Dutova O.S. et al. 2018 Vol. 20 No. 1

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 20 № 1 2018 56 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ их применение, все время увеличивается. Так, большой экономический эффект дает исполь- зование плазмотронов на теплоэлектростан- циях для розжига пылеугольных котлов [2–5]. Активно ведутся исследования по использова- нию плазмотронов в технологиях по перера- ботке техногенных отходов [6–9]. В силу этого типы используемых установок (аппаратов), их мощности, а также режимы эксплуатации от- личаются большим многообразием [1, 10]. Все это делает актуальным совершенствование су- ществующих и разработку новых конструкций плазмотронов. Важнейшим элементом вакуумного плазмо- трона является полый катод, определяющий все электрические, энергетические и эксплуатаци- онные характеристики вакуумной плазменной установки [11–14]. Использование вакуумных плазмотронов с катодами в виде полузамкнутой полости позволило получить значительные плот- ности тепловых потоков на поверхности нагрева при низких рабочих напряжениях (30…100 В), а также возможность получения высокого КПД (до 80…90 %) в диапазоне давлений от 1 до 10 3 Па [12, 14]. Полый катод представляет собой цилиндрическую трубку, через которую пода- ется газ в камеру низкого давления. Открытый конец трубки направлен в сторону анода. Длина катодной трубки должна составлять несколько ее внутренних диаметров. Процессы теплообмена в катодном узле до- статочно сложны. Экспериментальное изучение процессов в полом катоде трудоемко, и возмож- но только косвенное измерение физических ве- личин, определяющих протекание процессов внутри полости. Тепловое состояние катода формируется под воздействием плазмы на его внутреннюю поверхность, является следствием процессов, происходящих в ней, и, следователь- но, сильно зависит от ее физических параметров. Ресурс работы электродуговых нагревате- лей газов определяется скоростью разрушения электродов [12–14]. Механизм эрозии материа- ла электродов зависит от многих факторов – ис- пользуемого материала, условий охлаждения, давления в разрядной камере и в немалой степе- ни от параметров дугового разряда. Поэтому те- оретическое и экспериментальное исследование физико-механических процессов в материале электрода плазмотрона, направленное на повы- шение длительности их работы, является акту- альной задачей. Цель настоящей работы: создание физи- ко-математических моделей и численное ис- следование тепловых и рекристаллизационных процессов, происходящих в полом катоде ваку- умного плазмотрона под воздействием электри- ческой дуги. Методика исследований Физико-математическое моделирование процессов нагрева полых катодов Взаимодействие плазмы с твердым телом определяется не только процессами, происхо- дящими на его поверхности, но и изменениями физических характеристик в объеме материала. Для катодов дугового разряда поле температур в объеме материала и на его поверхности явля- ется одной из основных величин, характеризу- ющих их работоспособность. С одной стороны, плотность эмиссионного тока и эрозия зависят от поверхностного распределения температуры, а с другой – возникающие из-за неравномерно- сти нагрева катода температурные напряжения могут привести к его разрушению еще до оплав- ления поверхности контакта с дугой. Кроме того, механическому разрушению катода в ходе эксплуатации может способствовать ухудшение его электрофизических и механических харак- теристик, связанное с изменением структуры металла под воздействием высоких температур, термоциклирования и рекристаллизации. В работах [15–18] показано, что положение зоны привязки тока к катоду (активной зоны) определяется сложной взаимосвязью электро- динамических и газодинамических процессов, протекающих в катоде. Активная зона локали- зована в узком кольце, ширина ( z 1 , z 2 ) которого вдоль оси катода z увеличивается с ростом тока. Из экспериментов известно [12, 16], что увели- чение тока разряда приводит к росту максиму- ма температуры катода и перемещению его по оси z с незначительными изменениями ширины активной зоны. Рассмотрим теплообмен в полом катоде, ко- торый представляет собой цилиндрическую трубку с внутренним и внешним радиусами R 1 и R 2 соответственно. Длина L катодной трубки