Спосіб роботи електродугового плазмотрона з термокатодом

1. Спосіб роботи електродугового плазмотрона з термокатодом, за яким в прикатодний простір плазмотрона подають інертний захисний газ, підпалюють дугу, подають робочий газ і виводять плазмотрон на робочий режим, який відрізняється тим, що тривалість подачі і витрату інертного захисного газу до запалювання дуги задають з умови забезпечення докритичного значення парціального тиску активних газів біля поверхні термокатода, при цьому величина вказаного тиску обумовлена властивостями емісійного матеріалу термокатода. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що після гасіння дуги інертний захисний газ продовжують подавати в прикатодний простір до остигання термокатода до температур, припустимих для його контакту з атмосферою без отруєння емісійної поверхні. Винахід відноситься до області електротермії, зокрема, до електродугових генераторів низькотемпературної плазми (плазмотронів), у конструкції яких використовуються термокатоди. Відомі електродугові плазмотрони, у конструкціях яких використовуються термокатоди, а в якості плазмоутворюючого або захисного застосовуються інертні гази з метою зниження ерозії термокатоду. Спосіб роботи таких плазмотронів широко описаний у літературі (див., наприклад, Коротеев А.С. Электродуговые плазмотроны). Найбільш близьким по призначенню і технічній сутності є обраний як прототип описаний спосіб роботи електродугового плазмотрона з термокатодом [пат. США №4596918, МКл(8) B23D09/00, B23D09/16]. Він полягає в наступній послідовності операцій: у прикатодний простір плазмотрона подають інертний захисний газ, підпалюють дугу, подають робочий газ і виводять плазмотрон на робочий режим. Недоліком зазначеного способу є низький ресурс термокатодів і, унаслідок цього, низький ресурс плазмотрона. Це пов'язане з тим, що в плазмотронах, що працюють з викидом плазми в атмосферу, внутрішні порожнини перед включенням заповнені атмосферним повітрям, що містить гази, які можуть активно реагувати з емісійним матеріалом термокатоду. Кількість активних домішок є найважливішим чинником, що визначає ресурс термокатоду. Загальновідомим фактом у фізиці катодних процесів є те, що емісійні властивості матеріалів різко погіршуються навіть при незначній присутності в приелектродному просторі кисневмісних газів, а при досягненні критичних значень їхнього парціального тиску - падають у десятки разів. На Фіг. приведений характерний вигляд кривої зміни емісії при підвищенні парціального тиску активних газів, яку отримано при іспитах термокатодів на отруєння при різних температурах [Амосов В.М., Карелин Б.А., Кубышин В.В. Электродные материалы на основе тугоплавких металлов]. З приведеного графіку видно, що критичне значення парціального тиску повітря, після якого починається різке падіння струму емісії, трохи збільшується з ростом температури термокатоду. Однак характер зміни струму емісії залишається незмінним. (19) UA (11) 83292 (13) C2 (21) a200610628 (22) 09.10.2006 (46) 25.06.2008, Бюл.№ 12, 2008 р. (72) КРИВЦОВ ВОЛОДИМИР СТАНІСЛАВОВИЧ, UA, ПЛАНКОВСЬКИЙ СЕРГІЙ ІГОРОВИЧ, UA, ЛОЯН АНДРІЙ ВІТАЛІЙОВИЧ, U A, АЛЕКСАНДРОВ ІГОР ВАЛЕНТИНОВИЧ, UA, ТІУНОВ ВОЛОДИ МИР МИКОЛАЙОВИЧ, UA, ГОЛІК ВАДИМ ВОЛОДИ МИРОВИЧ, UA (73) НАЦІОН АЛЬНИЙ АЕРОКОС МІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. М.Є.ЖУКОВСЬКОГО "ХАРКІВСЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ ІНСТИТУТ", UA, ЗАКРИТЕ АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО "НОВОКРАМАТОРСЬКИЙ МАШИНОБУДІВНИЙ ЗАВОД", UA (56) SU 1815885 A1, 27.11.1996 SU 1655285 A1, 15.10.1993 US 4596918, 24.06.1986 JP 8045697, 16.02.1996 3 83292 У випадку, якщо перед включенням плазмотрона кількість активних газів не буде знижено до рівня, що забезпечує нормальну роботу емісійного матеріалу, неминуче відбувається наступне. Для підтримки горіння дуги потрібно забезпечити певний рівень емісії електронів з поверхні термокатоду. При кількості отруйних домішок у прикатодному просторі, що перевершує критичні значення для емісійного матеріалу, що застосовується, робота виходу електронів з поверхні термокатоду істотно підвищується. Горіння дуги стає можливим тільки при сильному стиску плями дуги на поверхні термокатоду. Це приводить до зростання питомих теплових потоків у рази, перегріву і до катастрофічної ерозії термокатоду. Ті ж явища можуть відбуватися при роботі плазмотрона, у випадку, якщо режим подачі інертного захисного газу не забезпечує необхідного складу атмосфери поблизу термокатоду. Крім того, припинення подачі захисного газу відразу після гасіння дуги при вимиканні плазмотрона приводить до контакту активних газів з гарячим термокатодом. У результаті відбувається інтенсивне отруєння емісійного матеріалу, що приводить до різкого підвищення ерозії термокатоду при наступному включенні плазмотрона. В основу винаходу покладене рішення задачі підвищення ресурсу електродугових плазмотронів шляхом завдання тривалості подачі і витрати інертного захисного газу до запалювання дуги з умови забезпечення докритичного значення парціального тиску активних газів біля поверхні термокатоду. Величина цього тиску задається властивостями емісійного матеріалу термокатоду, і визначається при експериментальних дослідженнях за відомими методиками. Крім того, введення в послідовність операцій процесу продувки плазмотрону інертним захисним газом після гасіння дуги до остигання термокатоду забезпечує мінімальне зниження емісійних властивостей термокатоду після контакту з активними газами, знижує ерозію термокатоду при наступних запусках плазмотрона і також сприяє підвищенню ресурсу плазмотрона. Сутність винаходу полягає в тім, у способі роботи електродугового плазмотрона з термокатодом, при якому в прикатодний простір плазмотрона подають інертний захисний газ, підпалюють дугу, подають робочий газ і виводять плазмотрон на робочий режим, відповідно до винаходу, тривалість подачі і витрата інертного захисного газу задають з умови забезпечення докритичного значення парціального тиску активних газів біля пове 4 рхні термокатоду. Величина критичного тиску визначається властивостями емісійного матеріалу термокатоду. Режим подачі захисного газу (час продувки, витрата) для кожної конкретної конструкції плазмотрона визначають експериментально за допомогою відомих методів, що дозволяють контролювати парціальний тиск газів (наприклад, масспектрометрії). У ході роботи плазмотрона режим подачі інертного захисного газу призначається аналогічно. При необхідності вимикання плазмотрона після гасіння дуги виключають подачу робочого газу. При цьому інертний захисний газ подають у прикатодний простір до того часу, поки термокатод не остигне до температур, припустимих для його контакту з атмосферою. Зазначений спосіб був реалізований при створенні електродугового плазмотрона з термокатодом на основі вольфрамової губки, просоченої складними оксидами рідкоземельних металів і барію. Критичний парціальний тиск активних газів для цих емісійних матеріалів за результатами експериментальних досліджень склав 10-2Па. Для забезпечення докритичного значення парціального тиску активних газів для досліджуваного плазмотрона був експериментально визначений режим подачі інертного захисного газу (аргону) - тривалість подачі до запалювання дуги 180сек, витрата 1,0-10-4 кг/сек протягом роботи плазмотрона, тривалість подачі після гасіння дуги 240сек. Контроль парціального тиску активних газів у прикатодному просторі плазмотрона здійснювався за допомогою мас-спектрометра. Отримані дані були використані при завданні режимів подачі інертного захисного газу при ресурсних випробуваннях плазмотрону. Плазмотрон випробувався протягом 300 годин при силі струму від 1 до 2кА . У ході наступних перевірок слідів ерозії термокатоду не виявлено. Таким чином, вибір режимів подачі інертного захисного газу виходячи з умови забезпечення докритичних значень парціального тиску активних газів поблизу термокатоду на всіх етапах роботи дозволяє забезпечити оптимальні умови для роботи термокатоду. При цьому термокатод не перегрівається, що істотно знижує його ерозію і підвищує ресурс. Крім того, подача інертного захисного газу після гасіння дуги і вимикання подачі робочого газу дозволяє істотно зменшити ефект отруєння емісійної поверхні в результаті її взаємодії з активними газами атмосфери, що істотно знижує ерозію термокатоду при наступних запусках плазмотрона і підвищує його ресурс. 5 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 83292 6 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601