6 - Дуга постоянного тока.ppt

них электрического тока. В обычных условиях газ не электропроводен и

для протекания тока необходимо создания определенных условий. В первую очередь они связаны с появлением в объеме газа электрических зарядов и наличием электрического поля, обеспечивающего их перемещение. Источниками заряженных частиц является отрицательный электрод, поставляющий с помощью различных процессов в разрядный промежуток электроны, и процессы ионизации нейтрального газа, протекающие в промежутке при взаимодействии частиц.

Газовые разряды разделяются на
самостоятельные и несамостоятельные

частиц и их кинетическая энергия под действием электрического поля уже

становится достаточной для ионизации газа. Разряд постепенно переходит в стадию самостоятельного сначала «темного», а потом тлеющего разряда (участок 3-4). При дальнейшем росте напряжения разряд через стадию аномального тлеющего разряда (участок 4-5) переходит к искровому (5-6), а затем к дуговому (7).

не только значениями напряжения и плотностей тока, но и разным

характером распределения зарядов внутри промежутка. Если при тлеющем разряде внутри промежутка существуют явно выраженные нескомпенсированные заряды и плазма разряда неравновесна, то при дуговом разряде нескомпенсированные электрические заряды сосредоточены только в приэлектродных областях, а основной промежуток (т.н. положительный столб) квазинейтрален. Отличительной особенностью дугового разряда является низкие приэлектродные падения потенциала, сравнимые с потенциалом ионизации газа в промежутке. Это объясняется тем, что действующие в дуге механизмы эмиссии электронов с катода обеспечивают почти полную величину тока разряда. В тлеющем же разряде для обеспечения необходимого электронного тока требуется резкое увеличение прикатодного падения потенциала (до сотен В).

количество свободных электронов, однако они не могут покинуть поверхность из-за

наличия потенциального барьера. Для освобождения электрона ему необходимо придать дополнительную энергию, равную работе выхода Необходимо, чтобы Wкин.эл. ≥ Wвых .

катода); - автоэлектронная (за счет высокой напряженности поля). При ДСП проявление видов

эмиссии неодинаково в разные полупериоды. При нахождении катода на угольном электроде из-за высокой температуры торца (4200К) jтэ ~ 200 А/см2, а для кипящей стали (2500К) – 0,02 А/см2. Поэтому в полупериод, когда катодом является металл сильно развита и автоэлектронная эмиссия. Особенно сильно это выражено в период расплавления. Это явление является основой вентильного эффекта в дуге.

счет повышения температуры катода и увеличения скорости и амплитуды теплового

движения

.
Интенсивность термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала катода и описывается уравнением Ричардсона-Дэшмана, где

- плотность тока термоэлектронной эмиссии; Т- температура

А и В - коэффициенты, зависящие от материала электрода

ионами. Нейтрализуясь на поверхности катода, ионы отдают свою энергию и

разогревают его. Средняя температура катода зависит от агрегатного состояния материала электрода и ограничена температурой плавления для плавящегося катода, испарения для жидкого либо температурой сублимации для графита (4200 К). Так, в дуговых вакуумных печах температура катода из вольфрама составляет 3000К, а из стали – всего 1800К. При этом плотность тока термоэлектронной эмиссии для вольфрама составит 22 А/см2, а для стали 4.10-3 А/см2.

напряженностью 106 – 107 В/см, то электроны могут быть оторваны

от катода и без повышения температуры. Такая эмиссия называется электростатической или автоэлектронной. По уравнению Фаулера и Нордгейма плотность тока автоэлектронной эмиссии равна

где Е- напряженность электрического поля около катода; коэффициенты А2 и В2 зависят от материала электрода.

Автоэлектронная эмиссия в чистом виде проявляет себя лишь при температурах до 10000К. В электротермических установках эти температуры значительно выше и поэтому в них присутствуют оба вида эмиссии.

разное. Для вакуумных дуговых печей при плавке тугоплавких металлов основная

часть тока определяется термоэлектронной эмиссией, а при ВДП стали и титана – автоэлектронной. При ДСП явления эмиссии неодинаковы в разные полупериоды. При нахождении катода на угольном электроде из-за высокой температуры торца (42000К) плотность тока термоэлектронной эмиссии составляет около 2 . 103 А/см2. Когда же катод в другой полупериод переходит на стальную шихту, то плотность тока термоэлектронной эмиссии резко снижается до

Необходимость привлечения автоэлектронной эмиссии к протеканию тока в разряде приводит к изменению приэлектродных процессов и электрических характеристик дуги в разные полупериоды. Это явление является основой вентильного эффекта в дуге при протекании переменного тока.

атомов и тяжелых ионов между собой из-за теплового движения).
Деионизация:
Рекомбинация ионов;
Диффузия

ионов из столба дуги.

Локальное термическое равновесие стационарной дуги (ЛТР) при равенстве скоростей ионизации и деионизации. Степень ионизации, определяющая проводимость промежутка зависит от давления и температуры.

горящие и обжатые (плазменные). 2. Дуги с холодным и горячим катодом.

Это разделение по преимущественному влиянию вида эмиссии (автоэлектронной или термоэлектронной). 3. По роду среды в разрядном промежутке – дуги в газах и в парах. 4. По характеру взаимодействия катода и анода дуги разделяются на длинные и короткие. Длинные – когда процессы на К и А протекают независимо. Короткие – когда существует тесная взаимосвязь.. 5. По роду тока – постоянного тока (стационарные дуги) и переменного тока (квазистационарные дуги). 6. По давлению – атмосферного (ДСП) и пониженного (вакуумные).

Фрелиха

изменения электропроводности плазмы дуги от температуры
Качественный характер изменения электропроводности плазмы

дуги от температуры

– теплопроводность; 2 – излучение; 3 – конвекция, объемное охлаждение

дуги во время плавки, мс

Расплавление 0.1-0.5
Доплавление 1.0
Окисление 3.0
Рафинирование, 5.0