Файл: Сисоян, Г. А. Электрическая дуга в электрической печи.pdf

ческая эмиссия, чему благоприятствуют большие плотности токов дуги.

Столб и анодное пространство термоэлектронной и электроста­ тической дуг мало отличаются друг от друга.

Характер протекания тока в дуге в основном определяется фи­ зическими процессами, проходящими на границе электродов с раз­ рядным промежутком и в самом разрядном промежутке. Поэтому остановимся подробнее на этих процессах.

7« Катодная область дуги

Выше мы определили печную дугу как термоэлектронную, по­ лагая, что ток у катода в основном поддерживается термоэлектрон­ ной эмиссией.

Рассмотрим теперь этот вопрос несколько подробнее.

Впервые мысль о термоэлектронной эмиссии с катода электриче­ ской дуги была высказана В. Ф. Миткевичем в 1905 г. Им же были поставлены опыты, которые подтвердили эту мысль.

В настоящее время явление термоэлектронной эмиссии изучено

представляет собой дальнейшее развитие первой и выведена Дешменом. Несмотря на то, что в первую формулу входит множитель 7"/*, а во вторую Г 2, разница в результатах расчетов получается небольшая, так как зависимость плотности тока от температуры в основном определяется степенным множителем. Практически обе эти формулы равноценны. В табл. 2 приведены постоянные электрон­ ной эмиссии для некоторых элементов.

ТАБЛИЦА 2

ПОСТОЯННЫЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

31

Формулы, характеризующие электронную эмиссию, показывают, что с увеличением температуры ток эмиссии растет очень быстро. Так, например, для вольфрамового катода в вакууме плотность тока эмиссии при 1500К составляет всего 10-7 А/см2, а при темпера­ туре 3500К повышается до 225 А/см2, т. е. увеличивается более, чем в 109 раз.

В печной дуге, как правило, одним электродом является уголь, а вторым — жидкий сплав. Многочисленные измерения показывают, что при угольной дуге в области катода господствует высокая темпе­ ратура. Так, например, для угольной дуги в атмосфере азота тем­ пература катода составила ~ 3600° С, что соответствует току эмис­ сии от 500 до 800 А/см2. Можно было бы привести и другие примеры, показывающие более широкий диапазон колебаний плотности тока эмиссии.

Следует указать, что формулы термической эмиссии нужно применять с большой осторожностью. Действительно, в приведен­ ных формулах не учтены специфические свойства дуги и прежде всего большая роль, которую могут играть химические реакции. На роль химических реакций в дуговом разряде в свое время ука­ зывали П. Н. Яблочков и Д. И. Менделеев. В отношении мощной руднотермической дуги ряд выводов сделал М. С. Максименко.

К. К. Хренов, рассматривая сварочную дугу, также высказывает сомнение в чисто термоэлектронной природе освобождения электро­ нов на катоде. Действительно, температура кипения большинства материалов, которые могут входить в состав сварочных электродов, низкая; исключение составляют углерод и железо; углерод «кипит» или распыляется при 4200, а железо — при 3500КЕсли и для ка­ тода дуги воспользоваться постоянными, приведенными в табл. 2, то при угольном катоде и 4200 К плотность тока эмиссии полу­ чается — 2000 А/см2, а для железного катода при температуре, близкой к кипению,— всего только 194 А/см2. Получающееся при этом несоответствие приводит К. К. Хренова к мысли, что в свароч­ ной дуге явления на катоде нельзя исчерпывающе объяснить одной термоэлектронной эмиссией и наряду с последней должна происхо­ дить также электростатическая эмиссия.

В руднотермической печи условия горения дуги сильно отли­ чаются от условий горения сварочной дуги. Печная дуга в тепловом отношении изолирована лучше сварочной, порядок величины токов тоже больше; ток печной дуги измеряется десятками тысяч ампер, в то время как ток сварочной дуги измеряется сотнями ампер. По­ этому температурные условия на катоде печной дуги, несомненно, должны быть лучше, чем на катоде сварочной дуги.

Как было отмечено, в руднотермической печи катодом служат поочередно угольный электрод и расплав.

При переменном токе в течение полупериода, когда катодом служит угольный электрод, по-видимому, условия для термоэлек­ тронной эмиссии вполне благоприятны и она обеспечивает достаточ­ ную плотность тока для поддержания дуги. Но осциллограммы печной дуги показывают, что в течение второй полуволны тока,

32

■ т

Рис. 15. Осциллограммы си­ -т лы тока и напряжения дуги

при:

а — вольфрамово-стальных электродах в среде техни­ ческого аргона; 6 — вольф­ рамово-алюминиевых эле­ кт1ириодахл;, напряжение nuхо-

лостого хода V = 220 В; длина дуги 2,7 мм; в — вольфрамово-магниевых элек тродах в техническом аргоне U = 2000 В; длина дуги 5,2 мм

когда катодом является расплав, дуга горит без значительного вен­ тильного эффекта и, следовательно, в этой полуволне катод дает достаточно высокую эмиссию. В сварочной же дуге запирающий эффект почти всегда ясно выражен. Наличие постоянной составля­ ющей тока и напряжения в сварочной дуге подтверждается рис. 15, а—в> на которых приведены три осциллограммы по данным А. Я. Бродского. На этих осциллограммах сняты сварочные дуги в аргоне. В качестве одного электрода во всех трех случаях служил вольфрам. Вторым электродом были сталь, алюминий и магний. Сравнительно с вольфрамом эти материалы характеризуются низ­ кими точками плавления и испарения. Однако объяснить появление постоянной составляющей тока или напряжения дуги только этим едва ли возможно. Несомненно, низкие температуры плавления и испарения играют роль, но все же основная причина появления постоянной составляющей — усиленное охлаждение основания дуги, обусловленное перемещением дуги вдоль линии сварки. Отметим, кстати, что в случае устойчивой сварочной дуги во второй полуволне, когда вольфрам не является катодом, выделяющаяся мощность больше, чем в первой полуволне и, по-видимому, разница между ними идет на покрытие усиленных потерь в области катода.

В печной дуге тепловые условия и при неугольном катоде значи­ тельно лучше. Поверхность сплава, на которую опирается дуга, находится в жидком состоянии и непрерывно испаряется («кипит»). Так как тепловая изоляция сплава велика, то температура эле­ ментов сплава может быть выше температуры их кипения. Эмити­ рующее катодное пятно не обязательно должно находиться на твер­ дой поверхности электрода. Эмиссия электронов может происходить с поверхности тонкого газового слоя, покрывающего поверхность

жидкого сплава. Температура слоя выше температуры самого сплава. Далее, как будет показано ниже, основание дуги испытывает дав­ ление со стороны столба дуги и при жидком состоянии катода (или анода) на последнем образуются углубления. Благодаря этому еще больше возрастает теплоизоляция жидкого сплава, на который опирается дуга, и повышается температура области катода. Поэтому вентильный эффект в печной дуге проявляется гораздо слабее, чем в сварочной.

Рассмотрим несколько подробнее процесс электростатической эмиссии.

Если к поверхности электрода приложить электрическое поле достаточно высокой напряженности, то эта поверхность начинает испускать электроны. Эмиссия при низкой температуре (до 1000° С) не зависит от температуры и поэтому ее иногда называют холодной, или электростатической, электронной эмиссией.

Напряженность поля, при которой начинается электростатиче­ ская эмиссия, зависит от материалов электрода и состояния его поверхности.

Плотность тока электростатической эмиссии можно подсчитать по эмпирической формуле.

—J^2

этим уравнением и идет гораздо энергичнее. Для иллюстрации отметим, что плотность тока эмиссии для вольфрама при 1800° С в несколько раз больше, чем при 20° С.

Таким образом, если в области катода одновременно существуют оба благоприятствующих фактора — высокая напряженность поля и высокая температура,— то на катоде наблюдаются оба вида эмис­ сии. Плотность тока эмиссии в этом случае определяют по эмпириче­

ской формуле

ь

При Т = 0 она обращается в формулу электростатической эмис­ сии, а при Е = 0 выражает плотность тока термоэлектронной эмис­ сии.

Конечно, не исключена возможность электростатической эмиссии в дуге руднотермической печи, но автор полагает, что тут она играет подчиненную роль.

В целом, механизм прохождения тока в области катода можно охарактеризовать следующим образом.

Электроны, вырываясь с поверхности катода, устремляются в катодное пространство. Получив там достаточное ускорение, они, при столкновении с нейтральными атомами и молекулами газа, ионизируют их. Если предположить, что электроны ионизируют

34

нейтральные частицы при первом же соударении, то толщина ка­ тодного пространства будет приблизительно равна длине свободного пробега электрона.

Таким образом, катодное пространство можно рассматривать как тонкий слой высокого вакуума, на одной границе которого (поверх­ ность катода) расположен источник отрицательных зарядов — элек­ тронов, на второй — источник положительных зарядов — ионов.

Рассмотрим величины, входящие в уравнение (П-5).

Выше было отмечено, что в первом приближении катодную часть разрядного промежутка можно рассматривать как вакуум. При определении напряженности поля такое предположение уже не дает удовлетворительного результата. Подробное изучение процесса показывает, что напряженность поля в катодной части разряда

Если в первом приближении принять s равной длине свободного пробега электрона, то формула для напряженности поля приобретает

При температуре, отличной от нуля, длина свободного пробега электрона определяется формулой

Следует отметить, что свободный пробег электронов больше сво­ бодного пробега молекул и соотношение между ними определяется равенством

одних и тех же условиях температуры и давления. Экспериментальные данные для значения X дают довольно боль­

шой разброс.

В табл. 3 приведены наиболее достоверные значения Хе и Xg для