Исследование условий образования углеродных пленок на цилиндрическом катоде при горении дуги в среде углеводородных газов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование условий образования углеродных пленок на цилиндрическом катоде при горении дуги в среде углеводородных газов

Р.В. Галёв, В.П. Лукашов, С.П. Ващенко

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт теоретической и прикладной механики

им. С.А. Христиановича СО РАН

Новосибирск

Одним из путей решения проблемы увеличения ресурса работы катода электродугового плазмотрона, является восстановление его рабочей поверхности путем осаждения на ней материала из плазмообразующего газа. Наиболее доступным вариантом реализации этого подхода является использование в составе плазмообразующего газа различного рода углеводородов. На основе большого количества экспериментальных и теоретических работ определен состав газовой фазы (плазмообразующего газа) при котором реализуется режим самовосстановления рабочей поверхности электрода [1]. Одним из недостатков данного подхода является узкий диапазон содержания углерода в плазмообразующем газе, при котором реализуется режим равновесия скоростей его эрозии и осаждения. Это не позволяет использовать режим самовосстановления в большинстве технологических процессов.

Целью настоящей работы является разработка способов (поиск путей) расширения диапазона содержания углерода в плазмообразующем газе при котором реализуется режим равновесия скоростей его эрозии и осаждения.

Работоспособность осажденного слоя углерода определяется условиями его получения, структурой и характером контакта с подложкой. Длительный, теоретически бесконечный, режим работы осажденного слоя может осуществляться в условиях динамического равновесия процессов его эрозии и осаждения углерода. Это в свою очередь определяется условиями, как на поверхности электрода, так и процессами, проходящими в газовой фазе. Ситуация усложняется наличием в зоне осаждения процессов электропереноса.

Термодинамическое моделирование процесса термического разложения наиболее устойчивого из предельных углеводородов - метана (рис. 1) показало, что в широкой области температуры Т = 800 ¬- 3100 К существует конденсированная фаза углерода. Нижняя граница существования конденсированного углерода определяется началом пиролиза метана, верхняя граница - процессом образования газофазных углеводородов.

Рис. 1. Продукты пиролиза метана

углерод катод плазмообразующий газ

Формирование структуры (осаждаемого) углеродного слоя является многопараметрической задачей определяемой как состоянием и структурой поверхности, на которую производится осаждение, так и условиями и процессами, происходящими в газовой фазе.

В ряде технологий возникает задача нагрева углеводородов в отсутствии или с очень малым расходом окислителя. В этом случае невозможно получение равновесного режима эрозии электрода и осаждения углерода из газовой фазы. В течение короткого времени происходит зарастание электрода углеродом с перекрытием дугового канала.

Также возможно технологическое требование минимизировать или исключить углеводороды в плазмообразующем газе. Но в таком случае низкая концентрация углерода не позволит катоду восстанавливаться.

Предлагаемый нами подход с одной стороны может позволить решить проблему зарастания катода в случае большой концентрации углеводородов в плазмообразующем газе, а с другой стороны, может позволить решить проблему обеспечения необходимой для восстановления катода концентрации углерода локально вблизи катода при условии требования низкой концентрации углеводородов в плазмообразующем газе.

Суть предлагаемого подхода состоит в создании локальных областей в прикатодной области дуги с концентрацией углерода достаточной для реализации равновесного режима самовосстановления. На рис. 2 и 3 представлены два крайних (граничных) варианта реализации этого подхода. Рис. 2 отражает случай, когда основным плазмообразующим газом являются углеводороды, а рис. 3 когда основным плазмообразующим газом является кислородсодержащий газ.

Рис. 2. Схема раздельной подачи газов для создания завесы

Рис. 3. Схема раздельной подачи газов для создания концентрации углеводородов

Создание завесы (см. рис. 2). Для выяснения принципиальной возможности создания завесы были проделаны численные расчеты с использованием пакета ANSYS FLUENT без учета температурных эффектов. Результат расчетов представлен на рис. 4(слева).

В расчете использовались такие газы и значения расходов газов, которые предпочтительны для экспериментальной проверки.

Далее исследовалась принципиальная возможность изменения концентрации защитного газа за счет геометрии стенок и изменения формы катода вследствие осаждения углерода. Результат расчета представлен на рис. 4(справа).

а б

Рис. 4. Влияние расхода водорода на распределение его концентрации в случае отсутствия (слева) и наличии (справа) углеродного депозита: а - распределение концентрация водорода, б - зависимость концентрации водорода в области торца катода от расхода водорода

Из расчета видно, что с ростом геометрических размеров катода газовая завеса меняется таким образом, что оттесняет углеродосодержащий газ от поверхности катода.

Создание концентрации углеводородов (см. рис. 3). Для уточнения влияния общей длины канала на концентрацию углеводородного газа в области катода были проведены расчеты, представленные на рис. 5. Расчеты показали, что за счет раздельной подачи углеродсодержащего и защитного газов и изменения расхода защитного газа появляется возможность управления концентрацией углерода.

а б

Рис. 5. Влияние длины канала на концентрацию пропана в катодной области: а - схема расчета, б - зависимость концентрации пропана в области торца катода от расхода пропана

Эксперимент. Для экспериментального исследования структуры и свойств углеродного покрытия была разработана и изготовлена экспериментальная установка, схема которой показана на рис. 6.

Рис. 6. Схема экспериментальной установки

Установка представляет собой плазмотрон с межэлектродной вставкой (МЭВ) (1), узлом ввода углеводородов (2) и цилиндрической втулкой (3) на внутреннюю поверхность которой происходит осаждение углерода. Углеводороды вводятся в струю плазмы истекающую из анода плазмотрона. Плазмотрон с МЭВ позволяет генерировать стабильную во времени и пространстве струю плазмы нейтрального или окислительного газа с широким диапазоном температуры Т = 2000-10000 К. В качестве плазмообразующего газа в плазмотроне могут применяться азот, воздух, инертные газы и смесь инертных газов с водородом. После смешения струи плазмы с углеводородами установка позволяет получать струю углеводородсодержащих газов с диапазоном температуры от начала пиролиза метана, до полного перехода углерода в газовую фазу в виде различного рода непредельных углеводородов.

Установка позволяет производить исследование процесса осаждения конденсированного углерода как на охлаждаемую, так и на неохлаждаемую поверхность, а так же исследовать разложение газофазных непредельных углеводородов на горячей стенке. Это в свою очередь позволяет моделировать условия работы плазмотрона как с цилиндрическим медным электродом, так и с графитовой подложкой.

Список литературы

1. Жуков М.Ф., ПустогаровА.В., Дандарон Г.-Н.Б., Тимошевский А.Н. Термо-химические катоды. Н.: ИТ СО АН СССР, 1985.

Размещено на Allbest.ru