Электротехнологические установки (стр. 17 из 32)

Плазменная сварка обеспечивает соединение деталей из меди, латуни, бронзы, алюминия и его сплавов. Плазменная наплавка и напыление обеспечивают покрытие деталей износостойким, жаропрочным и антикоррозионным составом с минимальным перемешиванием наносимого и основного материала.

Важным направлением использования плазменных потоков является вакуумная плазменная технология с использованием электромагнитных

ускорителей. В облако плазмы в вакууме помещают деталь, которой сообщают

отрицательный потенциал. Тогда положительные ионы вытягиваются из объема

плазмы, ускоряются электрическим полем и поступают к детали. В такой системе

удается получить потоки частиц со скоростями до сотни километров в секунду и энергиями до десятков тысяч электрон-вольт. Это позволяет проводить

технологические процессы, основанные на конденсации атомарных частиц на поверхности, испарение поверхности металлов, внедрение атомов в глубь кристаллической решетки, имплантацию ионов нужного вида.

В вакуумных плазменных установках может быть получена плазма всех известных металлов, сплавов, органических и неорганических веществ. При этом плазмы различных веществ могут вступать в интенсивное химическое взаимодействие, которое невозможно в других обстоятельствах.

Методом плазменной технологии в вакууме могут быть успешно решены следующие наиболее актуальные задачи:

получение особо чистых слоев материалов, обладающих специальными свойствами и выполняющих активные функции (магнитные, оптические, эмиссионные, сверхпроводящие и другие слои);

защита элементов конструкций барьерными слоями от воздействия

агрессивных сред, больших скоростей газовых потоков, высоких температур;

изменение структурно-энергетического состояния поверхности материалов

(упрочнение поверхности, ионное легирование полупроводников и др.); получение материалов в виде многослойных структур, обладающих высокими механическими и эксплуатационными свойствами; получение пленочных монокристаллических структур.

Вакуумная плазменная технология, несмотря на некоторую сложность, позволяет существенно пополнить арсенал методов бесконтактной обработки материалов.

Плазменные технологические процессы в химии состоят из следующих основных стадий: 1) генерация плазмы необходимого состава и параметров по температуре и давлению; 2) ввод реагентов - веществ в твердом, жидком или

газообразном состоянии и обеспечение необходимого времени их контакта; 3) вывод целевого продукта или нескольких продуктов из зоны реакции.

Для получения плазмы используются плазмотроны с различными принципиальными схемами. Плазмохимические реакции могут осуществляться

двумя способами: подача всех компонентов плазмы в зону электрического разряда

с прохождением тока его через реагирующую плазму и подача реагентов в струю плазмы вне зоны разряда. В первом случае плазмотрон совмещается с

реакционным объемом - реактором, во втором применяются плаз-моструйные реакторы, представляющие собой цилиндрический охлаждаемый сосуд, где происходит смешение плазменного потока с вводимым материалом.

Закалка и охлаждение продуктов реакции производятся путем введения в плазму вне зоны разряда дополнительного количества какого-либо газа или жидкости, а также охлаждаемых экранов-теплообменников.

Для получения оксидов азота, идущих в дальнейшем на производство азотных удобрений, используется воздушная плазма с температурой 3000-3500 К при давлении (20÷30) 10⁴ Па, охлаждаемая в процессе закалки со скоростью 10⁸ К/с до температуры 2000-1800 К и остывающая далее в теплообменниках.

Существующие способы получения плазмы можно классифицировать следующим образом: 1) взрыв проводника в электрической цепи; 2) электрическая искра; 3) высокочастотный факельный разряд; 4) коронирующий разряд; 5) дуговой разряд.

Для технологических целей наиболее приемлемыми оказались способы получения плазмы с помощью высокочастотного и дугового разрядов. В настоящее время последний способ имеет ряд преимуществ:

1) возможность получения плазмы в течение длительного времени с высоким коэффициентом полезного действия из твердых, жидких и газообразных сред любого химического состава;

2) возможность получения плазмы в вакууме и при высоких давлениях; 3) возможность использования стандартных источников электрического питания.

Для получения плазмы в плазмотронах используют газы, т. е. плазмообразующую среду. Она может быть одно- и многокомпонентной. В качестве однокомпонентной плазмообразующей среды применяют аргон, гелий, азот и водород.

Подбором состава многокомпонентной плазмообразующей среды в плазменно-технологическом реакторе можно получить любую атмосферу: окислительную, восстановительную или нейтральную.

Одним из наиболее важных тепловых параметров плазмы является ее энтальпия, т. е. количество теплоты, содержащееся в единице ее объема или массы.

Рассмотрим характеристики некоторых плазмообразующих газов.

Аргон имеет низкое значение энтальпии, что делает его малопригодным для использования в качестве однокомпонентной плазмообразующей среды. Высокая электропроводность аргона при высоких температурах обусловливает низкую напряженность электрического поля в столбе дугового разряда. Аргон является одним из наиболее дефицитных и дорогостоящих газов и применяется в основном в тех случаях, где наибольшую роль играет его химическая инертность. Азот часто применяется в качестве однокомпонентной плазмообразующей среды. Его теплопроводность и теплоемкость при высоких температурах довольно высоки. По этой причине в атмосфере азота электрический разряд обеспечивает эффективное преобразование электрической энергии в тепловую.

Гелий имеет более высокие энергетические характеристики, чем аргон. Однако вследствие дефицитности и высокой стоимости

применение его в плазменных установках ограничено. Он применяется в основном как добавка к аргону для улучшения эффективности нагрева в инертной атмосфере рабочего пространства плавильных печей.

Водород - самый высокоэнтальпийный плазмообразующий газ.

Напряженность электрического поля в водородной дуге в несколько раз выше, чем в аргоновой. Теплопроводность водорода также гораздо выше, чем у других газов. Он сравнительно дешев и недефицитен. Однако чистый водород при высоких температурах разрушающе действует на электроды плазмообразующего аппарата и поэтому он применяется в смеси с аргоном.

Важной характеристикой плазмы является зависимость коэффициента теплопередачи от температуры (рис. 8.2). Из рисунка следует, что процессы диссоциации молекулярных газов увеличивают теплоотдачу от плазмы при ее охлаждении.

При использовании сложных плазмообразующих смесей для обеспечения оптимальных параметров плазмы по энергетическим показателям, стабильности горения электрической дуги и устойчивости электродов подбирают соответствующие компоненты и их соотношения.

Генератор низкотемпературной плазмы или плазмотрон -

электротехнический аппарат, в котором происходит нагрев плазмо-образующей среды электрическим разрядом. Основными компонентами дуговых плазмотронов являются: электроды; вмещающая их или совмещенная с электродом разрядная камера, формирующая поток плазмы; система впуска плазмообразующего газа; система управления дуговым разрядом. Различные варианты конструктивного выполнения этих компонентов и различные их комбинации обусловили большое количество принципиальных схем плазмотронов.

Для обеспечения длительного ресурса работы электродных систем дуговых плазмотронов применяют электроды из тугоплавких материалов (С, Мо, W, Zr, Hf) либо перемещают опорные пятна дуги для распределения теплового потока на большую площадь электрода, выполненного из меди и охлаждаемого водой. Поэтому тугоплавкие электроды изготовляют в виде стержней или цилиндров малых размеров, запрессованных или вваренных в медный электрододержатель. Легкоплавкие электроды из меди (стали) выполняются в виде цилиндров или торов, по внутренней (или боковой для тора) поверхности которых перемещается опорный конец электрической дуги.В этом классе плазмотронов можно выделить два типа, отличающихся друг от друга методами стабилизации электрической дуги: водоохлаждаемои стенкой и вихревым потоком газа или жидкости.

Рис. 8.3. Схема плазмотрона со стабилизацией дуги стенкой

В плазмотроне (рис. 8.3) дуговой разряд горит между электродами (-) и (+), разделенными водоохлаждаемои стенкой, состоящей из ряда медных секций, разделенных изолятором. Из-за охлаждения около стенки образуется слой холодного газа с относительно низкой электропроводностью, поэтому дуга занимает лишь часть сечения канала, чем достигается принудительное увеличение плотности тока в столбе дуги и значительный рост температуры плазмы.

Если длинный канал не имеет секций, то проходящий через него газ нагревается и теряет диэлектрическую прочность. При этом происходит пробой слоя нагретого газа между столбом дуги и водоохлаждаемой стенкой. Это явление получило название «шунтирование дуги стенкой». Процесс шунтирования влияет на работу плазмотрона, в частности он формирует падающую ВАХ дуги, ограничивает температуру плазмы, мощность плазмотрона и снижает его КПД.