Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор исследований электрического разряда в газемежду жидким неметаллическим и твердым электродами 16
1.1. Электрический разряд в газе между металлическим анодом и металлическим катодом 17
1.2. Электролитический разряд в газе между полым катодом и металлическим анодом 22
1.3. Особенности разряда в газе между электролитическим катодом и металлическим анодом 24
1.4. Электрический разряд в газе между электролитическим анодом и металлическим катодом 32
1.5. Практическое использование паровоздушных разрядов с электролитическими электродами 33
1.6. Постановка задачи диссертации 36
ГЛАВА 2 Экспериментальная установка и методика измерений 38
2.1. Функциональная схема экспериментальной установки 38
2.2. Система электрического питания экспериментальной установки .39
2.3. Вакуумная система экспериментальной установки 44
2.4. Устройство для подачи струи электролита и электролитические ячейки 46
2.5. Методика проведения экспериментов и оценка точности измерений 47
ГЛАВА 3 Результаты экспериментальных исследований паровоздушного разряда между металлическим катодом и электролитическим анодом 55
3.1. Вольт - амперные характеристики и падение напряжения в жидком аноде 54
3.2. Плотности тока на электролитическом аноде и металлическом катоде 58
3.3. Распределение потенциала и напряженности электрического поля. Катодное и анодное падения потенциала 59
3.4. Обобщенные характеристики паровоздушного разряда между электролитическим анодом и металлическим катодом 60
3.5. Характеристики разряда в системе «струя электролита (анод) - металлический электрод (катод) 63
3.6. Качественный механизм разряда с электролитическим анодом 64
ГЛАВА 4 Устройства для получения паровоздушных разрядов между металлическим катодом и жидким анодом (проточные и непроточные электролиты) их практическое применение 91
4.1. Устройство для получения паровоздушного разряда между электролитическим анодом и металлическим катодом 91
4.2. Устройство для упрочнения металлического катода 92
4.3. Устройство для получения порошка из стали 93
4.4. Устройство для очистки поверхности металлических изделий 95
Выводы 103
Список использованной литературы 106
Примечание 119
- Электролитический разряд в газе между полым катодом и металлическим анодом
- Система электрического питания экспериментальной установки
- Распределение потенциала и напряженности электрического поля. Катодное и анодное падения потенциала
- Устройство для упрочнения металлического катода
Введение к работе
Среди большого разнообразия видов газового разряда - тлеющий разряд отличается легкостью осуществления сильно неравновесного состояния плазмы. Неравновесная плазма ТР представляет собой интересный объект, для целого ряда приложений, для которых наиболее важна средняя энергия электронов, дрейфующих в электрическом поле, которая на порядок и более превышает тепловую энергию. Это определяет высокую эффективность газоразрядных источников света с тлеющим разрядом. Получение неравновесного состояния -основное условие для достижения усиления света. Возможность ускорить химические реакции, оставляя газ холодным, обусловила широкое использование тлеющего разряда в плазмохимии. В настоящее время большое внимание уделяется разработке новых эффективных методов нанесения покрытий с заданными свойствами на поверхности различных материалов. Современная техника требует технологий управляемого воздействия на материалы с целью получения заданных характеристик работы механизмов и машин, изделий машиностроения. Такие технологии позволяют экономить энергию, сырье, повышать производительность труда и качество изделий. Составной частью проблемы создания научных основ технологии управляемого формирования заданных свойств изделия является практически не исследованный вопрос о воздействии неравновесной газоразрядной плазмы на различные материалы. В такой плазме температура атомов и молекул близка к температуре окружающей среды, а электроны обладают энергией, достаточной для возбуждения, диссоциации и ионизации атомов и молекул. Использование неравновесной плазмы часто обеспечивает повышение эффективности многих технологических процессов, таких как плазмохимическое формирование поверхностей с заданными свойствами на различных материалах.
Одним из новых способов получения низкотемпературной неравновес- ной плазмы является использование разряда, горящего между твердым и жидким неметаллическими электродами, а также между жидкими неметаллическими электродами [1]. Такие разряды используются в плазменной технологии для нанесения высококачественных защитных покрытий [2], а также для нагрева металлов и сплавов в электролите [3], получения металлических порошков и т.д. Несмотря на большие возможности использования данных разрядов в народном хозяйстве, имеющиеся в литературе экспериментальные и теоретические данные не позволяют достаточно уверенно судить о закономерностях и механизмах разрядов между электролитическим анодом и металлическим катодом. Нет единого мнения о природе разрядов с электролитическим анодом, и не изучена физика приэлектродных процессов. Остается малоизученным взаимодействие плазмы паровоздушного разряда между электролитическим анодом (непроточные и проточные электролиты) и металлическим катодом с поверхностями твердых тел. Все это препятствует широкому применению неравновесной плазмы разряда с электролитическим анодом в промышленности. В связи с вышеизложенным, экспериментальное и теоретическое исследования разряда в газе между электролитическим анодом (непроточные и проточные электролиты) и металлическим катодом; разработка плазменных установок с жидкими электродами представляют собой актуальную задачу. Данная диссертация, состоящая из четырех глав, посвящена решению этих задач.
В первой главе проведен анализ известных экспериментальных и теоретических исследований парогазовых разрядов горящих между электролитическим (непроточные и проточные) и металлическим электродами, а также обсуждаются области их практических применений, сформулированы задачи диссертационной работы.
Во второй главе приведены описания экспериментальной установки. Представлена функциональная схема экспериментального комплекса для получения и исследования паровоздушного разряда между электролитическим анодом и металлическим катодом для различных межэлектродных расстояний при атмосферном и пониженном давлениях. Система электрического питания предназначена для обеспечения электролитической ячейки и вспомогательного оборудования электрической энергией. Вакуумная система состоит из вакуумной камеры, вакуумного насоса и вакуумной арматуры. Электролитическая ячейка заполняется исследуемыми электролитами необходимой концентрации и состава. На дне ванны находится медная пластина, соединенная с одной из клемм источника питания. Верхний твердый электрод присоединяется к другой клемме источника питания. Для исследования парогазового разряда в системе "струя электролита (анод) -твердый электрод (катод)" была разработана и создана специальная установка. В качестве жидкого анода использовались электролиты различного состава и концентрации. До начала экспериментов металлические аноды подвергались тренировки паровоздушным разрядом. ВАХ паровоздушного разряда между электролитическим анодом и металлическим катодом измерялись с помощью электростатических вольтметров С-50 класса точности 1, и амперметром Э514 класса точности 0,5. Относительные погрешности измерения напряжения разряда не превышали 1,5%. Для каждого набора значений давления, межэлектродного расстояния, состава и концентрации электролита регистрация параметров парогазового разряда проводились не менее 7 раз. Давление в вакуумной камере при работе с пониженными давлениями измерялась с помощью U-образных ртутных манометров открытого типа с ценой деления 133 Па, образцовых вакуумметров типа ВО класса точности 0,4. Фотографирование разряда осуществлялось фотоаппаратами "Кодак". Распределение потенциала определялось на основе метода перемещающегося электрода. При этом менялось расстояние между металлическим катодом и электролитическим анодом и фиксировалось изменение с расстоянием напряжения горения разряда при постоянной величине тока. Экстраполяция к нулевому расстоянию между анодом и электролитом дает анодное падение потенциала. Осредненная плотность тока на электродах определялась как отношение тока разряда к площади катодного или анодного пятна. Площади катодного и анодного пятен определялись путем измерения их диаметров с помощью микроскопа типа СП-52 с погрешностью ± 0,05 мм.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований паровоздушного разряда между электролитическим анодом и металлическим катодом в диапазоне I = 0,02 - 1,5 А, Є = 0,0001 - 0,02 м и Р = 6330 - 105 Па, для различного состава (техническая вода, растворы C11SO4, NaCl, КС1, NH4C1 в очищенной и технической воде) и концентрации электролита. В экспериментах в качестве металлического катода с различной геометрической формой (острие, сплошной, полый) были использованы медь, сталь.
Изучена общая структура паровоздушного разряда между электролитическим анодом и металлическим катодом. При атмосферном давлении он имеет форму усеченного конуса нижнее большое основание служит анодным пятном, а верхнее катодным пятном. При атмосферном давлении, малых межэлектродных расстояниях наблюдается сплошное пятно как электролитическом аноде, так и металлическом катоде. В данном случае между электролитическим анодом и металлическим катодом горит тлеющий разряд. С ростом межэлектродного расстояния и тока разряда катодное пятно переходит в точечное пятно, анодное пятно становится неоднородным. Анодное пятно состоит из трех областей: центральной, внутренней и внешней. В центральной области анодного пятна наблюдается интенсивное свечение, которое постепенно ослабевает вдоль радиуса анодного пятна. Выявлено, что структура анодного пятна на электролите существенно зависит от геометрической формы металлического катода, межэлектродного расстояния, тока разряда, состава и концентрации электролита. С ростом тока и межэлектродного расстояния тлеющий разряд со сплошным пятнами на электролитическом аноде переходит в паровоздушный разряд с контрагированным пятном на металлическом катоде и неоднородным пятном на электролитическом аноде. При атмосферном давлении в зависимости от неоднородности поверхности металлического катода наблюдаются одновременно несколько конусообразных разрядов с точечными пятнами на катоде. При атмосферном давлении с ростом тока разряда I и межэлектродного расстояния 1 > 6мм устойчивость паровоздушного разряда с точечным пятном на катоде и неоднородным пятном на аноде ухудшается. Вокруг паровоздушного разряда образуется ореола соответствующего цвета в зависимости от состава и концентрации электролитического анода и материала катода.
Также представлены ВАХ основных видов паровоздушных разрядов между электролитическим анодом и медным катодом при атмосферном давлении для различных диаметров и межэлектродных расстояний. Как видно с ростом межэлектродного расстояния величина напряжения разряда возрастает. На вид ВАХ значительно влияет ток разряда, если напряжение разряда в интервале от 1=75 -И 50 тА возрастает, то с ростом тока от 150 до 300 тА ВАХ имеет падающий характер. Растущий участок ВАХ соответствует аномальному тлеющему разряду с электролитическим анодом. Падающий участок ВАХ соответствует паровоздушному разряду с контрагированным пятном на металлическим катоде и неоднородным пятном на электролитическом аноде. Такое поведение объясняется тем, что с увеличением тока разряда меняется характер гибели электронов в плазменном столбе. Анализ ВАХ паровоздушного разряда с электролитическим анодом, показывает, что при I < 50 тА происходит переход аномального тлеющего разряда с электролитическим анодом в нормальный тлеющий разряд со сплошным пятном как на электролитическом аноде, так и на металлическом катоде. Таким образом при небольших 1 и ростом I тлеющий разряд между электролитическим анодом и металлическим катодом переходит в паровоздушный разряд с точечным пятном на металлическом катоде и неоднородным пятном на электролитическом аноде, а в не дуговой разряд как между металлическими электродами.
Важнейшими характеристиками любого электролитического разряда является плотности тока на электродах. В данной работе измерены плотности тока на электролитическом аноде при атмосферном давлении. Величина ja существенно зависит от геометрической формы металлического катода, межэлектродного расстояния, состава и концентрации электролита. Как видно, из рис. 3 зависимость плотности тока на электролитическом аноде от тока разряда имеет немонотонный характер при малых межэлектродных расстояниях для полого катода. При I < 50 тА величина ja практически не меняется, а с ростом тока разряда в интервале от 50 до 75 тА плотность тока на электролитическом аноде возрастает и достигает максимума. С дальнейшим ростом величины I плотность тока на электролитическом аноде уменьшается. При I > 100 тА величина ja почти не меняется. Все это объясняется особенностями расширения анодного пятна на электролите с ростом тока паровоздушного разряда. Выявлено, что небольшое увеличение межэлектродного расстояния от 0,5 до 1,5 мм приводит к значительному изменению характера зависимости ja от I. При 1=1,5 мм с ростом I величина плотности тока на электролитическом аноде слабо зависит от тока разряда.
Анализ зависимостей ja от I показал, что в определенном интервале изменения тока разряда для электролитического анода выполняется закон Геля. Установлено, что на электролитическом аноде плотность тока в 2,5 раза уменьшается по сравнению с плотностью тока на металлическом катоде.
Анализ кривых распределения потенциала и напряженности электрического поля между жидким анодом (техническая вода) и металлическим катодом показывает, что характер распределения потенциала и напряженности электрического поля между электролитическим анодом и сплошным медным катодом носит неоднородный характер и существенно меняется по сравнению между металлическими электродами. Электрическое поле от жидкого анода к металлическому катоду вначале снижается, при 1 = 1,5 мм принимает минимальное значение, а затем к катоду возрастает. Минимальное значение напряженности электрического поля равно Е»25 В/мм, а максимальное Е»55 В/мм. Описанный характер распределения электрического поля объясняется накоплением объемных зарядов в паровоздушном разряде между электролитическим анодом и металлическим катодом. Анализ экспериментальных данных показал, что с ростом 1 от 1,5 до 2,3 мм характер распределения напряженности электрического поля имеет такой же вид. В зависимости от состава и концентрации электролита величина анодного падения при атмосферном давлении составляет Ua~500 В. Таким образом, характер распределения потенциала и напряженности электрического поля, анодное падение потенциала между электролитическим анодом и металлическим катодом отличается от характера распределения <р и Е между металлическими электродами.
В главе 3 приводятся также результаты исследований характеристик разряда, горящего между струей электролита и металлическим электродом.
Анализ экспериментальных данных позволил выявить особенности горения парогазового разряда в системе: "струя электролита - металлический электрод" и существенное влияние диаметра и длины струи, расхода, состава, концентрации и полярности электролита на характеристики разряда.
Парогазовый разряд между струей электролита и медным катодом имеет катодное и анодное пятна, между которыми наблюдается плазменный столб. Тлеющий разряд сплошными пятнами на поверхности металлического катода и на конце струи горит при малых токах и небольшой длин струи. С дальнейшим увеличением тока наблюдается неустойчивое перемещение тлеющего разряда с контрагированным пятном на поверхности катода и распределенными пятнами на конце струи.
В концентрированных растворах Q1SO4 в технической воде паровоздушный разряд между струей электролита (анод) и медной пластиной (катод) горит при больших токах. Из анализа экспериментальных данных следует, что на поддержание указанного паровоздушного разряда существенно влияет диаметр и длина струи, величина тока, давление, состав и концентрация электролита.
Используя методов теории подобия и размерности к тлеющему разряду между электролитическим анодом и металлическим катодом в неподвижном газе и считая, что электрические разряды в одном и том же газе могут быть подобными приближенно и упрощая критериев подобия путем отбрасывания размерных комплексов, определяемых физическими параметрами, постоянными для данной ситуации находим критериальные уравнения для обобщения ВАХ парогазового разряда.
Анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований приэлектродных и объемных физических процессов тлеющего разряда между электролитическим анодом и металлическим катодом позволили построить качественный механизм ТР с электролитическим анодом. В случае тлеющего разряда между металлическим катодом и электролитическим анодом основными физическими процессами поддерживающими разряд являются: электронная эмиссия с металлического катода; диссоциация молекул воды электронами; ионизация и возбуждения молекул и атомов в паровоздушной фазе электронами выбитыми из металлического катода; прилипание электронов к электроотрицательным атомам и молекулам; передача из плазмы паровоздушного разряда кинетической энергии направленного движения ионов и хаотическое движение нейтральных частиц; переход из анодного слоя раствора молекул и атомов из - за процессов интенсивного тепло и массообмена.
В случае тлеющего разряда между электролитическим анодом и электролитическим катодом основные физические процессы, которые определяют механизм поддержания тлеющего разряда с электролитическим катодом дополняются физическими процессами, которые происходят у электролитического анода.
В главе 4 представлены устройства для получения паровоздушных разрядов между электролитическим анодом и металлическим катодом и их практическое применение: устройство для получения тлеющего разряда между металлическим катодом и электролитическим анодом при малых межэлектродных расстояниях и атмосферном давлении; устройство для упрочнения металлической поверхности, когда металлический катод находится вне электролита; устройство для получения порошка из стали при атмосферном давлении; устройство для обработки поверхности металлических изделий.
Устройство для получения тлеющего разряда сплошным пятном на электролитическом аноде и металлическом катоде позволяет создать источник неравновесной плазмы при атмосферном давлении со следующими параметрами: степень ионизации 10~б, концентрация и температура электронов соответственно пе=3-1016м"3, Те=104 К, средней энергией электронов 3-ьб эВ и температурой газа(< 2000К).
Устройство для упрочнения металлической поверхности, когда металлический электрод находится вне электролита. Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что микротвердость поверхности изделий улучшается в 1,5 раза.
Устройство для получения металлического порошка из стали при атмосферном давлении с паровоздушного разряда постоянного тока между металлическим катодом и электролитическим анодом.
Устройство для обработки металлических изделий с помощью паровоздушного разряда, горящего между струей электролита (анод) и металлическим электродом (катод) позволяет очистить и прошивать внутренней поверхности каналов изделий.
Электролитический разряд в газе между полым катодом и металлическим анодом
Интерес к исследованию разряда с полым катодом обусловлен многообразием его применений. Примером могут служить ионные источники, источники света в спектроскопии высокого разрешения и для целей спектрального анализа, лазеры на парах металлов, а в последние годы и моделирование условий распыления первой стенки термоядерного реактора - токамака. Во многих случаях рабочим телом в полом катоде являются атомы материала катода, которые поступают в разряд посредством ионного распыления-и испарения [34]. Концентрация и про- странственное распределение атомов и ионов металла влияют на яркость источников света, интенсивность ионных пучков, мощность лазерного излучения. Однако массоперенос в плазме полого катода (ПК) изучен недостаточно. Так, в моделях атомы металла поступают в разряд только за счет распыления, а испарение не учитывается. Тем самым исключается из рассмотрения обширный класс полых катодов, где могут иметь место и распыление, и испарение одновременно: нео-хлаждаемые и специально подогреваемые полые катоды, полые катоды при больших токах, в парах легколетучих элементов и др. Кроме того, предложенные ранее модели массопереноса атомов металла в полом катоде обладают тем не- достатком, что в них при расчете пространственного распределения атомов металла не учитывается ионизация. Проанализировано влияние электронных осцилляции на ионизационные процессы в катодном слое и проведены расчеты и измерения характеристик тлеющего разряда низкого давления с цилиндрическим полым катодом при произвольном соотношении между шириной катодного слоя и радиусом полости [35].
Показано, что плотность тока ионной эмиссии из плазмы немонотонным образом зависит от радиуса плазменной границы, что обусловливает нарушение устойчивости формирующейся в газовом разряде системы плазма-слой при малых величин радиуса плазменной границы. В работе [35] показано, что основные отличия тлеющего разряда с полым катодом (ТРПК) от линейного не зависят от механизма эмиссии и определяются условиями движения частиц в полости. Проведенный анализ осцилляционного движения электронов и учет вклада в ионизацию быстрых вторичных электронов, образованных в катодном слое, позволил объяснить ряд специфических свойств ТРПК и выполнить расчет вольт - амперной характеристики (ВАХ) разряда, результаты которого согласуются с экспериментом при плотностях тока 10 5 -10 4А/см2. При больших и меньших величинах тока расчет дает значения, которые меньше найденных экспериментально. Наличие расхождения при больших токах разряда связывалось с нагревом газа, причины отклонений при малых не обсуждались. Превышение экспериментальных значений над расчетными в диапазоне малых токов также отмечались в работе, в которой было высказано предположение, что, это расхождение обусловлено использованием при проведении расчетов допущения о том, что все ионы попадают в слой из плазмы. Поскольку ионы и электроны образуются вместе, то использование такого предположения при одновременном рассмотрении процесса образования в катодном слое быстрых вторичных электронов приводит к явному противоречию, но оно все же допустимо при выполнении условия, так как в этом случае доля ионов, образующихся в слое, невелика. При малых токах величина шириной катодного слоя становится сравнимой с величиной радиуса плазменной границы и значительная часть ионов генерируется осциллирующими электронами непосредственно в слое.
В этом случае использование вышеуказанного допущения является необоснованным. При проведении экспериментов использовались катоды с различными радиуса полости, выполненные из нержавеющей стали. В качестве рабочего газа использовались аргон и азот. На рис. 1.21 и 1.22 приведены экспериментальные и расчетные вольт - амперные характеристики (соответственно для аргона и азота). Качественный характер расчетных ВАХ соответствует эксперименту, выбирая у 0,027 для аргона и у 0,033 для азота, можно получить хорошее количе ственное согласие, за исключением диапазона токов 20 мА (рис. 1). Расхождение связано с тем, что в этом диапазоне при уменьшении, разрядного тока происходит сокращение длины плазменного столба в катодной полости, а не его радиуса, как это следует из расчета. В работе [74] проанализирована возможность получения однородной плазмы в разрядах низкого давления с полым катодом и полым анодом. Показано, что в отличие от разрядов высокого давления, в которых для формирования однородной плазмы необходима равномерная ионизация, в разрядах низкого давления близкий к однородному радиальный плазменный профиль получается при наличии неоднородной ионизации с повышенной вероятностью на периферии системы и пониженной вблизи оси. В [75] исследована структура тлеющего разряда низкого давления с полым катодом в режиме частичного заполнения полости плазмой. Наблюдающееся при уменьшении разрядного тока или давления газа сокращение участвующей в разряде поверхности полого катода объясняется нарушением при определенных условиях устойчивости системы плазма - слой в цилиндрической полости. Таким образом, исследование разряда с полым катодом обусловлено многообразием его применений: ионные источники, лазеры на парах металлов и для целей спектрального анализа. Полый катод изучен недостаточно: исключен из рассмотрения обширный класс полых катодов, где могут иметь место и распыление, и испарение одновременно, ВАХ. Характеристики электрических разрядов, возникающих в газовом промежутке между металлическим анодом и электролитным катодом, обширно иссле-довались[1 -5-3, 5-Ї- 16, 36 и др.], однако в литературе до сих пор не
Система электрического питания экспериментальной установки
Экспериментальная установка предназначена для исследований электрических разрядов в диапазоне напряжения разряда U = 100 -г 1 103 В, токов J= 0,01-ЗА, давления Р=0,5-гЮ5Па межэлектродных расстояний 1=-0,002-0,06м. Функциональная схема установки, реализующая перечисленные условия, представлена на рис.2.1. Источник питания 1 обеспечивает подачу регулируемого стабилизированного напряжения по токоподводам 2 на разрядный промежуток по высоковольтным проводам 3. Электрод 4 обеспечивает токоподвод к жидкому электроду 6. Межэлектродное расстояние регулируется устройством 7 (рис.2.1). Для исследования электрического разряда при пониженных и средних давлениях используется вакуумная камера (см. рис.2.2). Давление и влажность в камере, температура и плотность электролита регистрируются датчиками 2, 4. 2.2. Система электрического питания экспериментальной установки Эта система предназначена для питания разряда, измерительной аппаратуры и вспомогательного оборудования. Источник питания разряда обеспечивает регулирование и преобразование сетевого напряжения и состоит из низковольтного и высоковольтного регулируемых блоков, обеспечивая тем самым указанный диапазоны изменений напряжения и тока. Низковольтный блок обеспечивает регулируемое постоянное напряжение до 500В при номинальном токе 250 А.
Трехфазное сетевое напряжение через предохранители и рубильник, развязывающий трансформатор 380/400, подается на выпрямитель, собранный по схеме Ларионова из вентилей типа В Л- 50. Развязывающий - трансформатор позволяет заземлять один из электродов. Амплитуда пульсации выпрямленного напряжения П-образным L - С фильтром С, =4,7-10-6Ф, L = 50-10 3Гн, С2 =5-10" Ф уменьшается от 6% до 1% от выпрямленного. Высоковольтный блок обеспечивает регулируемое напряжение до 4000В при токе нагрузки до 5А. Питание паровоздушного разряда переменным током осуществляется следующим образом. Напряжение трехфазной сети 220/380 В. через силовой шкаф, содержащий плавкие предохранители, распределитель и рубильники, подается на регулируемый однофазный автотрансформатор типа ОНО - 250 - 5, а затем на повышающий трансформатор. Автотрансформатоор служит для регулирования выходного напряжения в пределах от 0 до 4кВ. Нестационарная система электрического питания (рис. 2.3.) высоковольтного паровоздушного разряда предназначена для исследования параметров паровоздушного разряда между металлическим и жидким электродами при атмосферном и пониженном давлениях. Сетевое напряжение через автоматы максимального тока АЕ 2036 - 40Р -ООУЗ - А - 660В - 16А, АМС S16 - 220/380В - 10А и кнопку управления МЭП КУ 21 - 2 - 500В подается на регулируемый трансформатор типа АОСН -82УХЛ4, далее через кнопку управления МЭП КУ 121 - 1 - 500В на повышающий трансформатор типа ТМШ. Высокое выходное напряжение этого трансформатора выпрямителем, собранным по мостовой схеме, выпрямляется и сглаживается L-C фильтром до пульсации 1 -г-+2%. В обоих блоках для регулирования напряжения и ограничения тока в случаях короткого замыкания используются балластные сопротивления. Токи и напряжения измеряются щитовыми приборами кл. точности 0,5 и 1,5 , установленными на пульте управления. Суммарная электрическая мощность, потребляемая экспериментальной установкой, не превышает 8.9кВт.
Для контроля переменного напряжения с трансформатора АОСН - 82УХЛ4 на передней панели установки находится вольтметр 79LV со шкалой 250В класса точности 1,5 и для контроля напряжения на выходе блока питания, установлен киловольтметр М381 со шкалой на 15 кВ класса точности 1,5. Также на передней панели расположен амперметр М381 со шкалой на ЗА класса точности 1,5 для контроля общего тока на выходе блока питания, сигнальные лампочки «Сеть», «Установка напряжения», «Зажигание разряда». Для обеспечения защиты обслуживающего персонала предусмотрено разделение отдельных звеньев схемы автоматами максимального тока и кнопками управления. Вакуумная система установки состоит из вакуумной камеры (см. рис.2.4), вакуумного насоса типа РВН - 204. вакуумной арматуры, азотной ловушки, измерительной аппаратуры и вспомогательного оборудования. Вакуумная камера цилиндрической формы изготовлена из стали, толщина стенок камеры 0,015м. высота и диаметр вакуумной камеры по 0,5м. Камера имеет иллюминатор из оптического стекла, который предназначен для проведения оптических исследований (кино-фото съемки, визуальных наблюдений и снятия показаний приборов, координатных устройств и т.д.). Через вакуумные фланцы она подключается к системам откачки, измерения и регулирования давления.
Вакуумная камера имеет электрические разъемы для подключения источника питания разряда, электропитания двигателей координатных устройств. Она также снабжена разъемами, предназначенными для снятия сигналов с термопары, электрического зонда. Камера откачивается ротационным масляным насосом РВН-204 до давлений ІЗОПа. Рабочее давление в вакуумной камере регулируется изменением скорости откачки и натекателем, а измеряется U - образным ртутным манометром ценой деления ІЗОПа и образцовым вакуумметром типа ВО кл. точности 0.4. При необходимости давление можно было измерять высокочастотным вакуумметром. Образцовый вакуумметр использовали в диапазоне давлений 1,3-103 4-105 Па, ртутный манометр - в диапазоне 102-е-5-104Па, а высокочастотный манометр использовали при проверке вакуумной системы в диапазоне давлений 0,2- 200Па. Точность измерения давления газа была не хуже 10%. Как известно, ротационный одноступенчатый насос работает от 105Па до 13Па со скоростью, откачки s = 4-10"3м3/с. Поэтому время откачки приблизительно равно t = —— = 650 сек, где v = 7i-R2-Н = 0.4м3- объем
Распределение потенциала и напряженности электрического поля. Катодное и анодное падения потенциала
Распределения потенциала и напряженности электрического поля между жидким анодом (техническая вода) и металлическим катодом приведены на рис. 3.13. Анализ кривых показывает, что характер распределения потенциала и напряженности электрического поля между жидким анодом и металлическим цилиндрическим катодом существенно меняется по сравнению между металлическими электродами. Электрическое поле от жидкого анода к металлическому катоду вначале снижается, при 1 = 1,5 мм принимает минимальное значение, а затем к катоду возрастает. Минимальное значение поля равно 25 В/мм, а максимальное 55 В/мм. Описанный характер распределения электрического поля объясняется накоплением объемных зарядов между электролитическим анодом и металлическим катодом. С ростом 1 от 1,5 до 2,3 мм характер распределения напряженности электрического поля меняется и со стороны катода наблюдается возрастающий участок. Из сравнения (кривых 4 и 7) рис.3.14. следует, что в случае полого металлического катода интервал минимального значения Е расширяется. Известный закон Пашена об электрическом пробое устанавливает наименьшее значение напряжения зажигания и является результатом применения методов теории подобия и размерности к электрическому разряду в неподвижном газе между плоскими металлическими электродами. В последние годы эти методы успешно применяют к обобщению результатов исследований электрических дуг [97-100]. Как известно (см. [100]) электрические разряды в различных газах, более того, разряды в одном и том же газе могут быть подобны лишь приблизительно. Поэтому часто в критериальный форме обобщаются экспериментальные данные для каждого рода газа или разновидности разряда в отдельности. В результате такого подхода появляется возможность упрощения критериев подобия путем отбрасывания размерных комплексов, определяемых физическими параметрами, постоянными для данной ситуации. Рассмотрим критериальные уравнения, необходимые для обобщения характеристик самостоятельного разряда постоянного тока в неподвижном газе между жидким и твердотельным электродами.
Будем считать, что у сравниваемых разрядов рассматриваемые пробойные промежутки геометрически подобны, т.е. Q/l= const, где Q- характерный размер электрода (диаметр, длина и т. д.). Предположим также, что твердые электроды изготовлены из одного материала, равенство температур газа и электродов. Эти допущения позволяют исключить из рассмотрения критерии геометрического подобия. В законе Пашена критерием подобия является произведение Р 1 =const и чем меньше Р и 1, тем этот закон точнее выполняется. Но в отличие от закона Пашена Uc = f (Р 1), в рассматриваемых разрядах с жидким анодом, анализ ВАХ показал, что природа и процентный состав жидкого электрода значительно влияют на ВАХ разряда. С увеличением 1 напряжение разряда повышается и в исследованном диапазоне параметров U/I 0, т.е. ВАХ разрядов падающие. Учитывая выше изложенное, в качестве обобщенного безразмерного напряжения U I0,5 разряда можно принимать U = g0,5, где g - ускорение свободного падения. Тогда обобщенные ВАХ можно представить в виде где Кп = — = — - критерии подобия связанный с числом Кнудсена Хе к-Т (обратное значение числа Кнудсена для электронов). к-Т Хе = средняя длина свободного пробега электронов, к-постоянная Больцмана, Т - температура газа, Qea- сечение столкновения электрона с молекулой, К, =1/10,75 и К2 =Р-1. С целью упрощения обобщенной ВАХ разряда избавляемся от физических постоянных и упрощенную структуру уравнения ВАХ запишем в виде Логарифмируя (3.3.2) и применяя метод наименьших квадратов для среднеквадратичного отклонения искомого функционала от экспериментальных точек, находим формулы для расчета неизвестных С,а,Р. С помощью расчета на ЭВМ ( : л ) для разряда с анодом из технической воды получили обобщенную характеристику в виде формулы: некоторых комбинаций значений 1,1, U.
Мы видим удовлетворительное совпадение экспериментальных точек с точками расчетной кривой. При обработке экспериментальных данных мы убедились, что расслоением ВАХ по значениям 1 практически можно пренебречь. Поэтому критериальное уравнение (3.3.2) можно рекомендовать для обобщения ВАХ открытого самостоятельного объемного разряда с электролитическим анодом. На практике приходится работать с растворами солей, поэтому на рис.3.16 приведены обобщенные вольт - амперные характеристики разрядов между электролитическим анодом (0,05% раствор CuS04 в технической воде) и твердым катодом. В этом случае обобщенная вольт - амперная характеристика получена в виде зависимости: (3.3.6) и і0-5 В соответствии с (3.3.6) указанные зависимости построены в осях и I/10,75 на рис. 3.15. Мы видим удовлетворительное совпадение экспериментальных точек с точками расчетной кривой. Максимальное среднеквадратичное отклонение экспериментальных значений и разряда от расчетных составляет 10-г 12%. Поэтому полученные обобщенные характеристики могут быть рекомендованы для использования в расчетах паровоздушного разряда с электролитическим анодом.
Устройство для упрочнения металлического катода
Электрические разряды в газе между металлическими электродами изучены достаточно хорошо. Также известны способы и устройства для получения самостоятельного тлеющего разряда при атмосферном давлении между металлическими электродами [96]. Недостатком является сложность их создания. Устойчивый тлеющий разряд со сплошным пятном на электролитическом аноде и металлическом катоде при атмосферном давлении и малых межэлектродных расстояниях получен впервые, что расширяет его практическое применение. Целью данного устройства для получения тлеющего разряда со сплошным пятном на электролитическом аноде и металлическом катоде при атмосферном давлении и малых межэлектродных расстояниях является получение однородной плазмы и увеличение устойчивости тлеющего разряда для применения в технологических целях. Для получения тлеющего разряда со сплошными пятнами на электролитическом аноде и металлическом катоде разряд зажигается между металлическим катодом различной геометрической формы (сплошной и полый) и электролитической ячейкой с плоским токоподводом. Ток разряда выбирается в пределах 40мА I 1000А, диаметр металлического катода выбран от 3 до 15 мм, расстояние между металлическим и электролитическим электродами 0,1 1 5мм. В качестве электролитического анода использованы очищенная и техническая вода, а также слабые растворы NaCl, CuS04 и NH4C1. ВАХ тлеющего разряда со сплошными пятнами на электролитическом аноде и металлическом катоде представлены на рис. 3.7. Разработанное устройство в данной работе позволяет получить однородный и устойчивый самостоятельный тлеющий разряд со сплошным пятном на электролитическом аноде и металлическом катоде при атмосферном давлении в широком диапазоне параметров (I, 1, dK) простым образом. Это позволяет использовать их для обработки поверхностей изделий. На основе экспериментальных данных разработано устройство для упрочнения металлической поверхности, когда металлический катод находится вне электролита. Эксперименты по обработке проводились при атмосферном и пониженном давлениях. Экспериментальные исследования проводились с электродами различных форм, не представляло большой сложности перейти к исследованиям по обработке металлических изделий различных конфигураций. Результаты измерения микротвердости образцов металлов с различной предварительной обработкой поверхности показывают увеличение ее в 1,5-2 раза. На поверхности металлического катода при воздействии тлеющего разряда с электролитическим анодом, в основном, происходит локальное оплавление микровыступов, приводящее к залечиванию микропор и микротрещин и удаление примесных дефектов.
Это подтверждается фотографиями поверхности, полученными на электронном микроскопе 11 ТЕ51А " В500 и результатами оже-спектроскопии (рис. 4.2). Известные способы и устройства получения металлического порошка электролизом из раствора [111 4- 113] обладают существенными недостатками: отличаются сложностью и имеют низкую производительность. Например, в прототипе способа и устройства авторов Волосюк Ю.М. и Черных С.Н. [112], рабочие электроды предварительно тренируют в течение 3 -ь 5ч. в условиях двухслойной ванны при поляризации переменным током силой 0,1 -f- 0,12А, кроме того, электроды вращают с угловой скоростью 2 об/мин. В процессе электролиза с поверхности рабочих электродов непрерывно удаляют продукты электролиза при помощи постоянных магнитов, заключенных в полиэтилен. Устройство содержит три рабочих и вспомогательные электроды, которые подключены к источнику переменного тока. Производительность устройства П = 0,1017-10"13 кг порошка за час. Разработанном устройстве удается получить около 0,06кг оксидного порошка в час. Устройство получения оксидного порошка заключается в том, что разряд зажигается между электролитическим анодом и металлическим катодом цилиндрической формы (распыляемый материал), устанавливаем ток в диапазоне 0,7 4-1,5А и давлении Р=6300-т-105 Па , а межэлектродное расстояние 1 поддерживаем в пределах 1= 0,0001 -f 0,002м (фото рис.4.1). После работы в течении одного часа собирали весь образовавшийся порошок в сборную емкость и проводили промывку этиловым спиртом. Избыток спирта удаляли, порошок сушили на воздухе до постоянного веса. Затем определяли вес порошка посредством взвешивания на аналитических весах. Уменьшение диаметра твердого электрода приводит к увеличению производительности порошка. Микроскопические исследования порошка с помощью микроскопа ММР -2с позволили измерить диаметры частиц порошка, собираемых в электролитической ванне. Частицы порошка в основном имеют форму сферы, а их диаметр преимущественно находится в диапазоне 20-И50мк. В зависимости от режима и условий можно получить порошок определенного диаметра. Устройство реализуется также при атмосферном давлении в диапазоне 0,16 — 2,1. Тогда производительность порошка при мощности d разряда 0,7кВт составляет 0,05 -г 0,06 кг/ч. При получении порошка из металлов использовали электролит из водных растворов солей NaCl или CuS04. Причем существенное значение имеет проводимость электролита. С увеличением его проводимости облегчается режим получения порошка.
Полученный в разряде порошок в основном состоит из частиц сферической формы. Сферическая форма синтезируемых частиц порошка обусловлена силами поверхностного натяжения при отрыве их от электрода и падении в электролит. Быстрое охлаждение частиц в электролите способствует сохранению этой формы и образованию в порошке магнетита - Fe304 . Рассмотрим характеристики порошков, получаемых в разряде с жидким электродом. В основном синтезирование порошка осуществляют путем ввода различных видов сырья в поток низкотемпературной плазмы. В данном случае частицы образуются из материала твердого электрода в разряде с жидким электродом. В экспериментах в качестве распыляемого электрода мы использовали стальные цилиндры из углеродистых сталей с содержанием углерода 0.20, 0.35, 0.45. Синтез порошка произведен при нормальных атмосферных условиях. Гранулометрический состав полученного порошка был определен методом просеивания пробы через набор сит с размерами стороны ячейки от 0,05 до 2мм. Для анализа формы и размера частиц использовался металлографический микроскоп ММР - 2. Фазовый состав порошка определен с применением рентгеновского дифрактометра ДРОН - 3 и гаммарезонансного спектрометра ЯГРС - 4М. Размеры частиц и интенсивность их образования зависят от природы материала электрода. Даже полученные из разных марок углеродистых сталей порошки отличаются по дисперсности. Она повышается с увеличением содержания углерода в стали и одновременно уменьшается производительность процесса синтеза порошка. На производительность установки влияет также природа электролита и межэлектродное расстояние. Стальной порошок лучше синтезируется, если в качестве электролита использовать раствор NaC 1.
