ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ТРУБЧАТОМ ПЛАЗМОТРОНЕ

Титов В.В.

3. Сравнение конструкций торцевого катода трубчатого плазмотрона.

Естественно начать с конструкции, принятой в сварочном плазмотроне, и проверить, насколько она оптимальна и насколько она применима при токовых нагрузках более серьезных, чем в сварочном аппарате.

3.1. Базовая конструкция (тонкая цилиндрическая вставка из тугоплавкого материала) и ее модификации

Исходная конструкция для численного моделирования принята такой: вставка из исследуемого материала представляет собой цилиндр диаметром 3 мм и длиной 5 мм, запрессованный по центру медного цилиндра диаметром 25 мм и высотой 7 мм (см рис.1). Боковая и тыльная поверхность медного цилиндра поддерживаются при температуре Т0=300К, на лицевую поверхность катода поступает постоянный тепловой поток заданной мощности. Распределение потока q по поверхности условно принято равным q=q0 при r<r0 и q=0 при r>r0 (здесь r0 - радиус вставки, r - расстояние от оси катодного блока. Тем самым условно моделируется работа катода при постоянном и хаотическом перемещении катодного пятна по поверхности вставки (и только по ней).

Задачей моделирования было определить, какой максимальный поток тепла может выдержать данная конструкция и какой из сравниваемых материалов наиболее пригоден в качестве вставки.

На графиках рис. 2-8 представлено распределение температуры на рабочей поверхности и в толще катода со вставками из разных материалов при фиксированном значении q0=50 Вт/мм² (суммарный тепловой поток 350 Вт, что соответствует току дуги около 100 А). Качественная картина во всех случаях почти одинакова, но максимальная температура (в центре поверхности вставки) существенно зависит от материала вставки.

Рис. 2-8. Распределение температур на рабочей поверхности и в толще катодов с вставками из гафния (рис. 2), циркония (рис. 3), железа (рис. 4), ниобия (рис. 5), тантала (рис. 6), вольфрама (рис. 7) и меди (рис. 8).

Сравнение показывает, что при сравнительно малых токовых нагрузках распределение исследованных металлов по максимальной температуре катода выглядит следующим образом (в порядке возрастания температуры): медь (474К) - вольфрам (690К) - железо (891К) - тантал (1020К) - ниобий (1141К) - цирконий (1871К) - гафний (2057К).

Исследованный режим сравнительно небольшого тока дуги соответствует ситуации, когда ни основа катода, ни материал вставки не плавятся (катодное пятно и происходящие в нем быстротекущие процессы пока не рассматриваются). Однако если задаться вопросом, каков максимальный ток дуги, при котором ни вставка, ни основа катода еще не начнут плавиться, то последовательность материалов вставки будет несколько иной. Не показывая здесь всех рисунков (аналогичных рис. 2-8), приведем лишь эту последовательность (в порядке возрастания предельного тока дуги в амперах): цирконий (116А) - гафний (125А) - железо (255А) - ниобий (290А) - тантал (410А) - медь (600А) - вольфрам (860А). Температура медной основы катода во всех случаях не достигает температуры плавления.

Из общих соображений, что дуговой разряд замыкается на самую горячую точку катода, следует предварительный вывод, что для сравнительно малых токов дуги предпочтительным металлом катодной вставки является гафний и с небольшим отставанием от него идет цирконий. Однако для токов существенно больше 100 ампер приоритет смещается в сторону вольфрама и ненамного от него отстающей меди.

Впрочем, критерий плавления, выбранный нами для сравнения материалов катода, не является абсолютным (вспомним о противоречивых условиях, перечисленных в предыдущем разделе). В частности, наличие кислорода и паров воды практически исключает возможность использования вольфрама и тантала в качестве катодной вставки из-за химической эрозии этих металлов при высоких температурах (чтобы использовать эти металлы, приходится в район катода подавать поток защитного инертного газа). Поэтому при работе на обычном воздухе (даже осушенном) принято обычно использовать для катодной вставки гафний.

В таблице 1 не случайно приведены значения температуры кипения и температуры заметного испарения металла. Этот параметр еще сужает список предпочтительных металлов в пользу гафния, ниобия или циркония, как достаточно высокотемпературных материалов не только по температуре плавления, но и по температурам кипения и испарения.

В связи со сказанным моделирование различных геометрий катода с высокотемпературными вставками решено было проводить только для гафния, ниобия и циркония.

Введение

Оглавление

Катод мозаичного типа