Институт Теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (ИТ СО РАН)
630090, г. Новосибирск, пр. ак. Лаврентьева, 1
Лаборатория электротехнологий
Аньшаков Анатолий Степанович
Тел. (383) 330-80-92
Тел/факс (383) 330-84-80
e-mail: anshakov@itp.nsc.ru
Исследование и разработка термохимического катода с длительным ресурсом
работы
В электродуговых плазмотронах малой и средней мощности (50 - 200 кВт), используемых для нагрева воздуха и других кислородсодержащих сред, а также для воздушно-плазменной резки металлов, широко используются термохимические составные катоды (рис.1). Эмиттером электронов в таких катодах служат циркониевые или гафниевые вставки, впаянные или запрессованные в медное водоохлаждаемое тело.
Из формулы Ричардсона-Дешмана следует, что с ростом тока дуги растет температура рабочей поверхности термокатода. Тепловой поток, поступающий от дуги в катод, прямо пропорционален силе тока дугового разряда. Таким образом, основным параметром, влияющим на температуру поверхности термохимической вставки, является ток дуги. Кроме того, на длительность работы катода влияют диаметр и длина цилиндрической вставки, теплофизические свойства окислов и нитридов гафния (циркония), давление рабочего газа, интенсивность охлаждения, тепловой контакт вставка – медное тело, количество пусков и многое другое.
Экспериментальные исследования тепловых потоков в термохимический катод и его эрозии при изменении тока дуги от 50 до 500 А, диаметра гафниевой (циркониевой) вставки от 1,6 до 4 мм и условий охлаждения электрода позволили количественно оценить ресурс работы катода от тока в воздушной среде (рис.2).
Для повышения ресурса термохимического катода предложен и испытан модифицированный катод (рис.3).
Он отличается от катода с одиночной термовставкой (рис.1) тем, что в медное
тело помимо центральной вставки впрессованы еще три радиальных стержня через
120о. Диаметр центральной вставки dk =
2,5 мм, боковых – 1,6 мм.
Результаты экспериментов по определению удельной эрозии катода с 4-мя вставками приведены на рис.4 (они отмечены треугольниками). Большой разброс данных обусловлен тем, что кроме износа центральной гафниевой вставки при запусках плазмотрона происходит также унос меди с катододержателя.
В модифицированном катоде после выработки центральной вставки катодное пятно распределяется на все 4 вставки.
Анализ характера износа катода показывает, что при этом площадь привязки опорного пятна дуги в 1,5 раза больше, чем при одной центральной вставке. Плотности тока и теплового потока снижаются. В связи с этим уменьшается температура рабочей поверхности вставок, что должно положительно отразится на их эрозии. Эксперименты подтверждают это. Большинство экспериментальных точек (рис. 4, отмечено знаком ▲) лежат ниже, чем для катода с одиночной вставкой (рис. 4, отмечено знаком о). Ресурс такого катода с 4-мя вставками выше, чем с одной вставкой как за счет снижения величины удельной эрозии, так и за счет увеличения массы гафниевых вставок. Средняя эрозия катода при работе плазмотрона в стационарном режиме при токе 150 – 300 А и рассчитанная по глубине выработки вставок за 25 часов работы, составляет около 10-11 кг/Кл. Ресурс электрода при токе 200 А оценивается в 90 часов, что существенно больше, чем у катода с одиночной вставкой.
Испытания такого же катода на плазменном резаке с диаметром сопла 3,2 мм при токе 260 А в пусковом режиме (48 запусков по Δt=5 минут) показали, что величина удельной эрозии составляет ≈8·10-11 кг/Кл (рис. 4, значок ▅). Это несколько выше, чем в стационарном режиме, так как пусковая эрозия термохимических катодов много больше, чем в стационарном режиме, да и давление в плазменном резаке выше, чем в линейной плазмотроне. В производственных условиях ресурс катода с 4-мя вставками (I=320 А) в плазменном резаке составляет ≥6 часов, что почти в 2 раза выше, чем показано на рис. 2 для одиночной Hf-вставки.
