Equilibrum Composition of Thermal Plasma with Copper and Chromium Vapours Admixtures

Thermal plasma of electric arc is widely used in various technological applications: welding, cutting, lamps, spraying, protection of electrical installations, etc. Process efficiency is defined by different parameters that determine arc operation and influence the energy transfer within the medium. All energy exchanges depend on the medium, which is modified by the presence of the arc and more particularly by the appearance of new species from contact erosion. Sintered Cu-Cr composites are widely used as electrical contacts for vacuum circuit breakers. These materials take advantage of the high thermal and electrical conductivity of Cu and of the refractory and oxygen getter properties of reinforcing Cr particles. The aim of this paper is to give results of the calculation of the equilibrium composition of argon and air plasma with various admixtures of Cu and Cr

Thermal Plasma of Electric Arc Discharge Between Cu-Cr Composite Electrodes

This work deals with investigations of model plasma source realised as electric arc discharge in gas atmosphere between Cu-Cr composite electrodes. Radial distributions of temperature and electron density in arc plasma column were studied by optical emission spectroscopy. The content of electrode metals' vapours in discharge was calculated on the base of experimentally obtained plasma parameters as initial data. So, in this way the erosion properties of such composition can be determined

Diagnostics of plasma of electric arc discharge between asymmetric single-component Cu and Ni electrodes

In this work, the radial distributions of parameters of plasma with copper and nickel vapours admixtures in positive column of electric arc discharge were investigated by optical emission spectroscopy. The plasma temperature was determined by the Boltzmann plot technique on the basis of absolute values of radiation intensity of both copper and nickel atomic spectral lines. Concentrations of both kinds of metal atoms of electrode origin were determined by the method of absolute intensities of the corresponding spectral lines of radiation of such plasma.Методами оптичної емісійної спектроскопії досліджено радіальні розподіли параметрів плазми з домішками парів міді та нікелю в позитивному стовпі дугового розряду. Температура плазми визначалась методом діаграм Больцмана із залученням абсолютних значень інтенсивності випромінювання спектральних ліній як атомів міді, так і нікелю. Концентрації обох сортів атомів металів електродного походження визначались методом абсолютних інтенсивностей відповідних спектральних ліній випромінювання такої плазми

Thermal Plasma of Electric Arc Discharge Between Composite Cu-Cr Electrsodes: Optical Emission and Electrode Surface Interaction

This work deals with investigations of thermal plasma of electric arc discharge between sintered composite Cu-Cr electrodes, which can be used in electrical contacts of vacuum circuit breakers. Breaking arcs between composite Cu-Cr as well as single-component copper electrodes were used to study the electrical properties, plasma optical emission and electrodes surface modification behavior. In particular, the temporal evolution of plasma emission spectra of electric breaking arcs in air atmosphere was investigated by Optical Emission Spectroscopy (OES). Scanning Electron Microscopy (SEM) with Energy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDXS) were applied to analyze the cross-section of working layer of electrodes surface modified by the heat flux from the discharge

Peculiarities of interaction of Cu-W composite materials with thermal arc discharge plasma

This work is a part of acomplex investigation of the interaction of Cu-W composite materials with thermal electric arc discharge plasma. The plasma of 3.5 A DC arc discharge between novel Cu-W composite materials, fabricated by shock pressing technology at the temperature of 750°C, was studied at this stage. Spectra of such plasma emission were registered and treated to determine the radial distributions of plasma temperature in three different cross-sections of the plasma channel, namely in near-cathode, near-anode and middle cross-sections.Описано частину комплексного дослідження взаємодії Cu-W композитних матеріалів з термічною плазмою електродугового розряду. На цьому етапі роботи досліджувалась плазма дугового розряду постійного струму 3,5 А між новітніми композитними матеріалами Cu-W, які виготовлені за технологією ударного пресування при температурі 750°C. Зареєстровано та оброблено спектри випромінювання такої плазми з метою визначення радіального розподілу температури в трьох різних поперечних перерізах плазмового каналу, а саме в прикатодному, прианодному та середньому перерізах

Investigation of thermal plasma of arc discharge between novel composite Cu-W materials

In this work, the plasma emission of electric arc discharges between pairs of composite Cu-W electrodes was investigated by optical emission spectroscopy. Electrodes manufactured of Cu-W 50 vol.% composite materials by shock sintering technology at temperatures of 750, 850, 950, and 1050°C were used. The radial distributions of plasma temperature were determined by Boltzmann plot technique on the basis of the absolute values of intensity of both copper and tungsten spectral lines. The concentration of metal atoms of electrode origin (copper and tungsten) in the positive plasma column of electric arc discharges between studied electrodes manufactured of composite Cu-W materials was determined by the method of absolute intensities. The intensity of erosion of individual components of composite materials is estimated in an indirect way by comparing the radial distributions of atoms of materials of electrode origin for each type of the investigated arc discharge.Методами оптичної емісійної спектроскопії досліджено випромінювання плазми електродугових розрядів між парами композитних Cu-W-електродів. Використано електроди, виготовлені з композитних матеріалів Cu-W 50 об.% за технологією ударного спікання при температурах 750, 850, 950 і 1050°C. Методом діаграм Больцмана із залученням абсолютних значень інтенсивності спектральних ліній як міді, так і вольфраму, визначено радіальні розподіли температури плазми електродугових розрядів. Методом абсолютних інтенсивностей визначено концентрацію атомів металів електродного походження (міді та вольфраму) в позитивному стовпі плазми електродугових розрядів між досліджуваними електродами з композитних матеріалів Cu-W. Інтенсивність ерозії окремих складових композитних матеріалів оцінена в непрямий спосіб із порівняння радіальних розподілів атомів матеріалів електродного походження для кожного типу досліджуваного дугового розряду

Investigation of electric arc discharge plasma between one-component Cu and Ni and composite Ag-Ni electrodes

Plasma of electric arc between one-component Cu and Ni and composite Ag-Ni electrodes was studied by means of optical emission spectroscopy. Radial temperature profiles of plasma column were obtained using Boltzmann plot techniques at arc currents of 3.5 and 30 A. Radial distributions of plasma electron density of electric arc discharge between Cu and Ni and Ag-Ni electrodes were measured as well at currents 3.5 and 30 A. Equilibrium of plasma composition was calculated. The properties of material erosion processes on the electrodes’ surface are studied.Методами оптической спектроскопии исследована плазма электродугового разряда между однокомпонентными Cu и Ni и композитными Ag-Ni-электродами. С помощью диаграмм Больцмана получены радиальные распределения плазменного столба для дуги током 3,5 и 30 А. Проведены измерения радиальных распределений электронной концентрации плазмы дугового разряда током 3,5 и 30 А между Cu и Ni и Ag-Ni-электродами. Рассчитан равновесный состав плазмы. Исследованы свойства эрозионных процессов материала на поверхности электродов.Методами оптичної емісійної спектроскопії досліджена плазма електродугового розряду між однокомпонентними Cu та Ni і композитними Ag-Ni електродами. Радіальні розподіли температури плазмового стовпа отримані з діаграм Больцмана для дуги струмом 3,5 та 30 А. Виміряні радіальні розподіли електронної концентрації плазми дугового розряду струмом 3,5 та 30 А між Cu та Ni and Ag-Ni-електродами. Розрахований рівноважний склад плазми. Досліджені властивості ерозійних процесів матеріалу на поверхні електродів

Diagnostics of thermal plasma with Cu and Ni vapour admixtures

This work is devoted to diagnostics of thermal electric arc discharge plasma with copper and nickel vapour admixtures by optical emission spectroscopy and possibility of its usage for investigation of plasma regions near-electrodes surfaces. The spectra of plasma emission from such areas were obtained by registration device with spatial and spectral resolution. The Boltzmann plot technique was used to determine the radial distribution of plasma temperature of arc discharge channel in different cross-sections. Namely, the regions of arc discharge plasma in the vicinity of cathode and anode surfaces in the two different configuration of electrodes assembly (copper as a cathode, nickel as an anode and vice versa) were investigated.Присвячено діагностиці термічної плазми електродугового розряду з домішками парів міді та нікелю методами оптичної емісійної спектроскопії та можливості застосування цих методів для дослідження областей плазми поблизу поверхонь електродів. Спектри випромінювання плазми з таких ділянок отримані із застосуванням оптичної схеми з просторовою та спектральною роздільними здатностями. Для визначення радіальних розподілів температури плазми в каналі дугового розряду в різних поперечних перерізах використовувався метод діаграм Больцмана. Зокрема, досліджено області плазми дугового розряду поблизу поверхонь катода та анода у двох різних конфігураціях електродного вузла (мідний катод, нікелевий анод і навпаки)

Composite Cu-Cr materials under thermal action of electric arc discharge plasma

The results of optical emission spectroscopy (OES) investigation of plasma of electric arc discharges in steadystate mode between Cu-Cr composite electrodes, manufactured at different sintered temperatures: 750, 850, 950 or 1050 °C, is presented. In particular, the impact of sintering temperature on erosion resistanceof such composite materials, which was determined in indirect manner by estimation of metal vapours content in the midsection of discharge gaps, is studied by the analysis of plasma parameters. These contents were calculated in assumption of local thermodynamic equilibrium (LTE) on the base of experimentally obtained radial distributions of plasma temperature and electron density.Представлено результати дослідження плазми дугових розрядів у стаціонарному режимі методами оптичної емісійної спектроскопії (ОЕС) між електродами з Cu-Cr-композитних матеріалів, виготовлених при різних температурах спікання: 750, 850, 950 та 1050 °С. Зокрема, на основі аналізу параметрів плазми досліджено вплив температури спікання на ерозійну стійкість таких композиційних матеріалів, яка визначалась у непрямий спосіб – шляхом оцінки вмісту парів металів у середньому перерізі розрядних проміжків між електродами. Розподіли вмісту парів металів були розраховані в припущенні локальної термодинамічної рівноваги на основі експериментально одержаних радіальних розподілів температури плазми і електронної концентрації.Представлены результаты исследования плазмы дуговых разрядов в установившемся режиме методами оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС) между электродами из Cu-Cr-композитных материалов, изготовленных при различных температурах спекания: 750, 850, 950 и 1050 °С. В частности, на основе анализа параметров плазмы исследовано влияние температуры спекания на эрозионную стойкость таких композиционных материалов, которая определялась косвенным способом ‒ путем оценки содержания паров металлов в среднем сечении разрядных промежутков между электродами. Распределения содержания паров металлов были рассчитаны в предположении локального термодинамического равновесия на основе экспериментально полученных радиальных распределений температуры плазмы и электронной концентрации

Plasma-surface interaction of electric arc discharge between composite Cu-Cr electrodes

In this work the plasma of electric arc discharges between Cu-Cr composite electrodes, which material were pressured and sintered at different temperatures 750 or 1050°C, are investigated by Optical Emission Spectroscopy (OES). The Scanning Electron Microscopy (SEM) with Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDXS) are used to study the working surface of electrodes, modified by thermal effect of breaking electrical arc in the air atmosphere. The erosion intensity of electrodes’ material due to plasma-surface interaction is estimated in indirect way by determination of metal vapours content in the discharge gap in an assumption of local thermodynamic equilibrium (LTE). The plasma composition is calculated in this case on the base of experimentally determined plasma parameters: temperature and electron density.Методами оптичної емісійної спектроскопії досліджується плазма електродугових розрядів між композитними Cu-Cr-електродами, матеріал яких y процесі виготовлення піддавався пресуванню та спіканню при різних температурах: 750 або 1050°C. Для дослідження робочої поверхні електродів, які зазнали впливу термічної дії розривної електричної дуги в атмосфері повітря, використовується скануюча електронна мікроскопія (СЕМ), доповнена енергодисперсійною рентгенівською спектроскопією (ЕДРС). Інтенсивність ерозії матеріалу електродів внаслідок взаємодії плазма-поверхня оцінювалась у непрямий спосіб шляхом визначення вмісту парів металів у розрядному проміжку в припущенні локальної термодинамічної рівноваги (ЛТР). Склад плазми в даному випадку розрахований з експериментально отриманих параметрів плазми: температури та електронної концентрації.Методами оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС) исследуется плазма электродуговых разрядов между композитными Cu-Cr- электродами, материал которых в процессе изготовления подвергался прессованию и спеканию при разных температурах: 750 или 1050°C. Для изучения рабочей поверхности электродов, подвергающейся термическому воздействию разрывной электрической дуги в атмосфере воздуха, использована сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), дополненная энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (ЭДРС). Интенсивность эрозии материала электродов вследствие взаимодействия плазма-поверхность оценивалась косвенным методом путем определения содержания паров металлов в разрядном промежутке в предположении локального термодинамического равновесия (ЛТР). Состав плазмы в этом случае рассчитан из экспериментально полученных параметров: температуры и электронной концентрации