книги / Специальные плазменные технологии

Таблица 1 0

Некоторые типы генераторов для получения ВЧ-плазмы

за счет междуэлектродных емкостей генераторной лампы. Колебательные системы вплоть до частоты 40 МГц выполняются преимущественно из элементов с сосредоточенными параметрами (двухпроводные или коаксиальные линии).

151

Схемы многих автогенераторов могут быть сведены к эквивалентной схеме, называемой трехточечной (рис. 58). Трехточечная система состоит из трех элементов. Одним из элементов может являться межэлектродная емкость лампы.

Рис. 58. Трехточечная схема автогенератора:

а – с общим катодом; б – с общим анодом; в – с общей сеткой

Два других представляют более или менее сложные двухполюсники, один из которых реактивный, а второй кроме реактивных элементов включает в себя основное сопротивление нагрузки. В зависимости от того, к какому электроду присоединены оба двухполюсника, различают три вида схем автогенераторов. В схемах с общим катодом и общим анодом двухполюсник, содержащий сопротивление нагрузки, присоединен между катодом ианодом лампы, а в схемах с общей сеткой – между анодом и сеткой. Схемы с общим катодом, как правило, используются в автогенераторах с рабочей частотой до 13 МГц, с общим анодом – в диапазоне частот 13–150 МГц, с общей сеткой – более 150 МГц.

4.7. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ

ВЧ-плазмотроны можно использовать в тех технологических процессах, которые уже освоены с использованием дуговых плазмотронов, например резка, переплав, рафинирование металлов. Однако каких-либо преимуществ ВЧ-плазмотронов

152

перед дуговыми в данных процессах обнаружено не было. При решении вопроса о выборе типа плазмотрона (дуговой или ВЧ) предпочтение следует отдавать ВЧ-плазмотронам лишь в том случае, если они оказываются эффективнее дуговых в реализации конкретного технологического процесса.

Синтез пигментной двуокиси титана. Для сжигания паров тетрахлорида титана (TiCl4) в активированном кислороде предпочтительней использовать ВЧ-плазмотрон атмосферного давления с использованием ВЧИ-разряда средней мощности, с диэлектрической цилиндрической разгруженной разрядной камерой без сопла вихревого типа с дозвуковым истечением низкотемпературной плазменной струи (менее 2000 К) кислорода. Реакция гомогенного типа происходит в плазменной струе, истекающей в реактор, в котором образуется гетерогенный поток, состоящий из хлора, кислорода и взвеси пигментной двуокиси титана, направляемой на разделительные фильтры. Интенсификация технологического процесса осуществляется модуляцией параметров ВЧИ-разряда (путем анодной модуляции ВЧ-генератора), приводящей к возникновению акустических полей в зоне взаимодействия реагентов, а также наложением на зону взаимодействия электромагнитных полей, переизлучаемых ВЧ плазменной струей из зоны индуктора. Перечисленные характеристики ВЧИ-плазмотрона и технологического процесса дают возможность получать пигментную двуокись титана высокого качества при непрерывной работе ВЧ плазменной опытнопромышленной установки в течение нескольких недель при концентрации хлора в отходящем пылегазовом потоке около 70 %. Хлор-газ направляется на хлорирование титанового сырья, чем и обеспечивается замкнутость технологического процесса. Была разработана и введена в действие установка производительностью 42–100 кг/час. Длительность ее непрерывной работы 5 суток. Это одна из первых ВЧ плазменных технологических установок, имеющая стаж работы около 22 лет и наработку на ВЧИ-плазмотрон более 70 000 часов. В настоящее время спро-

153

ектирована промышленная установка производительностью 700 кг TiO2 в час, то есть 5 тыс. т TiO2 в год. Технологически процесс по ряду параметров превосходит экономические и качественные показатели известных в настоящее время способов, обеспечивает снижение удельных энергозатрат до 1 кВт·ч/кг при замкнутом технологическом цикле по хлору.

Сфероидизация гранулированных порошков. При взаи-

модействии порошковых материалов с плазмой в зависимости от времени пребывания, температуры плазмы и коэффициента теплообмена возможен как незначительный нагрев порошка, так и полное его испарение. Незначительное воздействие плазмы, приводящее лишь к оплавлению частиц и ее сквозному прогреву, способствует ее формоизменению, а также удалению легких фракций из объема частицы и значительному испарению примесей с ее поверхности.

Наиболее высокая производительность технологического процесса сфероидизации порошков получена использованием ВЧИ-плазмотронов. Преимущество было достигнуто посредством аксиального ввода обрабатываемого порошка при минимальном расходе транспортирующего газа. Степень передачи энергии ВЧИ-разряда в обрабатываемый порошок 25–30 %. Напомним, что в электродуговых плазмотронах удается передать в обрабатываемый гранулированный порошок от 1 до 5 % мощности плазмы. Поэтому, несмотря на более низкий энергетический КПД ВЧ плазменной установки (60–70 %) по сравнению с дуговым плазмотроном (85–90 %), на стадии нагрева порошка эта разница с избытком компенсируется, и более эффективным является ВЧИ плазменный способ обработки.

Мощность, расходуемая на обработку порошковых материалов, складывается из ряда составляющих: нагрев твердой частицы до плавления, плавление частицы, нагрев расплавленной частицы до кипения, испарение частицы, нагрев пара, ионизация материала частицы.

154

Так, мощность для испарения алюминиевого порошка размером частиц от 0,1 до 30 мкм при производительности процесса 1 г/с составляет от 15,1 до 22,2 кВт. При таких требованиях мощность дуговой установки составляет 500–1800 кВт, а мощность ВЧИ-разряда 100–106 кВт.

Таким образом, при сфероидизации гранулированных порошков выгоднее использовать ВЧИ плазменные установки.

Сфероидизация порошков тугоплавких окислов. При сфероидизации порошков окислов в нейтральной, например аргоновой, плазме нередко нарушается химический состав окисла из-за частичного его восстановления. В том случае, когда такое явление нежелательно, сфероидизацию следует проводить в кислородной плазме. Естественно, что при таком подходе предпочтение должно быть отдано ВЧ плазменному нагреву кислорода или кислородсодержащего газа. Широкие технологические возможности для сфероидизации порошковых материалов открывает применение ВЧЕ- и ВЧИ-разрядов. Малая скорость плазменного потока, большой объем плазмы как в поперечном, так и в продольном ее сечении позволяют округлять частицы различных тугоплавких материалов с большой эффективностью. Специфика ВЧИ плазменного разряда дает возможность вводить обрабатываемый порошок непосредственно в центре струи и использовать энергию ВЧИ-разряда наилучшим образом. В приосевой области ВЧИ-разряда плотность тока равна нулю, поэтому подача порошка в центральную зону не нарушает стабильного горения разряда. Производительность такой плазменной установки довольно высока (при мощности ВЧИразряда 6,5 кВт – 1,5–2 кг/ч порошка оксида алюминия с размером частиц 63–1000 мкм). Аналогичную производительность на дуговом плазмотроне получают при мощности 100 кВт.

Переход к обработке крупных фракций оксида алюминия или порошков тех же размеров, но из материала с высокой теплоемкостью требует увеличения тепловых потоков от плазмы к порошку. Этому в значительной степени способствуют добав-

155

ки кислорода в плазмообразующий газ. В кислородной плазме ВЧИ-разряда удалось сфероидизировать порошки двуокиси кремния, оксида магния и двуокиси циркония, который невозможно обработать в аргоновой плазме ВЧИ-разряда при той же мощности.

Модификация синтетических волокон. Перспективным направлением для модификации синтетических волокон, нитей и тканей является использование высокочастотной плазменной обработки, которая имеет важное преимущество по сравнению

сдругими способами модификации. Она не влияет на внутреннее строение, изменяя только состав и структуру поверхностного слоя полимера, что позволяет регулировать заданное свойство, не ухудшая других свойств. Кроме того, обработка неравновесной низкотемпературной плазмой (ННТП) является экологически безопасной, высокоэффективной и менее затратной по сравнению

страдиционными методами химической и физической модификации полимерных материалов.

156

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Гладкий П.В., Переплетчиков Е.Ф., Рябцев И.А. Плазменная наплавка. – Киев: Екотехнологiя, 2007. – 292 с.

2.Сидоров А.И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. – М.: Машиностроение, 1987. – 192 с.

3.Плазменная наплавка металлов / А.Е. Вайнерман, М.Х. Шоршоров, В.Д. Веселков, В.С. Новосадов. – Л.: Машино-

строение, 1969. – 192 с.

4.Лащенко Г.И. Плазменное поверхностное упрочнение

инапыление. – Киев: Экотехнология, 2003.

5.Балановский А.Е. Плазменное поверхностное упрочнение металлов. – Иркутск: Изд-во Иркут. гос. техн. ун-та, 2006.

6.Лещинский Л.К. Плазменное поверхностное упрочнение. – Киев: Техника, 1990.

7.Гусенков А.П. Методы и средства упрочнения деталей машин концентрированными потоками энергии. – М.:

Наука, 1992.

8.Спиридонов Н.В. Плазменные и лазерные методы упрочнения деталей машин. – М.: Высш. шк., 1988.

9.Финишное плазменное упрочнение инструмента, технологической оснастки и других изделий: технолог. инструкция /

ООО«НПФ “Плазмоцентр”». – СПб., 2007. – 35 с.

10.Установка финишного плазменного упрочнения инструмента, технологической оснастки и деталей машин УФПУ– 111. Техническое описание и инструкция по эксплуатации / ООО

«НПФ“Плазмоцентр”». – СПб., 2007. – 46 с.

11.Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинин Л.К. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. – М.: Металлургия, 1987. – 780 с.

12.Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление: пер. с яп. В.Н. Попова. – М.: Машиностроение, 1985. – 232 с.

157

13.ГОСТ 28076-89. Газотермическое напыление. – М., 1989.

14.Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. – М.: Металлургия, 1992. – 432 с.

15.Донской А.В., Клубникин В.С. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1979. – 221 с.

16.Низкотемпературная плазма. ВЧ- и СВЧ-плазмотроны / под ред. С.В. Дресвина, В.Д. Русанова. – Новосибирск: Наука, 1992. – 320 с.

17.Сорокин Л.М. ВЧ-плазмотроны // Теория электрической дуги в условиях вынужденного теплообмена. – Новоси-

бирск, 1977. – С. 227–253.

18.Клубникин В. С. Тепловые и газодинамические характеристики индукционного разряда в потоке аргона // Теплофиз.

выс. темп. – 1975. – Т. 8, № 3. – С. 473–482.

19.Райзер Ю.П. Физика газового разряда: учеб. руковод-

ство. – М.: Наука, 1987. – 592 с.

20.Дресвин С.В., Донской А.В., Ратников Д.Г. Высокочастотный индукционный разряд в камере с металлическими водоохлаждаемыми стенками. – М.: Наука, 1965. – 152 с.

21.Григорович Р., Кристеску Д. К теории ВЧФ-разряда. –

М.: Наука, 1985. – 108 с.

22.Физика и техника низкотемпературной плазмы / С.В. Дресвин, А.В. Донской, В.М. Гольдфарб, В.С. Клубникин. –

М.: Атомиздат, 1972. – 352 с.

23.Туманов Ю.Н. Плазменные и высокочастотные процессы получения и обработки материалов в ядерном топливном цикле: настоящее и будущее. – М.: Физматлит, 2003. – 759 с.

24.Донской А.В., Клубникин В.С. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. – Л.: Машиностроение, 1979. – 221 с.

25.Цветков Ю.В., Панфилов С.А. Низкотемпературная плазмаввосстановительныхпроцессах. – М.: Наука, 1980. – 360 с.

158