電弧爐內(nèi)的實際起弧方法是:當(dāng)兩根電極與電源接通時,將兩極作短時間的接觸(短路)·而后分開,保持一定距離,在兩極之間就會出現(xiàn)電弧。這是由于電極接觸時.通過的短路電流很大,而電極的接觸并非理想的平面接觸,實際上僅僅是某些凸起點的接觸.在這些接觸地方通過大的短路電流,1111電流密度很大.很快將接觸處加熱到較高的溫度。電極分開以后,陰極表面產(chǎn)生熱電子發(fā)射.發(fā)射出的電子在電場作用下朝用極方向運動,在運動中碰撞氣體的中性分子,使之電離為正離子和電子。此外電弧的高溫使氣體(包括金屬的蒸氣)發(fā)生熱電離;電場的作用也使氣體電離。產(chǎn)生的帶電質(zhì)點在電場吸引下,電子飛往陽極.正離子飛往陰極.因而使電流通過兩極之間的氣體。但是,電子質(zhì)輕體小,到達陰極的可能性大,電弧主要靠電子導(dǎo)電。在此過程中,放出大量的熱和強烈的光。
電弧在氣體電離時吸收能量,基本是電場供給的電能。帶電質(zhì)點復(fù)臺時放出電離時吸收的能量,就*終效果而言,或者使中性質(zhì)點激化而發(fā)光,或者加強紊亂運動(熱運動)而發(fā)熱升溫。靠同時進行的電離和復(fù)合過程,電弧把電能轉(zhuǎn)變成熱能。
整個電弧由陰極區(qū)、陽極區(qū)以及弧柱三部分構(gòu)成。
陰極區(qū)指電弧中緊靠陰極端面的氣體微薄區(qū)域。厚度大約等于電子在氣體中的自由程(~10山cm)。所謂陰極亮斑就是電流集中通過的小塊面積,該小塊面積的溫度很高,是熱電子發(fā)射*激烈的地方。明極亮斑點是陰極端面上存在氧化物或雜質(zhì)的斑點。該處逸出功降低,容易發(fā)射熱電子。陰極亮斑不時隨斑點轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移,造成陰極亮斑的跳動現(xiàn)象。陰極區(qū)的電流中主要是陰極發(fā)射的電子流,還有來自弧柱中的正離子流,前者向著弧柱運動,后者則撞擊陰極使之加熱。陰極區(qū)的范圍很窄,故電場強度很大,達到10‘v/cm.因此電子從陰極表面逸出后就得到加速。
陽極區(qū)指電弧中緊靠陽極的區(qū)域。陽極區(qū)較陰極區(qū)寬些,但壓降差不多,故陽極區(qū)的電場強度比陰極區(qū)小。陽極上電流集中的地方也出現(xiàn)光亮的斑點,稱為陽極斑點。
弧柱指介于陰極區(qū)和陽極區(qū)中間的區(qū)域。由于陰極區(qū)和陽極區(qū)都極薄,電弧長度近似等于電極間距。沿弧柱長度上帶電質(zhì)點分布均勻,故沿長度方向上的電位降也是均勻的。
電弧中三個區(qū)域產(chǎn)生的熱量都是電能轉(zhuǎn)變的,但是機理不同,溫度也不同。
陰極區(qū)熱能的產(chǎn)生是由于正離子碰撞到陰極上.給出自己的位能(電離功)和動能.轉(zhuǎn)化為熱能。此外,電流通過陰極區(qū)克服陰極區(qū)壓降也產(chǎn)生熱能。所產(chǎn)生的熱能用于電子的逸出功(電子發(fā)射所必須消耗的能量)、陰極蒸發(fā)和熔化所需熱能以及因輻射與傳導(dǎo)所損失的熱能。
陽極區(qū)熱能來源于電子撞擊陽極時交出自己的全部動能和位能(逸出功)轉(zhuǎn)化為熱能。與陰極區(qū)比較,陽極區(qū)不支付電子的選出功.故陽極區(qū)產(chǎn)生的熱量較多,溫度高于陰極區(qū)。這就是直流電弧爐以熔池爐料作為陽極的緣故。
對于一般的炭質(zhì)電極,陰極亮斑溫度為3000~4000~(:;大電流電弧溫度較高,陽極斑點約為4900。
弧柱中熱能的產(chǎn)生基本是由于帶電質(zhì)點復(fù)合所放出的能量。氣體(包括金屬蒸氣)分子或原子*初吸收電能而電離成正負離子和電子.后來正離子捕獲電子正負離子復(fù)合成中性分子,又放出相當(dāng)于電離功的熱和光。在常壓和絕熱條件下,弧柱中單位體積產(chǎn)生熱量的多少以及所達到的*高溫度,取決于氣體電離功的大小,弧柱*高溫度?。?K)與電離電位V的關(guān)系
煉鋼爐中電弧的氣體中,除空氣外尚有金屬和碳的蒸氣,綜合電離電位6—10~’.故理論上弧柱的*高溫度可達5000~8000K。
弧柱實際溫度較低,因為向其他物體傳熱?;≈鶡嵩谌刍療嶂兴急壤暊t型而不同。
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