
вать диффузным. С повышением расхода газа вблизи выходного отверстия катода образуются боковые ударные волны, и тлеющий разряд начинает сжиматься, т.е. частично контрагироваться. При дальнейшем увеличении расхода плазмообразу-ющего газа ударная волна начинает отходить от анода и разряд переходит из диффузной формы в кон-трагированную. Этот процесс перехода можно увидеть на рис.4. На фотографиях также видны ударные волны и замыкающая ударная волна вблизи анода.
Рис.4. Процесс перехода столба тлеющего разряда го диффузной формы в контрагированную при увеличении расхода газа через катод: а) 6=33,2- Ю-6 кг/с; б) в=4810" кг!с-, в) 6=64,8-10" кг/с; г) 6=94-10" кг!с
Обычно в режимах запуска маломассивных катодов ток разряда не превышает 10—15 А. Поэтому электродинамика не играет существенной роли и контрагирование разряда имеет в большей степени тепловую природу. Напряжение на разряде по мере разогрева катода падает до 60—70 В. При этом катодное пятно сосредотачивается в месте перехода полости от большего диаметра к меньшему. Дальнейшему продвижению пятна вглубь полости препятствует поток плазмооб-разующего газа, истекающего из горловины. Образующаяся в этом случае плазма разогревает поверхность катода до появления тока термоэмиссии. Напряжение на разряде при этом уменьшается до 20—30 В, а сам разряд переходит в стабильно горящую дугу при низком напряже-
нии, т.е. выходит в рабочий режим.
После зажигания разряда роль плазмообразующего газа сводится к созданию достаточно высокой плотности носителей зарядов в полости катода. При малой плотности катодная привязка контрагиру-ет в локальное катодное пятно, так что разряд начинает гореть в парах материала катода, а при большой плотности разряд также контраги-рует в локальное катодное пятно вследствие тепловых эффектов. Таким образом, в пусковом режиме для существования тлеющего разряда имеется некоторый оптимум расхода плазмообразующего газа, зависящий от конструкции катода, расстояния между катодом и анодом и рабочего давления в камере электропечи.
4. Пусковые режимы массивных полых катодов
Существенным ограничением изложенного способа запуска полых катодов в режимы дугового разряда является снижение удельной плотности теплового потока на катодах тлеющего разряда с увеличением площади рабочих поверхностей катодов. Как было установлено [6], для повышения мощности разряда необходимо увеличивать диаметр полости катода. При этом увеличивается масса катода тк и интегральная энергия запуска При увеличении катодов до размеров, имеющих диаметр полости более 6-10 2 м, зажигание тлеющего разряда и вывод катода в устойчивый рабочий режим оказывается практически невозможным.
Разработанные технические решения для организации пусковых режимов катодов большого диаметра и массы основываются на результатах исследований характеристик зажигания и развития самостоятельных разрядов в полых катодах малых размеров. В частности, была исследована каскадная схема массивного катода, в полости которого ус-танав лив а ется в спо м огательный пусковой катод. На рис.5 показан вспомогательный катод (1), установленный в катододержатель (2) и находящийся в полости рабочего катода (3). Вспомогательный катод имеет небольшие размеры и легко выходит в рабочий режим. Истека-
ющая из его полости плазма способствует возникновению разряда с поверхности основного катода. Температура вспомогательного катода за 10—15 с достигает термоэмиссионного диапазона, что способствует интенсификации нагрева основного катода. При этом эрозия основного катода в пусковом режиме не превышает (1-2)-Ю-9 кг/Кл.
Описанный порядок вывода в рабочий режим полых катодов большой мощности является методом, практически определяющим научную сущность направления технического развития таких конструкций. Обеспечение работоспособности массивных полых катодов во многом определяется умением обеспечивать их вывод
в рабочий режим. Сущность этих методов следует из основных принципов реализации и поддержания эффекта полого катода.
При исследовании пусковых режимов значение удельной эрозии определялось следующим образом Измерялась полная потеря массы катода Т)тк за многократные разог-ревы катода путем взвешивания до и после каждого опыта, длительность которых менялась от 40 до 6С) минут. Рассчитывалась расходная потеря массы по выражению:
тпуск ~ Iп ■ гср , где Атк —потеря массы за п-с количество запусков; 1ср - (к +с2 + ...+ *„)/и—среднее время одного запуска.
Рис.5. Схема размещения основного и
вспомогательного катодов
Рис. 6. Зависимость пусковой эрозии от диаметра полости катода
Так как рабочий ток / известен, то значение удельной эрозии
вычислялось как я = гппуСк I1 ■ Исследование пусковых режимов показало, что на величину удельной эрозии при запуске катода существенно влияет диаметр полости (рис.6), что хорошо согласуется с результатами, полученными в работе [6]. Как видно из графика, удельная эрозия
уменьшается с ростом диаметра полости, причем значительное уменьшение эрозии наблюдается при малых диаметрах. Использование способов, позволяющих запустить катод практически любой конструкции и на любую мощность в течение 40-100 с, привело к тому, что в оптимальных режимах доля пусковой эрозии в общем объеме потери массы катода стала несущественной.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чередниченко М.В., Зырянов С.А., Чередниченко A.B., Павленко Л.К. Анализ развития конструкций вакуумных плазменных электропечей/ Сб. научн. тр.: Экологически перспективные системы и технологии.—Новосибирск: Изд-во НГТУ,—2000.—№ 1(4).
2. Кудинцев Г.А., Мельников А.И., Морозов A.B., Никонов Б.П. Термоэлектронные катоды.—М.: Энергия, 1966.
3. Жуков М.Ф., Коротеев A.C., Урюков Б.А. Прикладная динамика термической плазмы.—Новосибирск: Наука, 1975.
4. Нейман В. Приэлектрод-ные процессы в газовом разряде высокого давления // Экспериментальные исследования плазмотронов.— Новосибирск: Наука, 1977.
5. Чередниченко А.В.Пуско-вые режимы полых катодов вакуумных пазмотронов в тлеющем разряде.—Научный вестник НГТУ.— 2000,—№ 1(8).
6. Чередниченко B.C., Чередниченко М.В. Вакуумные плазменные электропечи с полььми катодами: Учеб. пособие — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999.
