WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 12 04;12 Управление положением канала дугового разряда в вакуумно-дуговых установках © А.В. Воронин, А.А. Семенов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: voronin.mhd@pop.ioffe.rssi.ru (Поступило в Редакцию 9 апреля 2001 г.) Теоретически и экспериментально исследовано поведение электрической дуги в магнитном поле. Установлено, что поведение электрической дуги может определяться пондеромоторным взаимодействием дуги с токонесущими элементами, а в неоднородном магнитном поле — токами Холла и диамагнетизмом ее плазмы. Показана возможность управления положением канала дугового разряда, горящего между торцами цилиндрических электродов с помощью неоднородных магнитных полей. Рассмотренные авторами методы и устройства позволяют, в частности, управлять электродуговыми источниками тепла при термической обработке металлов.

Введение разряда представляется одним из самых простых и привлекательных способов управления [4].

В промышленности во многих технологических про- Рассмотрена задача пондеромоторного взаимодейцессах широко используются электрические дуги. При ствия тока электрической дуги с токами в подводящих этом свободно горящая дуга хаотически перемещается электродах, выполненных в виде двух соосных полубесв зазоре между электродами и ее поведение и характе- коненчных цилиндров, разделенных дуговым промежутристики неоднозначны. Например, при плавке металла ком. Дуга считалась бесконечно тонким линейным током, в вакуумно-дуговых печах может происходить вынос перпендикулярным торцевым поверхностям электродов.

дуги на стенки тиглей, что приводит либо к сниже- Получено выражение для силы, действующей на единию качества выплавляемого металла либо к аварии.

ницу длины проводника с током, протекающим между Существующие способы управления положением дуги полубесконечными цилиндрическими электродами. При недостаточно эффективны и не дают желаемого ре- соосном положении проводника с током в дуговом зазоре зультата [1,2], так как используется либо управление эта сила равна нулю. Однако при сколь угодно малом параметрами электродугового источника, косвенно вли- удалении проводника от оси появляется радиальная сила, яющими на положение дуги, либо уменьшение вредных выталкивающая проводник за пределы дугового промепоследствий неуправляемого взаимодействия электриче- жутка. Причем значение этой силы увеличивается по ской дуги с окружающими ее конструктивными элемен- мере удаления проводника от оси электродов. Длина тами. Существует необходимость жесткого управления дугового промежутка слабо влияет на величину выталместопложением канала дугового разряда в промежутке кивающей силы.

между электродами.

Таким образом, исследования показывают, что элекВ настоящей работе рассмотрены некоторые возмож- трическая дуга между двумя соосными достаточно длинности активного управления положением электрической ными цилиндрическими электродами не имеет устойчидуги постоянного и переменного тока [3]. Электриче- вого положения в зазоре. Уменьшить уровень радиальной скую дугу можно рассматривать как проводник с током дестабилизирующей силы можно, например, с помощью и тогда использовать пондеромоторное взаимодействие коаксиального токопровода.

тока дуги с токоподводами для стабилизации местопо- Рассмотрена задача пондеромоторного взаимодейложения канала дугового разряда. В то же время элек- ствия проводника с током, расположенного между дном трическую дугу можно рассматривать как плазменный проводящего тигля и торцом полубесконечного провопроводник и для ее управления использовать свойства дящего цилиндра (рис. 1). В этой геометрии токопроплазмы.

водами служили цилиндрический электрод, дно тигля с проводимостью b и стенки тигля с проводимостью w.

Дуга также рассматривалась в виде бесконечно тонкого Использование пондеромоторного линейного тока, перпендикулярного торцу электрода взаимодействия токоподводов и дну тигля. Полагалось, что перераспределение тока с электрической дугой в электроде происходит в бесконечно тонком слое его торца. Распределением тока по толщине стенок и дна для стабилизации ее положения тигля пренебрегалось, т. е. токи полагались поверхностИспользование неоднородных магнитных полей токов ными.

в подводящих электродах или других внешних токопод- В выражении для расчета радиальной силы Fm, дейводов для стабилизации положением канала дугового ствующей на единицу длины проводника с током, протеУправление положением канала дугового разряда в вакуумно-дуговых установках кающим между дном тигля и торцом электрода, важно соотношение проводимостей между дном и стенкой тигля [4]. Можно выделить следующие три предельных случая, определяющих поведение электрической дуги в геометрии магнитного поля коаксиальных электродов:

a) w b — случай малой проводимости стенки тигля;

б) w = b — случай равной проводимости дна и стенки тигля; в) b w — cлучай малой проводимости дна тигля.

Результаты расчетов показывают, что первые два случая качественно не отличаются от рассмотренной ранее задачи с аксиальными электродами. Для случая малой проводимости дна тигля по сравнению со стенкой (b w) установлено, что при Rc/Rw 0.9 (Re — радиус электрода, Rw — внутренний радиус тигля) существует область 0 R 0.75Rw, в которой сила Fm, действующая на дугу, направлена к оси системы, т. е.

равновесное положение является устойчивым (рис. 2).

Случай малой проводимости дна относительно стенок Рис. 3. Фольга, проплавленная в условиях, когда проводимости дна и стенки равны (w = b) (a) и когда проводимости стенки много меньше проводимости дна (w b) (b).

на практике реализуется, например, при плавке титана в медных тиглях.

Экспериментальная проверка результатов расчета по стабилизации положения канала дугового разряда осуществлялась с помощью проплавления алюминиевых фольг, плотно совмещаемых с торцом верхнего электрода. Фольги, проплавленные при условии одинаковой (рис. 3, а) и малой проводимостей (рис. 3, b) дна тигля, подтверждают результаты проведенного расчета. Как и Рис. 1. Cхема коаксиального расположения электродов: 1 — ожидалось в первом случае получены следы хаотичеисточник тока, 2 — цилиндрический электрод, 3 — стенка ского перемещения канала дугового разряда по торцу тигля, 4 — дно тигля, 5 — канал дугового разряда.

электрода с выходом на периферию электрода. Другая картина наблюдалась во втором случае. Видно, что канал дугового разряда не выходит на периферию электродов и его местоположение ограничено областью, максимальный радиус которой меньше радиуса верхнего электрода.

Управление положением канала дугового разряда постоянного тока неоднородным магнитным полем Электрическая дуга является плазменным проводником, и естественно для управления ею использовать свойства плазмы, в частности ее диамагнетизм. Однако при изучении поведения плазменных проводников в пространственно неоднородных магнитных полях авторы Рис. 2. Зависимость силы fm, действующей на единицу столкнулись с парадоксальным с точки зрения диамагдлины проводника с током между коаксиальными электродами нетизма плазмы явлением. Плазменный столб дуги пов радиальном направлении, от расстояния до оси электродов стоянного тока в зависимости от направления тока в нем ( fm = 107 · Fm · Re/I2, где I —ток разряда A, Re —в m, Fm — в N/m). Случай малой проводимости дна тигля по сравнению может устойчиво располагаться как в области минимальсо стенкой (b w). Re/RW: 1 —0.5, 2 —0.7, 3 —0.9. ного, так и в области максимального магнитного поля.

7 Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 100 А.В. Воронин, А.А. Семенов Причем условие замагниченности, необходимое для диа- ных соосно с электродами, симметрично относительно магнитного взаимодействия, может не выполняться. дугового зазора и встречно направленными токами.

Обзор работ, посвященных электрическим дугам, по- На рис. 4 приведен светящийся объем плазмы дуказал, что имеется ряд экспериментальных данных по гового разряда переменного тока в магнитном поле стабилизации местоположения дуги в области максиму- антипробкотрона. Видно соосное с электродами распома магнитного поля, не имеющих удовлетворительного ложение канала дугового разряда с резкими границами.

теоретического объяснения [5,6]. Минимальное сжатие разряда соответствует положению Такое поведение дугового разряда удалось объяснить максимального градиента магнитного поля.

при учете эффекта Холла, проявляющегося в появлении дополнительного тока, перпендикулярного прилоЗаключение женным электрическому и магнитному полям [7]. Взаимодействие тока Холла с внешним магнитным полем и Теоретически и экспериментально установлено, что определяет поведение дугового разряда. Был выполнен поведение электрической дуги в неоднородном магнитэксперимент, который подтвердил теоретическое предном поле может определяться диамагнетизмом ее плазсказание [8].

мы, токами Холла, пондеромоторным взаимодействием дуги с токонесущими элементами. Показана возможность управления положением канала дугового разряда, Использование диамагнетизма плазмы горящего между торцами цилиндрических электродов дуги переменного тока для управления с помощью неоднородных магнитных полей. Предложена ее положением схема и определены параметры токоподводов, позволяющие использовать пондеромоторное взаимодействие Как показано в [8], направление силы, обусловленной электрической дуги с токонесущими элементами для ее токами Холла, зависит от направления тока в дуге.

стабилизации. Осуществлена локализация канала дугоВ дугах переменного тока, горящих в неоднородных вого разряда переменного тока в заданном месте дуговомагнитных полях, усредненная по периоду тока дуги сила го зазора, использующая диамагнетизм плазмы. ОсущеХолла оказывается равной нулю и диамагнитный эффект ствлено управление положением дуги постоянного тока становится существенным. Поэтому его можно испольнеоднородным магнитным полем, учитывающее токи зовать для воздействия на плазменный столб дуги [9].

Холла. Рассмотренные методы и устройства позволяют, Если в дуговом промежутке создать магнитное поле, в частности, управлять электродуговыми источниками нарастающее от оси к периферии электродов, то канал тепла при термической обработке металлов.

дугового разряда должен находиться в области минимального магнитного поля (в минимуме B). ПеремещеСписок литературы ние электрической дуги можно задавать перемещением минимума напряженности магнитного поля. Критерием [1] Волохонский Л.А. Вакуумные дуговые печи. М.: Энергоприменимости диамагнетизма для удержания дуги являатомиздат, 1985. 232 с.

ется условие замагниченности электронной компоненты [2] Свенчанский А.Д., Гуттерман К.Д. Автоматическое регуплазмы.

лирование печей. М.:, Л.: Энергия, 1965. 300 с.

Результаты расчетов диамагнитных сил Fd, удержи[3] Rusakov A.I., Semenov A.A., Voronin A.V. // Proc.

вающих электрическую дугу, а также экспериментальXVII ISDEIV. Berley (California), 1996.

ных исследований показали, что эффективное удержание [4] Воронин А.В., Русаков А.И., Семенов А.А. // Препринт электрической дуги обеспечивается в магнитном поле анФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. СПб., 1989. № 1366.

типробкотрона. Магнитное поле создавались с помощью [5] Wroe H. // Britt. Appl. Phys. 1958. Vol. 9. N 12. P. 488–491.

двух коротких электромагнитных катушек, расположен- [6] Дороднов А.М. // ЖТФ. 1978. Т. 48. Вып. 9. С. 1858–1869.

[7] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982. 620 с.

[8] Воронин А.В., Русаков А.И., Семенов А.А. // ЖТФ. 1995.

Т. 65. Вып. 4. С. 20–30.

[9] Воронин А.В., Русаков А.И., Семенов А.А. Препринт ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, СПб., 1989. № 1379.

Рис. 4. Плазма дугового разряда в магнитном поле антипробкотрона. 1 — электроды, 2 — катушки с током, 3 — дуговой разряд.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.