книги / Нанодисперсные и гранулированные материалы, полученные в импульсной плазме

Источник питания и накопитель импульсных плазменных генераторов долж­ ны обеспечивать накопление, хранение и передачу энергии в разрядную цепь ус­ тановки. При потреблении от внешнего источника мощности в единицы, сотни киловатт в разрядной цепи выделяется энергия от единиц до тысячи мегаватт.

В качестве источников питания импульсных плазмотронов используются [1.52,1.53]:

а) ударные генераторы переменного тока промышленной частоты; б) индуктивные накопители; в) емкостные накопители.

В табл. 1.2 приведены данные, характеризующие источники питания им­ пульсных плазмотронов при генерировании плазмы в водороде [1.54].

Таблица 1.2. Технические данные источников питания импульсных плазмотронов

На основании данных, приведенных в табл. 1.2, можно заключить, что:

а) ударные генераторы позволяют получать значительно большую энергию, чем емкостные накопители;

б) емкостные накопители позволяют значительно эффективнее и примерно на порядок быстрее других источников передавать накопленную энергию в наг­ рузку с малым активным сопротивлением и индуктивностью; импульсная мощ­ ность их примерно на три порядка выше, чем ударных генераторов.

Если в импульсных плазмотронах однократного действия применяются все перечисленные накопители энергии, то в импульсных плазмотронах непрерыв­ ного действия используются, как правило, емкостные накопители.

В импульсных плазмотронах при временах зарядки до нескольких минут и энергии накопителя до 106 Дж мощность зарядных устройств не превышает 10 кВт. Габариты зарядных устройств и их стоимость составляют не более 10.. .15 % от всей установки. При этом к зарядным устройствам предъявляются следующие требования:

а) обеспечение требуемой мощности при высоком выходном напряжении 2.. Л0 кВ;

б) обязательное наличие в схеме элемента, желательно реактивного, пред­ назначенного для ограничения величин зарядного тока;

в) минимальные габариты и масса.

Этим требованиям отвечают схемы с индуктивным, емкостным, индуктив­ но-емкостным токоограничением.

В импульсных плазмотронах непрерывного действия при частоте следова­ ния разрядов десятки герц и тех же энергиях накопителя время зарядки снижа­ ется до десятых долей секунды и полезная мощность возрастает до десятков ме­ гаватт. Доля зарядных устройств в габаритах и стоимости всей установки значи­ тельно возрастает и является определяющей. Расчеты процессов зарядки нако­ пителей при различных схемах могут быть проведены в соответствии с методи­ ками [1.55].

При частоте следования разрядов, соизмеримой с частотой питающей сети, или при больших мощностях и малых временах зарядки заряд конденсаторов может осуществляться на переменном токе.

Емкостные накопители импульсных плазмотронов могут заряжаться и пос­ тоянным током от повышающего трансформатора через выпрямитель [1.56]. Выбор зарядной схемы производится для каждой конкретной установки. При этом при минимальной мощности повышающего трансформатора должна быть обеспечена максимальная пиковая мощность в разряде при наибольшем КПД и минимальном времени зарядки при одинаковой стоимости всех элементов за­ рядной цепи и др. [1.57].

В зависимости от величины начального давления в разрядной камере (РК) импульсные плазмотроны подразделяются на импульсные плазмотроны высо­ кого давления (начальное давление в РК Ртч > МО5 Па) и импульсные плазмот­ роны пониженного давления (Рнач < МО5 Па).

Примеры выполнения импульсных плазмотронов высокого [1.22, 1.58, 1.59] и пониженного давления [1.60] свидетельствуют о многообразии схем и конструктивного решения плазмотронов обоих типов в зависимости от их наз­ начения.

Коэффициент полезного действия является одним из важнейших парамет­ ров, характеризующих импульсный плазмотрон. Под КПД плазмотрона обыч­ но подразумевается отношение энергии, переданной газу, к энергии, вложен­ ной в импульсную дугу [1.52]. В плазмотронах высокого давления с увеличени­ ем абсолютной величины энергии, вложенной в дугу, КПД снижается [1.53]. Это объясняется ростом числа тяжелых молекул за счет разрушения стенок и эрозии электродов. Для уменьшения примесей стенки камер предохраняются специальными керамическими вставками, а электроды выполняются из специ­ альных материалов, обладающих незначительной эрозией.

КПД плазмотрона зависит от рода и начального давления газа в разрядной ка­ мере, от длины разрядного промежутка. Экспериментальные данные, приведен­ ные в [1.61], показывают, что при фиксированной энергии конденсаторной бата-

в) среднемассовая температура; г) время истечения рабочего газа с заданными параметрами;

д) допустимое снижение давления в камере плазмотрона за время истечения. На основании этих данных определяются:

1)полезная энергия, необходимая для сообщения рабочему газу заданной температуры;

2)начальное давление газа и геометрические размеры разрядной камеры;

3)тепловые потери.

Приведенные выше сведения позволяют сделать вывод о том, что в качестве источника питания импульсных плазмотронов непрерывного действия целесо­ образно использовать емкостные накопители энергии, схема зарядки которых определяется в зависимости от мощности для каждого конкретного устройства.

Разрядная цепь импульсных плазмотронов должна обеспечивать минималь­ ные потери энергии при передаче от накопителя в нагрузку. Конструкция раз­ рядной камеры определяется назначением устройства.

В разработанных и созданных установках импульсной плазмы для получе­ ния и модифицирующей обработки материалов [1.65 —1.67] в качестве накопи­ теля энергии могут быть использованы конденсаторы марки ИМ -50-3, соеди­ ненные в батарею. Общая емкость накопителя установок, описанных в данной книге, достигала 24 мкФ.

Для максимального уменьшения индуктивности контура ошиновка конден­ саторов может быть произведена с помощью плоских медных листов. Накопле­ ние энергии на конденсаторах производится от высоковольтного выпрямителя ВТМ-15-50, на который с помощью регулировочного трансформатора подава­ ли напряжение питающей сети.

Вплазменных установках применялись электрические схемы с неуправляемым разрядом (самопробоем) и с управляемым с помощью включающего разрядника. Для этого в разрядный контур последовательно с накопителем и разрядной каме­ рой вводился искровой включающий разрядник (УВИР), управляемый от внеш­ него источника инициирующими разряд импульсами фиксированной частоты.

Вработе [1.59] описана установка импульсной плазмы, где формирование им­ пульсов плазмы осуществлялось с помощью управляемого от внешнего источника наносекундного импульса малой энергии, подаваемого на электроды разрядной камеры и обеспечивающего пробой межэлекгродного промежутка, с последую­ щим выделением энергии, накопленной на емкостной батарее, в канале разряда.

Электрическая схема установки позволяет генерировать импульсы плазмы в реакторе с частотой до 15 Гц и энергией до 1,5 кДж.

Газовая схема установки включает в себя традиционные элементы, обеспечи­ вающие регулируемую подачу и очистку газов, испарители с легколетучими ис­ ходными реагентами-галогенидами и карбонилами металлов.

Плазмохимический реактор для осуществления процессов поверхностной модифицирующей обработки и получения нанодисперсных материалов (рис. 1.9,1.10), в котором совмещены зоны генерирования плазмы и обработки исходного материала, состоит из водоохлаждаемых заземленного корпуса и центрального стержневого высоковольтного электрода, расположенных коаксиально. Нижняя часть корпуса имеет коническую форму с отверстием для вы­ вода продуктов обработки с отходящими газами из реакционной зоны в бункер.

Рис. 1.9. Плазмохимический реактор для получения УЦП: 1—барботер с Ffe(CO>5 ; 2 —барботер с ПОД; 3 —испаритель с M 0 CI5 , Со2 (СО>8 ; 4—смеситель; 5 —фторопластовый изолятор; 6—заземленный кор­ пус; 7 —высоковольтный полый электрод; 8 —разрядный промежуток; 9 —сборник порошка

Подача компонентов парогазовой фазы в реактор регулировалась скоростью потока газа-носителя, продуваемого через испарители, где находились исход­ ные реагенты—галогениды и карбонилы металлов, или изменением температу­ ры испарителей.

В импульсном плазмотроне формирование дуги происходит в парогазовой фазе и газодисперсном потоке, заполняющих межэлектродный промежуток.

При инициировании разряда за очень короткое время (~ 1 мкс) выделяется до 50...60 % энергии, запасенной на накопителе. При этом температура плаз­ менного канала, формирующегося непосредственно в среде исходных реаген­ тов, поднимается до нескольких десятков тысяч градусов. Реагенты испытыва­ ют термическое и динамическое воздействие импульса плазмы. По окончании выделения энергии температура плазмы начинает резко падать. Одновременно с этим происходит закалка высокотемпературных состояний, достигнутых ис­ ходной реакционной системой под воздействием импульса плазмы. Скорость закалки составляет 107...108 К/с. В процессе закалки происходит формирование конденсированных продуктов плазмохимических реакций, которые с отходя­ щими газами, пройдя теплообменник, попадают в бункер готового продукта. Бункер снабжен рукавным фильтром из фенилоновой ткани, где поток газа ос­ вобождается от взвешенных в нем частиц порошка. Отходящие газы после нейтрализации компонентов выбрасываются в вытяжную систему.

Для обработки псевдоожиженных слоев исходных дисперсных реагентов в процессах получения гранулированных металлов и карбидов из их оксидов [1.20, 1.66] использовался реактор-плазматрон, в котором устойчивое псевдо­ ожижение порошков достигалось подачей газа снизу в его конусную часть, ку­ да загружался исходный порошок. Газораспределительный конус выполнялся водоохлажаемым либо проводилось его термостатирование до температур ~ 1273 К (рис. 1.11).

Для проведения физико-химических процессов по восстановлению оксидов металлов и получению карбидов после создания в газораспределительном ко­ нусе реактора псевдоожижения дисперсного обрабатываемого материала меж­ ду стенкой конуса —катодом и стержневым коаксиальным электродом —ано­ дом создавали пульсирующий высоковольтный конденсаторный разряд. Для этого от источника высокого напряжения периодически заряжали, батарею конденсаторов до пробивного напряжения межэлекгродного промежутка.

Выделение накопленной на емкостном накопителе энергии приводило к генерированию импульсной плазмы. В созданном объеме плазмы происходи­ ли термические и химические превращения дисперсного фонтанирующего материала. В промежутках между разрядами обрабатываемый материал ох­ лаждался псевдоожижающим газом до температуры газораспределительного конуса.

ностей импульсной плазмы она стала находить применение в технологии полу­ чения и модифицирования различных материалов. Анализ литературных данных показывает, что современное использование ее в основном развивается

вследующих направлениях:

1)электроэрозионные процессы для нанесения покрытий и получения по­ рошков;

2)модифицирование поверхности сплавов и металлов;

3)процессы получения порошков с использованием технологии взрываю­ щейся проволочки;

4)обработка газодисперсных потоков с целью проведения процессов восста­ новления порошков оксидов с размером частиц в несколько десятков микронов;

5)модифицирование дисперсных материалов;

6)получение наноразмерных (ультрадисперсных) порошков.

Первые три группы процессов не являются предметом рассмотрения в дан­ ной книге. Остановимся лишь коротко на основных особенностях их протека­ ния и возможностях, которые они содержат для получения материалов различ­ ного назначения.

Высокая концентрация выделившейся в межэлекгродном промежутке энер­ гии, способствующая заметной эрозии электродов разрядной камеры и матери­ ала, помещенного в межэлектродный промежуток, а также последующее фор­ мирование плазменного факела из продуктов эрозии, истекающего со сверхзву­ ковой скоростью в вакуумную камеру, лежат в основе работы эрозионных плаз­ менных ускорителей, используемых для нанесения покрытий [1.69, 1.70]. Эф­ фективность процессов нанесения покрытий определяется эрозией материа­ лов; для ее увеличения формируются импульсы разрядного тока с максималь­ ной амплитудой и минимальной длительностью. Скорость осаждения покры­ тий достигает 5 мкм/с.

Под действием разрядного тока при импульсном разряде в жидких диэлект­ риках на микроучастках электродов, как и в предыдущих случаях, происходит заметная эрозия материалов. Перегретый металл из участка, подвергнутого эро­ зионному воздействию, выбрасывается в окружающую среду в виде пара или расплавленных частиц и, активно взаимодействуя с компонентами окружаю­ щей среды, образует химические соединения, состав которых определяется природой электродов и составом среды. В работах [1.71,1.72] показано, что при проведении процесса в углеродсодержащих средах с электродами, изготовлен­ ными из тугоплавких переходных металлов, образуются карбиды. Фазовый сос­ тав карбидных продуктов определяется энергией электрического импульса. Так, при малых энергиях образуются только монокарбиды. С увеличением энергии в продукте появляются сначала полукарбиды, а затем и металл. Харак­ терной особенностью продуктов, образующихся в импульсных разрядах, явля­

ется формирование высокотемпературных модификаций карбидов. Появление их авторы связывают с высокими скоростями охлаждения окружающей среды (до 107 К /с).

Высокой чистоты глинозем был получен при осуществлении электроэрозионного процесса при генерировании импульсного разряда в воде, содержащей щарики алюминия [1.73]. При мощности установки 40 кВт производительность процесса составляла до 7 кг/ч.

Модифицирование металлов и сплавов под воздействием потоков импульс­ ной плазмы [1.74, 1.75] связано с формированием в поверхностных слоях этих материалов структурно-фазовых состояний, отличных от объема материала, в условиях воздействия чрезвычайно высоких потоков энергии (до 10 Вт/м ) и последующей резкой закалки достигнутого высокотемпературного состояния. Предварительно на материал, подвергнутый такой обработке, может быть нане­ сен слой вещества, поверхностно легирующего его при воздействии импульса плазмы. Результатом такой обработки является повышение прочностных ха­ рактеристик, эрозионной стойкости металлов и сплавов.

Достаточно активно развиваются методы получения порошков с использо­ ванием электрического взрыва проводника при пропускании через него им­ пульсного разряда большой мощности с плотностью тока (106...108 А /см2) [1.76, 1.77]. Электровзрыв сопровождается быстрым нагревом металла со скоростью > 107 К /с до температур выше 104 К. На стадии взрыва расширение проводника происходит со скоростью до 5-103 м/с и перегретый металл диспергирует. Регу­ лируя условия взрыва, можно получать порошки размером частиц от 100 мкм до 5 нм. Средний размер частиц убывает с ростом плотности разрядного тока и уменьшением длительности импульса. Электровзрыв в инертной атмосфере позволяет получать порошки металлов и сплавов, а при введении в реактор до­ полнительных газовых или жидких реагентов можно получать порошки окси­ дов, нитридов, карбидов.

Близким к методу получения порошков электровзрывом проводников при пропускании через них импульсного разряда является метод, основанный на распылении импульсным разрядом струй жидкого металла и пульп [1.78]. Рас­ пыление струи импульсным током обусловлено главным образом действием электромагнитных сил, разрывающих ее на крупные капли с последующим до­ полнительным диспергированием в результате газодинамического воздействия импульсных дуг, возникающих в разрывах струи. Дисперсность порошка повы­ шается с увеличением числа микродуг на единицу длины струи. Интенсивность газодинамического распыления зависит от величины разрядного тока и дли­ тельности импульса.

В 70-е годы на кафедре ВТМ Московского института стали и сплавов под ру­ ководством чл.-корр. РАН В.П. Елютина, профессора Ю.А. Павлова с участием