Методы получения высоких и сверхвысоких температур » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Методы получения высоких и сверхвысоких температур

24.06.2021

Производство высокотемпературных материалов BTM состоит из большого числа процессов при очень высоких температурах. В первую очередь к ним следует отнести плавление тугоплавких металлов, сплавов и соединений при двух — трех тысячах градусов и выше. Нанесение покрытий контактными методами, спекание, сварка, пайка, испытания высокотемпературных материалов, в некоторых случаях получение металлов и соединений также требуют исключительно высоких температур. Можно с уверенностью сказать, что именно потребности технологии BTM привели к разработке и широкому распространению таких новых методов получения высоких температур, как электронный и плазменный, и в значительной степени способствовали развитию и усовершенствованию некоторых традиционных методов получения высоких температур. Сейчас сложилось такое положение, когда получение высоких температур не ограничивает возможности плавления и обработки наиболее тугоплавких веществ.

В производстве и при испытаниях высокотемпературных методов используют главным образом следующие методы получения высоких температур: 1) пламенный нагрев; 2) нагрев сопротивлением; 3) индукционный нагрев; 4) электродуговой нагрев; 5) электронный нагрев; 6) плазменный нагрев.

Остановимся подробнее на каждом из этих методов.

Пламенный нагрев


Пламенный нагрев предполагает реализацию тепла, выделяющегося при горении химического топлива. Нагреваемое тело помещается или непосредственно в факел пламени, или в тигель, короб, реторту и другие аппараты, которые обогреваются пламенем снаружи. В последнем случае, если нагреваемое тело не реагирует с материалом реторты, нагрев можно вести в вакууме или в необходимой атмосфере.

В производстве высокотемпературных материалов пламенный нагрев используется для нанесения покрытий и проведения испытаний.

Установки для огневых испытаний BTM можно разделить на три группы в зависимости от того, какое топливо в них используется: газообразное, жидкое или твердое. Наиболее распространены газообразные топливные смеси: водород-кислородные и ацетилен-кислородные. Калориметрическая температура горения, т.е. расчетная температура пламени без учета диссоциации продуктов горения и теплообмена с окружающей средой, достигает для этих смесей 4000 °С. Однако в реальных условиях диссоциация продуктов горения, например паров воды, может достигать нескольких (до 10) процентов, а тепло, теряемое пламенем на пути до нагреваемого тела, может составлять половину всего тепла. Таким образом, максимальная фактическая температура пламени около поверхности нагреваемого тела обычно находится в пределах 2800—2500 °С в зависимости от избытка кислорода, конструкции горелки, расстояния от горелки до образца.

Нагрев прямым пропусканием тона


Нагрев сопротивлением осуществляется при прохождении электрического тока непосредственно через нагреваемое тело или через нагревательные элементы с определенным электрическим сопротивлением. В этом случае нагреваемое тело окружается нагревателями и получает тепло за счет лучистой энергии.

Если мощность электрического тока, проходящего через нагреватель,

Недостатком печей сопротивления следует считать присутствие в горячей зоне паров материала, из которого изготовлен нагреватель, что иногда не позволяет проводить плавку или нагрев веществ в необходимых чистых условиях. При эксплуатации печей сопротивления имеет место определенный расход нагревательных элементов. Из-за сравнительно небольших размеров, наличия водяного охлаждения и некоторых других особенностей для печей сопротивления характерен большой непроизводительный расход энергии.

Несмотря на ряд недостатков, печи сопротивления с нагревательными элементами находят применение как в научно-исследовательской практике, так и в производстве для спекания металлокерамических изделий, для плавки карбидов и тугоплавких соединений, для получения силицированного графита.

Индукционный нагрев


Индукционный нагрев электропроводящих материалов осуществляется в печах, представляющих собой, по существу, трансформатор, в котором индуктор — первичная, а нагреваемое тело вторичная обмотка. Тепло возникает за счет электрического тока, генерируемого в нагревательном теле переменным магнитным полем. Индуктор в печах малой и средней мощности питается обычно током повышенной частоты, так как количество тепла, которое выделяется в нагреваемом теле, прямо пропорционально квадрату частоты изменения магнитного поля. Для этого электрический ток со стандартной частотой 50 Гц трансформируют в ток частотой 500—10000 Гц. Тепло выделяется в самом нагреваемом теле без какого-либо промежуточного теплоносителя. Генерируемый ток и, следовательно, тепло возникают вблизи поверхности нагреваемого тела. Условно глубину проникновения магнитного потока или толщину слоя, в котором происходит выделение тепла, можно определить по уравнению

где b — глубина проникновения, см; р — электросопротивление шихты, Ом*см; u — магнитная проницаемость шихты, Гн/м; f — частота тока, Гц.

В действительности четкая внутренняя граница слоя, в котором выделяется тепло, отсутствует; магнитный поток уменьшается в направлении от поверхности к центру нагреваемого тела очень резко, но без каких-либо скачков, если не изменяется структура вещества. Строго говоря, формула (5.18) определяет глубину, на которой плотность тока в е раз меньше, чем на поверхности. В слое толщиной b выделяется около 90 % всего тепла.

Электродуговой нагрев


Электродуговой нагрев металлов и соединений осуществляется за счет тепла, которое выделяется в электрической дуге, горящей между электродами (в установках для плазменного нагрева и для испытаний ВТМ), или между электродом и нагреваемым телом (в вакуумных электродуговых печах с металлическим электродом).

Электрическая дуга, горящая между металлическими электродами, имеет минимальную устойчивость при давлении от 3999 до 266 Па. Ho, как показали исследования, устойчивость дуги в вакууме (вплоть до высокого вакуума) при плотности тока более 60 А/см2 вновь возрастает. Такой тип электрического разряда был назван «вакуумной электрической дугой» потому, что, как показано в табл. 3.6, он отличается по некоторым характеристикам как от дугового разряда в газе при атмосферном давлении, так и от тлеющего разряда и занимает как бы промежуточное положение между ними. Важно отметить, что по количеству выделяемого тепла и эффективности его использования для плавки вакуумная дуга превосходит дугу при атмосферном давлении.

Устойчивость электрической дуги зависит от количества ионизированных частиц в ее столбе или, другими словами, от соотношения скоростей возникновения ионизированных частиц в столбе и удаления из него. Процесс ионизации начинается за счет термоэмиссии электронов с поверхности катода, температура которого повышается в результате, например, короткого замыкания при соприкосновении электродов. Электроды ионизируют частицы, находящиеся в межэлектродном пространстве, при их соударении в том случае, когда кинетическая энергия электронов оказывается больше работы ионизации, т.е. когда

где m, v, е — соответственно масса, скорость и заряд электрона; фi — потенциал ионизации.

Ионизация атомов или молекул в результате соударения имеет большое значение в начальный период горения дуги. В дальнейшем основную роль в процессе ионизации приобретает термическая ионизация. Степень ионизации х (отношение числа ионизированных молекул или атомов к их числу до ионизации х в единице объема) описывается уравнением Саха—Грановского:

где P — давление, мм рт.ст.; gq, gp — квантовые статические массы соответственно молекул и ионов; T — температура, К.

Согласно уравнению (5.20) степень ионизации резко увеличивается с уменьшением потенциала ионизации; например, 10%-ная ионизация паров калия, потенциал ионизации которого составляет 4,33 В, достигается при 5000 °C (для такой же степени ионизации кислорода или азота требуется температура в 12000 °С).

Таким образом, как ионизация за счет соударения, так и термическая ионизация частиц, находящихся в межэлектродном промежутке, зависят от потенциала ионизации: чем он меньше, тем легче протекает процесс, больше образуется ионизированных частиц в объеме дуги и тем устойчивее оказывается дуговой разряд. Наименьший потенциал ионизации или потенциал первой ионизации некоторых металлов и газов, с которыми приходится встречаться при дуговой плавке, приведены в табл. 5.2.

Электрически заряженные частицы, образовавшиеся в результате процесса ионизации, покидают столб плазмы, диффундируя через его границы в окружающее пространство, а также нейтрализуются при соударении друг с другом противоположно заряженных частиц. Последний процесс называется рекомбинацией, которая протекает с выделением тепла.

Скорость диффузии частиц через цилиндрическую поверхность столба дуги

где D = Лv/3 — коэффициент диффузии (Л — длина свободного пробега, средняя скорость частиц); С — концентрация; r — радиус столба дуги.

Вакуумная дуга при прочих равных условиях имеет значительно большее поперечное сечение столба, чем дуга при атмосферном давлении, поэтому скорость рассеивания ионизированных частиц за счет диффузии, обратно пропорциональная квадрату радиуса, оказывается для нее очень малой. Скорость рекомбинации ионов с противоположными зарядами

где С- и C+ — концентрация ионов с отрицательным и положительным электрическим зарядом; а — коэффициент рекомбинации, который уменьшается с ростом температуры и равен примерно 10в-10.

Электрическое сопротивление между электродами, т. е. столба дуги, представляющего собой холодную плазму, невелико. Обычно с ростом силы тока степень ионизации плазмы возрастает, ее проводимость увеличивается и напряжение между электродами падает. В этом случае дуга имеет падающую вольтамперную характеристику. Ho для вакуумной дуги с металлическими электродами наблюдается возрастающая вольтамперная характеристика, причем для титана и стали она возрастает слабо, а для молибдена и ниобия резко.

В современных дуговых печах используется постоянный ток прямой полярности, т.е. когда электрод служит катодом, а ванна расплавленного металла - анодом. При такой полярности ванна жидкого металла получает тепло в результате электронной бомбардировки. Падение напряжения в электрической дуге Uд складывается из катодного и анодного падения напряжения, а также падения напряжения в столбе дуги. Для вакуумной дуги анодное падение напряжения очень мало — около 1 В. Тогда

где Uк — катодное падение напряжения (Uк = Uк0 + 14dэ — катодное падение напряжения, не зависящее от размера электрода, или минимальное катодное падение напряжения), В; Uа — анодное падение напряжения, В; R — электросопротивление дуги, Ом; Iд — сила тока дуги, А.

Для определения величины сопротивления А.Д. Свенчанский и М.Я. Смелянский рекомендуют выражение

где К — эмпирический коэффициент (равен 2*10в-3 для стали, 4*10в-3 для титана и 5,5*10в-3 для молибдена); lд — длина дуги, м; d3 — диаметр электрода, м. Значения минимального катодного падения напряжения приведены ниже:

При стационарном состоянии мощность, которая подводится к электрической дуге, должна полностью отводиться от нее. Таким образом, общая мощность дуги Wд = UдIд складывается из мощности, которая выделяется на катоде, на аноде и в столбе дуги.

А.Д. Свенчанский и М.Я. Смелянский проанализировали электрические и тепловые явления, происходящие в вакуумной дуге, и показали, что мощность, выделяющуюся на катоде, можно рассчитать по уравнению

где Fi — отношение ионного тока к току дуги (Ii/Iд), зависящее только от природы металла электрода; ф0 — работа выхода, В; Eст — градиент напряжения в столбе дуги, В/см; Kг — коэффициент, определяющий потери энергии столба дуги за счет излучения.

Величина коэффициента Kг зависит от размеров и формы рабочей зоны печи: для печей с расходуемым электродом при плавке в глубоком тигле Kг = 0,5, а при плавке в кристаллизаторе с вытягиванием слитка Kг = 0,3/0,35.

Часть мощности, выделяющейся на катоде, превращается в тепло:

где Wэ — мощность, затрачиваемая на эмиссию электронов (Wэ = FеIдф0; Fе = Ie/Iд — отношение силы электронного тока к силе тока дуги).

Отношение Wкт/Wд сохраняется практически постоянным для каждого металла, независимо от силы тока. Так, для стали это отношение равно 0,485; для молибдена 0,6 и для вольфрама 0,25—0,30.

На аноде выделяется тепло главным образом за счет его бомбардировки электронами:

где фе - потенциал, характеризующий энергию теплового движения электронов.

Тепло, выделяемое столбом дуги, определяют на основании баланса энергии (в единицу времени):

где FеIдUк — энергия электронов, ускоренных в околокатодной области; EстlдIд — энергия, выделяющаяся в столбе дуги (в результате наличия в ней градиента напряжения, удаляется благодаря излучению); Iдфе — энергия теплового движения электронов; FiIдфi — энергия ионизации паров металла.

Количество тепловой энергии, выделяемой столбом дуги, весьма невелико, и можно считать, что

Предположив, что металл полностью расплавляется на катоде (расходуемый электрод) со скоростью плавки v (кг/мин) и что для этого требуется количество тепла

где ст и сж - средняя удельная теплоемкость твердого и жидкого металла в интервале температур tпл - t0 и tк - tпл, кДж/(кг*К); t0, tпл, tк - температура металла соответственно исходная, плавления и на поверхности катода, °С; L — скрытая теплота плавления, кДж/кг, можно из теплового баланса катода получить расчетную формулу мощности дуги:

где с0, сt — удельная теплоемкость металла при 0 °С, изменение удельной теплоемкости, кДж/(кг*К); е0, епр — коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела и приведенный; Пэл и S — периметр и площадь поперечного сечения электрода; К - коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К).

С помощью полученного выше отношения Wк.т/Wд определяют мощность дуги, обеспечивающую плавление данного металла с заданной скоростью.

Электродуговой вакуумный нагрев в установках с расходуемым электродом обеспечивает проведение плавки металлов в исключительно чистых условиях: источники загрязнения металла посторонними примесями принципиально отсутствуют.

С помощью этого метода нагрева может быть достигнута температура, достаточная для плавления наиболее тугоплавких веществ. Электродуговой нагрев можно использовать как в вакууме, так и в газовой атмосфере под нормальным или повышенным давлением, например в случае выплавки сплавов с легколетучими компонентами или при плавке соединений, разлагающихся во время нагрева и плавления в вакууме.

К недостаткам электродуговой плавки с расходуемым электродом следует отнести, во-первых, особые требования к шихте и, во-вторых, ограничения в отношении регулирования мощности.

Освоение электродугового метода нагрева в вакууме позволило перейти к промышленному производству слитков из тугоплавких металлов и сплавов. Вакуумные установки с электродуговым нагревом получили особенно широкое распространение для выплавки слитков и получения отливок из титана и сплавов на его основе. В производстве электродуговой метод нагрева используется в установках, предназначенных для переплавки тугоплавких металлов, получения плавленых карбидов, отливок из титана, ниобия и молибдена. Электродуговой нагрев используется для образования плазмы в плазменных печах и высокотемпературного газового потока в установках для испытаний BTM и СВТКМ.

Электронный нагрев


Электронный нагрев вещества происходит при торможении в нем потока быстролетящих электронов. Электроны разгоняются до высокой скорости в электрическом поле, которое создается между катодом и нагреваемым телом, служащим в этом случае анодом, или между катодом и анодом, удаленным от нагреваемого тела. По этому признаку установки для электронного нагрева подразделяют на две группы: электронные с кольцевым катодом и электронно-лучевые с электронной пушкой. Существует еще группа электронных установок — промежуточная между этими двумя. В них используется кольцевой катод и кольцевой анод, удаленный от нагреваемого тела (радиальная пушка). Установки второй группы находят преимущественное применение в промышленности.

Электроны поступают в разгоняющее электрическое поле в результате термоэмиссии из нагреваемого катода. Плотность эмиссионного тока зависит главным образом от температуры поверхности катода и величины работы выхода электрона из материала катода. Максимальная плотность тока эмиссии, А/см2, определяется по уравнению Ричардсона - Дешмана:

В действительности С не является строго постоянной величиной для различных металлов. Квантовая механика учитывает это и вместо С вводит в уравнение C1 = DC (D — прозрачность потенциального барьера для электронных волн на границе металл — вакуум).

Температура оказывает очень большое влияние на плотность тока эмиссии. Например, вольфрамовый эмиттер при температуре около 1000 °С дает плотность тока 10в-8 А/см2, а при температуре около 3000 °C плотность тока превышает 200 А/см2, т.е. при увеличении температуры эмиттера на 2000 °C плотность эмиссионного тока возрастает в 10в10 раз.

В электронных плавильных установках редко применяется разгоняющее напряжение, превышающее 30000 В. При таком напряжении электрического поля электроны приобретают в нем скорость около 100000 км/с, т.е. в три раза меньше, чем скорость света. При скоростях такого порядка можно не учитывать релятивистского эффекта увеличения массы и рассчитывать скорость электронов по уравнению

где Uуст — напряжение ускоряющего поля, В.

Если каждый электрон приобретает в электрическом поле энергию, равную

то электронный поток, содержащий n электронов, несет в единицу времени энергию

где Ie — сила тока электронного луча, А.

В электронных установках первого типа поток электронов проходит небольшой путь между катодом и нагреваемым телом, а в установках второго типа и промежуточной группы электронный поток движется при отсутствии внешнего электрического поля и проходит путь, достигающий метра и более. И в этом и в другом случае электронный поток или луч может существовать только в условиях высокого вакуума 13,3—1,33 мПа. Повышение давления газов в пространстве между катодом и анодом до 0,133—1,33 Па приводит к появлению тлеющего разряда и нарушению нормальной работы плавильной установки. Изменение давления в пределах 13,3—133 мПа не вызывает появления тлеющего разряда, но существенно повышает потерю мощности электронного потока в результате столкновения электронов с молекулами газа. Установлено, что если в вакууме 1,33—13,3 мПа потери мощности составляют 1—1,5 %, то в вакууме 133 мПа потери могут достигать 10—30 %. Потери мощности электронного потока зависят также от скорости электронов, длины пути электронного потока, природы молекул газа или пара, силы тока.

Таким образом, можно считать, что вакуум, который обеспечивает устойчивую работу электронной установки, минимальные потери мощности электронного потока и максимальную стойкость катода, должен быть не ниже 66,5 мПа. В плавильных электронных установках, где из жидкого металла не - прерывно выделяются газы, такие условия легче достигаются, если их оборудовать аксиальными электронными пушками с промежуточной откачкой.

Поток электронов, образующийся в прикатодной области электронной пушки, необходимо сжать до максимальной плотности, провести без потерь через полый анод, ряд диафрагм и направить на нагреваемое тело, обеспечивая симметричный и равномерный нагрев его поверхности. С этой целью применяют средства электростатической и электромагнитной фокусировки электронного луча. В прикатодной области используется электростатическое поле, конфигурация которого определяется главным образом формой катода и анода, а также дополнительными элементами: фокусирующим электродом, диафрагмой.

Фокусировка в прикатодной области служит в основном для сжатия электронного луча, величина которого характеризуется компрессией, т.е. отношением поверхности катода к площади поперечного сечения электронного луча около анода. Для сжатия электронного луча после выхода из анода, а также для его отклонения применяется электромагнитная фокусировка с помощью коротких или длинных электромагнитных катушек. Отклоняющая система, состоящая из двух или более электромагнитных катушек, обеспечивает равномерный нагрев поверхности нагреваемого тела. Осуществляется это или расфокусировкой электронного луча с таким расчетом, чтобы его диаметр был близок к размерам нагреваемого тела, или с помощью заданного движения электронного луча по поверхности нагреваемого тела.

Конструкцию и параметры фокусирующей и отклоняющей систем рассчитывают аналитически, однако более надежным методом их определения следует считать моделирование.

Поток электронов большую часть своей энергии отдает нагреваемому телу. Другая часть энергии тратится на вторичную эмиссию, рентгеновское излучение, теряется на стенках установки с отраженными электронами в результате взаимодействия с газами и парами металлов.

Установлено, что с отраженными электронами теряется от 5—10 % энергии электронного потока для легких и до 20-25 % для тяжелых металлов. Мощность, теряемую с отраженными электронами, рассчитывают по формуле

где Iотр — сила тока электронного луча (отраженные электроны), A; Uотр — напряжение поля, В; n = Iотр/Ie — коэффициент отражения; k' = Uотр/Uуск — коэффициент, характеризующий среднюю энергию отраженных электронов; Wn = IеUуск — полная мощность электронного потока.

В табл. 5.3 приведены расчетные значения потери мощности с отраженными электронами при нагреве тугоплавких металлов.

Таким образом, необходимая мощность электронной плавильной установки зависит от рода металла, диаметра слитка, скорости плавки и требуемой степени перегрева металла.

М.Я. Смелянский и К.Д. Гуттерман предложили следующую расчетную формулу для определения величины ускоряющего напряжения:

где V — скорость плавки, кг/мин; a, b, d, f, g — постоянные, отражающие теплофизические свойства металла (табл. 5.4); Tпов, Тпл — температура соответственно поверхности жидкого металла и плавления, °С; wисп — удельная скорость испарения, кг/(м2*мин); Dсл — диаметр слитка, м; р = IeUуск-3/2 — первеанс электронной пушки, зависящий от геометрии межэлектродного пространства и составляющий обычно 0,5*10в-6/1,5*10в-6 (В*А)-3/2.

Полная мощность электронной плавильной установки без учета потерь мощности по статьям, не превышающих долей процента, определяется по уравнению

Плазменный нагрев


Плазменный нагрев осуществляется за счет тепла, выделяющегося в плазменной струе главным образом в результате процесса деионизации.

Если не считать теплового движения молекул нагретого газа (в случае плазмы газов), процесс деионизации представляет единственный источник тепла. Когда плазма образуется из двух- или многоатомных газов, то появляется дополнительный источник тепла — тепло диссоциации. Обычно в установках для плазменного нагрева применяют инертные одноатомные газы (аргон и гелий), а также двухатомные газы (кислород, азот и водород). Чаше используют не чистые газы, а их смеси, что позволяет регулировать окислительно-восстановительные свойства газовой среды, уменьшать разрушающее действие некоторых чистых газов, например водорода или кислорода, на детали плазмотронов и улучшать тепловые характеристики плазменной струи.

Температура — один из основных параметров плазмы, характеризует тепловую энергию ее частиц. Ho чтобы использовать этот параметр, надо быть уверенным, что газовая плазма находится в состоянии термодинамического равновесия. В таких условиях распределение энергии между частицами определяется плавной максвелловской функцией. По мере повышения температуры, разреженности и степени ионизации плазмы условия ее существования все более отличаются от равновесных и применение термодинамики для ее описания становится уже необоснованным.

Обмен энергией между атомами и ионами, незначительно отличающимися друг от друга по массе, происходит сравнительно легко, но электрону с его чрезвычайно малой массой освободиться от избыточной энергии значительно труднее. Однако между собой электроны достаточно быстро обмениваются энергией. Плазму можно рассматривать как смесь двух газов — электронного и ионного; каждый из них находится в состоянии равновесия, но между ними равновесия не достигается. В плазме различают две температуры: Tе — электронную и T — ионную, первая может значительно превосходить вторую.

Плазма, образующаяся в плазмотронах нагревательных установок, относится к первому виду, т. е. плотной, сравнительно малоионизированной, термодинамически равновесной плазме, в которой Te близка к Ti.

Температура плазменной струи резко отличается как по длине струи, так и по ее диаметру. Наиболее высокая температура, достигающая в современных плазмотронах несколько десятков тысяч градусов, развивается вблизи источника ионизации. Эта зона, величина которой зависит от мощности источника ионизации, природы и скорости подачи плазмообразующего газа, распространяется на 1—2 см от выхода плазменной струи из сопла плазмотрона. Общая длина плазменной струи может достигать 10—15 см и даже больше в зависимости от скорости истечения плазмы из сопла.

Среднемассовую температуру плазменной струи дугового плазмотрона можно рассчитать по уравнению, предложенному А.В. Николаевым и И.Д. Кулагиным:

где E — градиент напряжения в столбе дуги; Iд — сила тока дуги; d — диаметр сопла; а — коэффициент теплоотдачи поверхности струи, Вт/(м2*К); ср — теплоемкость газа, Дж/(кг*К); lд — длина дуги; v — расход плазмообразующего газа.

Если считать, что теплоемкость не зависит от температуры, то внутренняя энергия плазмы будет определяться уравнением

где (cvT + U0) — внутренняя энергия идеального газа; N — число электронов с зарядом -е или число ионов с зарядом +е; кТ — средняя энергия теплового движения частиц; k — постоянная Больцмана.

Уравнение (5.40) применимо, строго говоря, лишь к полностью ионизированной плазме, которая близка по свойствам к идеальному газу. Показателем, позволяющим оценить степень идеальности плазмы, является отношение электростатической энергии AE к средней температуре:

где z — число заряда ионов, близкое к среднему; n — концентрация частиц в 1 см3 или отношение плотности плазмы к температуре T .

Это отношение для плазмы, близкой к идеальному газу, должно быть заметно меньше единицы, т. е.

Таким образом, плотность плазмы или ее давление и температура определяют степень ее идеальности. Чем выше температура, тем при более высоких значениях плотности плазма сохраняет свойства идеального газа. Для «холодной», например водородной, плазмы (z = 1) со среднемассовой температурой около 10000 К давление, выше которого плазма теряет свойства идеального газа, составляет несколько мм рт. ст. Когда плазма имеет энергию в несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,60219*10в-19 Дж), предельное давление может достигать нескольких атмосфер. Отсюда следует, что в плазмотронах нагревательных установок, где температура плазмы обычно не превышает 20000 К, а давление плазмы близко к атмосферному, условия, позволяющие применять законы идеальных газов, встречаются редко. Однако если плазменная струя вдувается в вакуумную камеру нагревательной установки, плотность плазмы может оказаться ниже предельной.

Наиболее распространенным средством для ионизации газа в плазмотронах нагревательных установок считается электродуговой или высокочастотный разряд. Если в пространстве между электродами или внутри высокочастотного индуктора плазма находится в стационарном и равновесном состоянии, то в плазменной струе проходят необратимые процессы рекомбинации и соединения диссоциированных частиц. Эти процессы протекают с выделением тепла, равного тому теплу, которое было затрачено на ионизацию и диссоциацию. Если мощность дугового разряда

где Iд — ток дуги, А; Uд — напряжение дуги, В, полностью тратится на образование плазмы, то можно считать, что в плазменной струе за время т выделится тепла

а усвоится нагреваемым теплом

Коэффициент n в этом уравнении называют эффективным к.п.д. плазменного нагрева. Его величина зависит от конструкции плазмотрона, расстояния между источником ионизации и нагреваемым телом, вида нагреваемого тела и других конкретных условий нагрева. В плазменных нагревательных установках n составляет обычно 0,2-0,6, т. е. он заметно ниже, чем тепловой к.п.д. электродуговых или электронных установок.

Плазмотроны для образования плазменной струи различают по виду электрического разряда для ионизации плазмообразуюшего газа. Наиболее просты и надежны в эксплуатации электродуговые плазмотроны. Газ подается в зону горения электрической дуги, где он нагревается, ионизируется и с большой скоростью выходит из плазмотрона через сопло. В дуговых плазмотронах используется постоянный ток, так как дуга постоянного тока более устойчивая. Однако попытки создания плазмотрона, работающего на переменном токе промышленной частоты, не прекращаются.

Различают несколько типов плазмотронов: плазмотроны с независимой дугой (зона дугового разряда находится целиком внутри него); плазмотроны с полностью или частично зависимой дугой (дуговой разряд достигает поверхности нагреваемого тела); плазмотроны с короткой дугой, питающиеся большим током при напряжении в несколько десятков вольт; плазмотроны с длинной дугой (образуется током с напряжением в несколько тысяч вольт). Плазмотроны классифицируют также по способу стабилизации и сжатия электрической дуги, подачи нагреваемого материала, по сопротивлению анода разрушению и по назначению.

В промышленности и научно-исследовательской практике чаще встречаются плазмотроны с короткой, независимой дугой, как более универсальные, хотя зависимая дуга, горящая между электродом плазмотрона и нагреваемым телом, передает ему больше тепла. Плазмотроны с зависимой дугой применяются в установках, специально предназначенных для плавления материалов.

Недостатком дуговых плазмотронов является загрязнение плазменной струи парами материала электрода. Обычно электрод-катод изготавливают из чистого вольфрама или вольфрама, содержащего торий, а анод представляет собой сопло из водоохлаждаемой меди. В этом случае плазменная струя содержит пары вольфрама, что может иногда оказаться вредным.

Образование чистой плазмы, не содержащей посторонних примесей, возможно в высокочастотных плазмотронах, где ионизация газа происходит в электромагнитном поле с частотой в несколько сотен килогерц и выше. Для возникновения ионизации в высокочастотное поле вводят металлический или графитовый стержень, вокруг которого возникает зона ионизации. После того как она станет устойчивой, стержень удаляют, и плазма образуется без его участия. Взвешенная внутри индуктора зона ионизации весьма чувствительна к изменениям параметров плазмотрона: увеличение или уменьшение мощности или скорости подачи плазмообразующего газа может привести к прекращению ионизации. Несмотря на это, известны высокочастотные плазмотроны мощностью в 100 кВт и выше.

В производстве BTM и CBTKM плазменный нагрев широко применяется для нанесения покрытий из тугоплавких веществ. К существенным его достоинствам относят высокую температуру и скорость плазменной струи, а также возможность проведения процессов в любой атмосфере.

Плазменный метод нагрева используется также для получения порошка из тугоплавких металлов и соединений, для сфероидизации порошков, для резки и сварки металлов.

Особое значение имеет использование плазменной струи в установках для огневых испытаний BTM и CBTKM. В таких установках достигаются очень высокие температуры и скорости газовой струи; легко и в широких пределах изменяется состав струи, вплоть до введения в нее твердых или жидких частиц. Тепловая мощность испытательных плазменных установок может достигать сотен мегаватт.

Плазменный нагрев с успехом используется для плавления стали, жаропрочных сплавов, хрома. Однако целесообразность его применения для плавления тугоплавких металлов находится под сомнением. Вероятно, плазменный метод нагрева может найти применение для плавления сплавов тугоплавких металлов с легколетучими компонентами, а также в литейных печах и в печах, предназначенных для утилизации скрапа тугоплавких металлов. Плазменный метод нагрева сможет найти применение для плавления тугоплавких соединений, особенно тех, которые не проводят электрический ток.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: