Введение

В настоящей работе представлены материалы исследования процессов и конструкций трубчатого плазмотрона постоянного тока. Подобные плазмотроны являются удобным источником газа с температурой в тысячи и десятки тысяч градусов и применяются в различных аппаратах химической технологии, металлургии, переработки отходов (в частности, радиоактивных отходов), и т.п.

Сложность (а зачастую и невозможность) экспериментального изучения процессов в экстремальных условиях дугового электрического разряда оставляет исследователю единственную возможность - математическое моделирование всего того, что происходит в различных частях плазмотрона.

1. Основные положения математического моделирования тепловых процессов в плазмотроне

Дуговой разряд при атмосферном давлении - процесс настольно напряженный, что все вещества и материалы пребывают в состоянии, весьма и весьма далеком от обычного: металл катода и анода в точках контакта с дугой плавится и даже испаряется в режиме, близком к кипению, газ в шнуре дугового разряда находится в состоянии плазмы ("холодной", с точки зрения термояда, но в действительности очень горячей, с температурой в десятки тысяч градусов). Свойства материалов и веществ при этих условиях известны лишь приблизительно (а в некоторых случаях вообще неизвестны), поэтому любые расчеты могут рассматриваться лишь как ориентировочные. Однако расчеты все равно необходимы, чтобы сократить непроизводительные эксперименты "вслепую".

Аналитические расчеты, имея преимущество общности, страдают серьезным недостатком, связанным с неизбежными очень сильными упрощениями анализируемых процессов и свойств материалов. Численное моделирование, наоборот, может сколь угодно точно учесть все известные сведения о свойствах процессов и материалов, но, как и натурный эксперимент, получает результат "по точкам", т.е. для выявления тех или иных закономерностей требует массовых вычислений.

В настоящей работе для целей компьютерного моделирования процессов, проходящих в рабочем объеме плазмотрона и в отдельных его деталях, были использованы программные пакеты MatLab 6.5 и Femlab 2.3. Универсальный характер обоих пакетов позволяет проектировать любые физические процессы в любой геометрии, причем не только в режиме индивидуальных процессов, но и в так называемом режиме "мультифизики", когда моделируется несколько одновременно идущих процессов. Для плазмотрона это очень существенно, так как картина разряда сопровождается одинаково важными и одновременно идущими процессами 1) протекания тока в газе, 2) теплообмена газа как внутри газового объема, так и со стенками и 3) истечения раскаленного газового потока.

К сожалению, и при численном моделировании мы не можем быть уверены в полном соответствии поведения модели и реального плазмотрона, поскольку значительную часть информации о свойствах материалов и процессов в экстремальных условиях дугового разряда приходится получать методом экстраполяции в область температур, недоступных непосредственному измерению.

Однако взамен мы получаем неоценимую возможность последующего косвенного определения свойств материалов и процессов в областях, недоступных для непосредственного измерения, путем сравнения реальных экспериментов и модельных экспериментов с параметрами, подогнанными соответствующим образом для наилучшего совпадения.

2. Сравнение материалов активной зоны катода трубчатого плазмотрона

Срок службы плазмотрона постоянного тока во многом определяется эрозией и разрушением катода, поскольку именно катод работает в наиболее напряженных условиях, подвергаясь одновременно и сильному локальному нагреву током дуги (вплоть до плавления и испарения материала катода), и заметному катодному распылению ионами. Поэтому при конструировании плазмотронов большой мощности одной из важнейших является задача обеспечить эффективный теплоотвод от рабочей поверхности катода, минимальное распыление и испарение поверхности катода и максимальное увеличение эффективной рабочей площади катода (хотя катодное пятно и имеет очень малый размер, но изыскивается возможность заставить это пятно обегать большую площадь).

В качестве базовой конструкции для численного моделирования выбрана конструкция катода сварочного плазмотрона: цилиндрическая гафниевая вставка в медной основе. Как известно, катодное распыление тем меньше, чем тяжелее атом распыляемого вещества (точнее, чем больше различие в массах атомов распыляющего и распыляемого вещества), поэтому гафний (М=178 а.е.м.) безусловно представляет хорошие возможности. Эти возможности еще усиливаются и тем, что температура плавления гафния (2493К) достаточно высока, а значит, и допустимые термические нагрузки могут быть существенно выше, чем у меди или нержавеющей стали.

Модели катодов строились на основе пяти перспективных тугоплавких металлов вставки (цирконий, ниобий, гафний, тантал и вольфрам) и двух основных конструкционных металлов (железа и меди). Физические свойства этих металлов сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Физические свойства катодных материалов

Свойство		Медь	Железо	Цирконий	Ниобий	Гафний	Тантал	Вольфрам
Масса, а.е.м.		64	56	91	93	178	181	184
Температура плавления, К		1356	1810	2128	2760	2493	3270	3650
Температура кипения, К		2870	3450	4650	5173	5473	5670	5800
Температура заметного испарения (давление пара 10-2 мм Hg)		1537	1698	2662	2980	2860	3329	3502
Плотность, кг/м3 при норм. усл.		8930	7870	6440	8570	13300	16600	19300
Удельная теплоемкость, Дж/кг/град при температуре	20С	380	421	276	270	143	140	128
	1000С	469	1031		298	170	157	148
	1500С	491-ж	773		319	187	160	147
Удельная теплопроводность, Вт/м/град при температуре	20С	400	79	21,4	53	23,5	63	130
	1000С	311	30	27	67	24	74	115
	1500С	340т-170ж		39,6	76	27,5	86	101
Работа выхода, эВ		4,40	4,31	3,9	4,01	3,53	4,12	4,52

Физические параметры рассматриваемых материалов заметно меняются с температурой, причем мы располагаем далеко не полной (но все равно противоречивой) информацией о численных значениях параметров. Поэтому принято решение на первом этапе расчетов (сравнение материалов) ограничиться постоянными значениями теплоемкости и теплопроводности металлов (наименьшее расхождение данных из разных источников относится к комнатной температуре, поэтому в расчетах приняты именно эти величины), для сравнительного анализа применимости этих металлов такое упрощение практически несущественно.

Обычно в плазмотронах трубчатой конструкции дуговой разряд организуют так, что точка замыкания тока на катоде либо располагается в центре дна катодного стакана (один вариант), либо перемещается по окружности на боковой стенке катодного стакана (второй вариант, в котором для принудительного "сдувания" катодного пятна в катодном стакане приходится организовывать сильную "закрутку" газовой струи). В обоих случаях катодный стакан изготавливают из меди, как наиболее хорошо проводящей тепло. Однако в первом варианте (который принят и в нашей базовой конструкции) катодное пятно "привязано" к центру дна катодного стакана (о силах, не позволяющих катодному пятну уходить далеко от центра, будет сказано ниже), так что центральную зону дна выполняют из тугоплавкого металла.

К этой зоне предъявляются требования, во многом противоречащие друг другу:

1. Чем выше температура в зоне катодного пятна, тем лучше с точки зрения стабильности дуги и минимального тока (но тем хуже с точки зрения испарения металла).
2. Чем выше температура заметного испарения металла, тем лучше с точки зрения долговечности катода.
3. Чем выше теплопроводность металла, тем лучше с точки зрения максимального допустимого тока дуги (но тем хуже с точки зрения максимальной температуры (см. условие 1 выше)).
4. Чем инертнее свойства металла при рабочей температуре катодного пятна, тем лучше с точки зрения долговечности катода (причем инертность предполагает стойкость по отношению к каждой из составляющих рабочего газа (воздуха): кислороду, азоту, водяному пару, углекислому газу, и все это при температуре, близкой к температуре плавления металла).
5. Чем ниже работа выхода электронов из металла, тем лучше с точки зрения стабильности дугового разряда.

В известных конструкциях плазмотрона подобного типа (конкретно - в сварочном плазмотроне) не случайно тело катода делают из меди, а центральную вставку - из гафния. Сочетание высокой рабочей температуры гафния с высокой теплопроводностью меди позволяет оптимизировать условия как для горения дуги, так и для теплоотвода. Однако в таблице 1 имеются и более тугоплавкие металлы (ниобий, тантал, вольфрам), и близкий к гафнию, но более дешевый цирконий. Каждый из этих металлов имеет свои плюсы и минусы, так что для различных конкретных условий работы оптимальной может оказаться вовсе не та конструкция катода, которая основана на решении в сварочном плазмотроне. При этом следует ожидать, что оптимизировать придется металл в связке с конструктивным исполнением (т.е. нельзя априори считать какой-либо металл оптимальным для любой конструкции катода).

В связи со сказанным сравнение металлов далее проводится для каждой конструкции катода независимо.

Оглавление

Сравнение конструкций торцевого катода трубчатого плазмотрона