Высокоресурсный электродуговой плазматрон постоянного токА

А.Ф. Пискунков*, В.А. Рябый*, В.В. Свотина*, Х.-Дж.Ли+, В.Ю. Плаксин+.

* Федеральный государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики, Москва, Россия.

+ Национальный университет г. Чеджу — г. Чеджу, Республика Корея Представлены два варианта конструкции нового электродугового плазматрона, даны их конструктивно-сборочные чертежи и спецификации. Приведены результаты измерений удельной эрозии анода, оказавшейся на 4−5 порядков величины ниже традиционного уровня. Рассмотрены выявленные к настоящему времени особенности рабочего процесса нового источника плазмы: вид вольт-амперной характеристики разряда, указания на диффузный характер анодной привязки дуги, проявления химической активации газов, подаваемых в технологический канал плазматорона.

В работе [1] предложен новый электродуговой плазматрон постоянного тока с горячим стержневым катодом (вольфрам, легированный 2% двуокиси тора, лантана или церия) и холодным сопловым анодом (водоохлаждаемая медь). Его новизну определила специальная конструкция анода, обеспечившая вихревой и распределённый характер анодной привязки дуги, что привело к резкому снижению скорости эрозии медного анода. В [2] изучались вольт-амперные характеристики данного источника плазмы, а в [3] были представлены результаты проведения с его помощью плазмохимического процесса реформирования дизельного топлива в синтез-газ (смесь водорода H2 с угарным газом CO). Подача на вход дизельного двигателя небольшого количества этой горючей смеси привела к снижению содержания токсичных окислов азота NOx в выхлопных газах двигателя. Помимо указанной работы, в лаборатории проф. Ли Х. Д. университета г. Чеджу выполнены также успешные попытки применения данного плазматрона для проведения гетерогенных плазмохимических процессов осаждения и травления тонких плёнок на кремниевых пластинах [4]. Результаты этих исследований указывают на вполне определённую перспективу использования нового плазматрона для решения и других технологических задач как гомогенной плазмохимии, например, снижения токсичности выхлопа газотурбинных двигателей путём плазменной поддержки горения топлива, так и гетерогенных процессов типа формирования наноструктур на поверхности твёрдотельных подложек.

В упомянутых публикациях новый плазматрон представлен в виде принципиальных схем, недостаточно полно раскрывающих техническую суть перспективного технологического инструмента. Кроме того, разные этапы изучения поведения дугового разряда необычной формы и, в частности, его анодной привязки и удельной эрозии холодного анода и горячего катода отражены в разрозненных публикациях. В этой связи появилась необходимость в рамках единой статьи рассмотреть оба проверенных в изготовлении и испытанных варианта конструкции данного плазматрона, а также представить все имеющиеся факты о поведении разряда и элементов конструкции в ходе продолжительных испытаний.

Ресурс электродуговых плазматронов постоянного тока определяется эрозией их электродов — анода и катода. Остальные элементы их конструкции разрушаются незначительно и практически не ограничивают срока жизни устройства. В традиционных электродуговых плазматронах постоянного тока используют горячий (термоэмиссионный) стержневой катод и холодный (водоохлаждаемый) сопловой анод.

Обычно стержневой катод выполняют из вольфрама, легированного 1,5−2% двуокиси тория или лантана для снижения работы выхода эмиттирующей поверхности. В силу высокой химической активности горячего вольфрама такие катоды должны работать в нейтральной газовой среде, например, в аргоне или азоте. Ранее выполненные исследования уноса массы горячих вольфрамовых катодов показали, что их удельная эрозия составляет mw ~10−9 г/Кл ([5], с.26; [6], сс.252−256). Этот же порядок величины подтвердили также и значительно позднее проведённые эксперименты [7], давшие в результате тщательных измерений mw ~510−9 г/Кл. В этой работе регистрация поля температур на кончике вольфрамового катода и его видеосъёмка при токе дуги 200 А выявили локальный нагрев катода до температуры плавления вольфрама T=3653 K=3380C. Тем самым было установлено, что ток дугового разряда в исследованных устройствах был обеспечен не только термоэлектронной эмиссией торированного вольфрама, но и жидкометаллическим механизмом катодной привязки дуги. Отметим, что приведённый результат [7] был получен при работе плазматрона на токе дуги 200 А в течение 1 часа. Таким образом на данном режиме катод терял 10−6 г/с, т. е. за месяц (720 час.2,5106 с) он потерял бы ~2,5 г, или ~129 мм3 вольфрама, которые можно представить себе как укорочение катода диаметром 4 мм примерно на 10 мм или такое же удлинение дуги.

Водоохлаждаемый анод, обычно медный, разрушается значительно быстрее — его средняя удельная эрозия на 4 порядка величины выше: mCu ~10−5 г/Кл ([6], сс.274−276; [8], с.428). Следовательно, эрозия анода традиционного электродугового плазматрона является ограничивающим фактором для его ресурса, который едва ли превысит величину ~101 час. При этом существенным моментом является также и загрязнение плазмы парами меди, что резко ограничивает круг технологических применений обычных плазматронов.

Такое положение дел с указанными источниками плазмы существует давно, с момента их изобретения. Это прискорбно, поскольку данные устройства просты по конструкции, недороги в изготовлении и безопасны в эксплуатации, что делает их привлекательным технологическим инструментом. Поэтому задача уменьшения эрозии анода электродуговых плазматронов постоянного тока, эквивалентная задаче повышения ресурса этих источников плазмы представляется полезной и актуальной. Её решение упростило бы внедрение высоких плазменных технологий в производство и исследовательскую практику. Таким образом если эрозию анода удалось бы довести, по крайней мере, до уровня уноса массы горячего вольфрамового катода, то ресурс плазматрона в целом удалось бы поднять до величин порядка 103 час. Эта оценка особенно верна при ограничении тока дуги умеренными значениями не более 100 А.