Оглавление
Введение
В 1923 г. американские физики
Л. Тонкс и И. Ленгмюр предложили называть
среду, в которой значительная часть молекул
или атомов ионизирована - плазмой. Плазма
является состоянием вещества, наиболее
распространенном в космосе.
Физические свойства плазмы
— высокие значения температур, энтальпия
и электропроводность – позволяют осуществлять
ряд интересных физических и технических
проектов.
Плазма нашла применение в металлургии,
в сварочном производстве. Для технологических
целей используют так называемую “низкотемпературную”
плазму с температурой ниже 106 К, представляющую
собой частично ионизированный газ.
Плазму получают чаще всего
в электродуговом разряде, в высокочастотном
электрическом поле, с помощью энергии
лазерного излучения.
Плазменные источники
энергии
Для получения плазмы разработаны плазмотроны или плазменные
горелки.
При нагреве плазмой деталей передача
энергии может осуществляться или только
за счет процессов теплообмена нагретого
газа с твердой или жидкой фазой (деталь
электрически не связана с источником
питания), или за счет суммарного действия
теплообмена и электрического взаимодействия
заряженных частиц плазмы с электродом-заготовкой.
В связи с этим в практике плазменной
технологии сложилось три основных принципиальных
схемы плазмотронов.
В двух схемах (рисунок 1 а,б) для получения плазмы
используют электрический дуговой разряд;
в схеме (рисунок 1 в) нагрев газа и образование
плазмы осуществляется за счет безэлектродного
(высокочастотного индукционного) разряда.
Рисунок 1 — Основные схемы плазмотронов
а – прямого действия; б
– косвенного действия; в –
плазмотрон с высокочастотным
индукционным разрядом.
Схема (а) получила название плазменной
дуги, а плазмотрон для ее получения —
плазмотрон прямого действия. В схеме (б) изделие 1 гальванически
не связано с электродом, поэтому схема
называется плазменной струей, а плазмотрон
носит название плазмотрона косвенного
действия.
Плазмообразующий газ, используемый
в плазмотроне, в значительной мере определяет
технологические возможности плазменной
струи, и его нужно выбирать в зависимости
от целей процесса. Молекулярные газы
– азот, водород, кислород и воздух позволяют
увеличить эффективность нагрева за счет
реакций диссоциации - ассоциации (разложения
- объединения). При этом происходит дополнительное
поглощение теплоты в столбе дугового
разряда.
При попадании на
обрабатываемую поверхность плазмообразующий
газ ассоциирует (превращается из
атомного в молекулярный); при этом выделяется
теплота, затраченная на его диссоциацию.
Дуговые плазмотроны
В дуговых плазмотронах плазма
с требуемыми характеристиками может
быть получена при различных видах взаимодействия
дуги с плазмообразующим газом: аргоном,
гелием, азотом, водородом, кислородом
и воздухом.
Дуговой плазматрон постоянного
тока состоит из следующих основных узлов:
одного (катода) или двух (катода и анода)
электродов, разрядной камеры и узла подачи
плазмообразующего вещества; разрядная
камера может быть совмещена с электродами
— так называемыми плазматронами с полым
катодом.
Существуют дуговые плазматроны
с осевым и коаксиальным расположением
электродов, с тороидальными электродами,
с двусторонним истечением плазмы, с расходуемыми
электродами (рис. 2) и т.д. Отверстие разрядной
камеры, через которое истекает плазма,
называется соплом плазматрона.
Рис. 2. Схема дуговых плазматронов:
а — осевой; б — коаксиальный; в — с тороидальными
электродами; г — двустороннего истечения;
д — с внешней плазменной дугой; е — с
расходуемыми электродами (эрозионный);
1 — источник электропитания;
2 — разряд; 3 — плазменная струя;
4 — электрод; 5 — разрядная камера;
6 — соленоид; 7 — обрабатываемое
тело.
Различают две группы дуговых
плазматронов — для создания внешней
плазменной дуги (обычно называется плазменной
дугой) и плазменной струи. В плазматронах
1-й группы дуговой разряд горит между
катодом плазматрона и обрабатываемым
телом, служащим анодом. Эти плазматроны
могут иметь как только катод, так и второй
электрод вспомогательный анод, маломощный
разряд на который с катода (кратковременный
или постоянно горящий) «поджигает» основную
дугу. В плазматронах 2-й группы плазма,
создаваемая в разряде между катодом и
анодом, истекает из разрядной камеры
в виде узкой длинной струи.
Стабилизация разряда в дуговых
плазматронах осуществляется магнитным
полем, потоками газа и стенками разрядной
камеры и сопла. Один из распространённых
способов магнитной стабилизации плазменноструйных
плазматронов с анодом в форме кольца
или тора, коаксиального катоду, состоит
в создании (с помощью соленоида) перпендикулярного
плоскости анода сильного магнитного
поля, которое вынуждает токовый канал
дуги непрерывно вращаться, обегая анод.
Поэтому перемещаются по кругу анодные
и катодные пятна дуги, что предотвращает
расплавление электродов (или их интенсивную
эрозию, если они выполнены из тугоплавких
материалов).
К числу способов газовой стабилизации,
теплоизоляции и сжатия дуги относится
так называемая «закрутка» — газ подаётся
в разрядную камеру по спиральным каналам,
в результате чего образуется газовый
вихрь, обдувающий столб дуги и генерируемую
плазменную струю: слой более холодного
газа под действием центробежных сил располагается
у стенок камеры, предохраняя их от контакта
с дугой. В случаях, когда не требуется
сильного сжатия потока плазмы (например,
в некоторых плазматронах с плазменной
дугой, используемых для плавки металла),
стабилизирующий газовый поток не закручивают,
направляя параллельно столбу дуги, и
не обжимают соплом (катод располагают
на самом срезе сопла). Очень часто стабилизирующий
газ одновременно является и плазмообразующим
веществом. Применяют также стабилизацию
и сжатие дуги потоком воды (с «закруткой»
или без неё).
Плазма дуговых плазматронов
неизбежно содержит частицы вещества
электродов вследствие их эрозии. Когда
этот процесс по технологическим соображениям
полезен, его интенсифицируют (плазматрон
с расходуемыми электродами); в других
случаях, напротив, минимизируют, изготовляя
электроды из тугоплавких материалов
(вольфрам, молибден, спец. Сплавы) и (или)
охлаждая их водой, что, кроме того, увеличивает
срок службы электродов.
Использование
Плазматроны с плазменной струёй
обычно используют при термической обработке
металлов, для нанесения покрытий, получения
порошков с частицами сферической формы,
в плазмохимической технологии и пр.; плазматроны
с внешней дугой служат для обработки
электропроводных материалов; плазматроны
с расходуемыми электродами применяют
при работе на агрессивных плазмообразующих
средах (воздухе, воде и др.) и при необходимости
генерации металлической, углеродной
и т.д. плазмы из материала электродов
(например, при карботермическом восстановлении
руд).
Характеристики
Мощность дуговых плазматронов
102—107 Вт; температура
струи на срезе сопла 3000—25000 К; скорость
истечения струи 1—104 м/сек; промышленное
кпд 50—90%; ресурс работы (определяется
эрозией электродов) достигает несколько
сотен часов, в качестве плазмообразующих
веществ используют воздух, N2, Ar, H2, NH4, O2, H2O, жидкие и
твёрдые углеводороды, металлы, пластмассы.
Высокочастотные плазмотроны
Высокочастотный плазматрон
включает: электромагнитную катушку-индуктор
или электроды, подключенные к источнику
высокочастотной энергии, разрядную камеру,
узел ввода плазмообразующего вещества.
Различают индукционные, ёмкостные,
факельные плазмотроны, а также сверхвысокочастотные
(СВЧ) плазматроны (рис. 3).
Рис. 3. Схемы высокочастотных
плазматронов: а — индукционный; б ёмкостный;
в — факельный; г — сверхвысокочастотный;
1 — источник электропитания;
2 — разряд; 3 — плазменная струя;
4 — индуктор; 5 — разрядная камера;
6 — электрод; 7 — волновод.
Наибольшее распространение
в технике получили индукционные
ВЧ плазматроны, в которых плазмообразующий
газ нагревается вихревыми токами.
Т. к. индукционный высокочастотный
разряд является безэлектродным,
эти плазматроны используют для нагрева
активных газов (O2, Cl2, воздуха и
др.), паров агрессивных веществ (хлоридов,
фторидов и др.), а также инертных газов,
если к плазменной струе предъявляются
высокие требования по чистоте. С помощью
индукционных плазматронов получают тонкодисперсные
и особо чистые порошковые материалы на
основе нитридов, боридов, карбидов и др.
химических соединений.
Мощность ВЧ плазматрона
достигает 1 МВт, температура в центре
разрядной камеры и на начальном участке
плазменной струи ~ 104 К, скорость
истечения плазмы 0—103 м/сек, частоты
— от нескольких десятков тысяч Гц до
десятков МГц, промышленное кпд 50—80%, ресурс
работы до 3000 ч.
В ВЧ плазматроне, как и в дуговых,
часто используют газовую «закрутку»,
изолирующую разряд от стенок камеры.
Это позволяет изготовлять камеры ВЧ плазматрона
из материалов с низкой термостойкостью
(например, из обычного или органического
стекла).
Для пуска плазматрона, т. е.
возбуждения в нём разряда, применяют:
замыкание электродов, поджиг вспомогательного
дугового разряда, высоковольтный пробой
межэлектродного промежутка, инжекцию
в разрядную камеру плазмы и др. способы.
Основные тенденции развития плазматронов:
разработка специализированных плазматронов
и плазменных реакторов для металлургической,
химической промышленностей, повышение
мощности в одном агрегате до 1 — 10 МВт,
увеличение ресурса работы и т.д.
Плазменные горелки
Плазменная горелка - ручной
дуговой плазматрон для нанесения покрытий,
резки, сварки, наплавки и др. процессов
плазменной обработки. По принципу действия
различают две группы плазменных горелок:
для работы плазменной дугой и для работы
плазменной струёй. При механизированной
обработке плазменная горелка закрепляется
на специальной установке; для нанесения
покрытий и наплавки она обычно оснащается
устройством для подачи распыляемого
или наплавляемого материала (в виде порошка
или проволоки). Такая плазменная горелка
называется плазменной головкой. Мощность
плазменной горелки достигает 100 кВт, плазмообразующими
газами служат Ar, Не, N2, NH4, воздух и
их смеси. Для зажигания дугового разряда
в начале работы необходимо замкнуть зазор
между катодом и анодом плазменной горелки
(плазменная струя) или между катодом и
обрабатываемым металлом (плазменная
дуга) или иным образом возбудить разряд.
Использование плазменных
источников энергии в обрабатывающей
промышленности
- сварка и резка металлов и тугоплавких
материалов
- плазменное напыление - нанесение
ионно-плазменных защитных покрытий на
различные материалы, нанесение керамических термобарьерных, электроизоляционных покрытий на металлы
- подогрев металла в ковшах при
мартеновском производстве
- получение нанодисперсных порошков металлов и их соединений для металлургии
- расплавление и рафинирование
(очистка) металлов при плазменно-дуговом
переплаве.
Технология плазменной
обработки
Плазменная обработка получила
широкое распространение вследствие высокой
по промышленным стандартам температуры
плазмы (~ 104 К), большого
диапазона регулирования мощности и возможности
сосредоточения потока плазмы на обрабатываемом
изделии. При этом эффекты плазменной
обработки достигаются как тепловым, так
и механическим действием плазмы (бомбардировкой
изделия частицами плазмы, движущимися
с очень высокой скоростью — так называемый
скоростной напор плазменного потока).
Удельная мощность, передаваемая поверхности
материала плазменной дугой, достигает
105—106 Вт/см2, в случае
плазменной струи она составляет 103—104 Вт/см2. В то же время
тепловой поток, если это необходимо, может
быть рассредоточен, обеспечивая «мягкий»
равномерный нагрев поверхности, что используется
при наплавке и нанесении покрытий.
Плазменный нагрев
Нагрев деталей и материалов
до невысоких температур (ниже точки их
плавления) с помощью плазменных горелок
используется сравнительно редко, однако
в последнее время все чаще применяется
плазменно-механическая обработка металлов,
где осуществляется такой нагрев. Сущность
метода состоит в том, что при обработке,
например, резанием высокопрочных металлов
и сплавов перед резцом устанавливается
плазмотрон, нагревающий узкую зону обрабатываемого
материала.
Прочность снижается,
а пластичность повышается. Можно
без ущерба для качества поверхности
увеличить глубину резания и
подачу. Нет окисления поверхности.
Применение плазменного
нагрева при обточке цилиндрических
заготовок диаметром 100…350 мм из
жаропрочных никелевых сплавов,
вольфрама и молибдена показало,
что производительность обработки
увеличивается в 6…8 раз при уменьшении
износа резцов в 5…6 раз. Скорость
съема металла при этом может
достигать 3…4 кг/мин.
Плазменный нагрев
до более высоких температур
может приводить к оплавлению
шероховатостей механически обработанной
поверхности, улучшая тем самым
технологические показатели.
Плавление вещества
Плавка металлов и сплавов,
а также неметаллических материалов с
использованием плазменного нагрева получило
широкое распространение. Данный способ
отличается высокой стабильностью, простотой
и гибкостью технологического процесса.
Плазменная плавка позволяет использовать
самые различные среды и исходные материалы
при минимальных потерях легирующих компонентов.
Рисунок 4 — Схема печи для плавки
в водоохлаждаемый кристаллизатор
Наиболее распространена схема
печи для плавки в водоохлаждаемый кристаллизатор.
В таких печах обычно выплавляют сложнолегированные
сплавы, например, инструментальные сплавы.
При этом, благодаря небольшому содержанию
в металле неметаллических включений
в виде оксидов и кислорода, его механические
свойства (особенно пластичность) заметно
повышаются.
Плазменный нагрев используется
также для плавки металла с последующим
измельчением расплава и кристаллизацией
его в виде малоразмерных капель.
Рисунок 5 — Схема плавки с получением
малоразмерных капель
1 – тигель; 2 – кристаллизатор.
Плазменный нагрев используется
также для плавки металла с последующим
измельчением расплава и кристаллизацией
его в виде малоразмерных капель.
В дальнейшем этот материал
применяют как исходный продукт порошковой
металлургии, для наплавки и т.д.
Измельчение металла
чаще всего получают разбрызгиванием
расплавленного металла при вращении
тигля 1. Попадая на холодные стенки
кристаллизатора 2, капли жидкого
металла затвердевают и в виде
гранул собираются на дне камеры,
причем большая скорость охлаждения
расплавленного металла позволяет
получать неравновесные структуры
со специфическими свойствами.