Глава XII. Плазменная обработка

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ*

Практическое использование экстремальных значений давления, тем­пературы, скоростей и других физических параметров для совершенствова­ния технологий в области строительных материалов открыло путь к качест­венно новым сильно неравновесным процессам. Их привлекательность при синтезе и применении новых материалов заключается в многообразии не­равновесных состояний вещества и возможностей перевода его в то или иное состояние с технологически полезными свойствами. Для реализации этих неравновесных процессов необходима локальная концентрация энер­гии. Одним из простых, но эффективных источников концентрированной тепловой энергии в малом объеме является электродуговой генератор тер­мической плазмы.

Известно, что рост температуры при обработке материалов способствует ускорению физико-химических реакций и наряду с интенсификацией тепло-обменных процессов, движущей силой которых является градиент темпера­туры между нагреваемым материалом и теплоносителем, обеспечивает уве­личение удельной производительности. В строительной индустрии это обстоятельство на основе применения низкотемпературной плазмы использу­ется в производстве цементного клинкера, зернистого керамического материа­ла - керамита, минеральной ваты и при создании защитных и декоративных покрытий на строительных материалах различного назначения.

§ 1. Плазменная обработка силикатного кирпича

Для отделки и защиты строительных конструкций и зданий в качестве облицовочного материала широко используют лицевой глиняный и силикат­ный кирпичи, глазурованную плитку и кремнийорганические краски. В силу различных причин их применение не всегда оправдано по дизайну и длитель­ному сроку службы. Поиск новых экологически выгодных защитных покры­тий, которые удовлетворяли бы требованиям долговечности и цветовой выра­зительности, привел к освоению плазменной термообработки поверхностей строительных материалов и изделий.

Исследования показали, что при воздействии плазмы на строительные материалы как на многокомпонентную силикатную систему, с учетом темпе­ратурных полей в глубь изделия, образуется слоевая структура, иллюстрируе­мая на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Схема распределения температурных полей в глубь строительного изделия

Изучение процессов, протекающих на поверхности строительных изде­лий при воздействии низкотемпературной плазмы, ведущих к изменению фа­зового состава, структуры и свойств обрабатываемого материала, проводилось на силикатных кирпичах, изготовленных более чем на двадцати заводах раз­личных регионов России. Минералогический и гранулометрический состав используемых песков довольно разнообразный, каждый из этих факторов по-своему влияет на протекание процессов стеклообразования при воздействии высококонцентрированных тепловых потоков. Соответственно различны и значения прочности сцепления сформированного покрытия с основой

Процесс стеклообразования на поверхности кирпича происходит при температуре 3000...5000 К, превышающей температуры плавления силикатных соединений, карбоната и кварца, входящих в состав изделия. Показано, что прочность сцепления стекловидной пленки зависит от температуры оплавле­ния, времени воздействия плазмы и толщины пленки. В табл. 12.1 представле­на прочность сцепления стекловидного покрытия в зависимости от режимов оплавления.

Таблица 12.1

Влияние режимов оплавления на свойства покрытия*

Мощность, кВт	Скорость перемещения конвейера, м/с	Толщина покрытия, м-103	Прочность сцепления покрытия с основой, МПа
24 24 36 36 36 56 56 56 56 75 75 75	0,03 0,06 0,03 0,06 0,08 0,045 0,06 0,08 0,10 0,10 0,13 0,17	0,36 0,65 0,24 0,68 0,52 0,36 0,22 0,50 0,32 0,22	1,54 0,86 1,32 1,11 1,32 1,63 2,22 2,34

* Данные приведены для силикатного кирпича Туганского завода.

Из таблицы следует, что, поскольку оплавление силикатного кирпича при малой мощности плазмотрона (24 и 36 кВт) требует длительного теплово­го воздействия, имеет место более глубокий прогрев материала, а значит, и большая степень разложения гидросиликата кальция (ГСК) в приповерхност­ных слоях изделия. Все это приводит к снижению прочности сцепления стек­ловидного покрытия с основой.

При увеличении мощности плазменного генератора (56.„75 кВт) время образования стекловидного покрытия значительно снижается и разрушение ГСК происходит на меньшей глубине (0,5...2,0 мм). Прочность сцепления в этом случае повышается до 2,34 МПа.

Подбором специального температурного режима удается изменить структуру в поверхностных слоях силикатных изделий. Из анализа получен- ных данных следует, что прочность сцепления стекловидного покрытия с ос- новой определяется наличием переходного слоя и зависит от его структуры. Переходный слой - важное звено между стекловидным покрытием и основой изделия, так как он снимает напряжения в изделии. Поэтому величина прочно- сти сцепления находится в прямой зависимости от структуры и состава переходного слоя.

Структура оплавленной поверхности в значительной степени зависит от режима работы плазмотрона, так как этим определяется температура на по­верхности изделия. В экспериментах были обеспечены рабочие режимы плаз­мотрона, представленные в табл. 12.2. Величина теплового потока определя­лась калориметрическим методом.

Таблица 12.2

Рабочий режим плазмотрона

Напряжение, В	Сила тока, А	Мощность, кВт	Плотность теплового потока, Вт/м2
200 180 140 170	120 200 400 440	24 36 56 75	1-Ю6 1,5-106 2106 2,5 106

Для технологической линии по поверхностной обработке кирпича при­меняется плазменный генератор с вынесенной дугой (рис. 12.2). Он состоит из катодного узла от плазменного резака и расходуемого графитового анода, раз­деленных расстоянием 120... 170 мм. Для стабилизации рабочих режимов плазмотрона в цепь питания введены балластное сопротивление ^ив цепь «дежурной» дуги Я_ал.

Для обеспечения равномерного сгорания графитового электрода, а также для его подачи применен электропривод 4, который представляет собой мотор-редуктор и винт-гайку с диэлектрической муфтой. Под действием привода графитовый электрод / диаметром 65 мм и длиной 500...800 мм совершает вращательно-поступательное движение. Токоподвод 8 выполнен водоохлаж-даемым в виде разъемного цилиндра. Такая конструкция обеспечивает охлаж­дение электрода и быструю смену сгоревшего электрода на новый.

Сокращение расстояния между электродами в момент запуска плазмо­трона приводит к уменьшению тока дежурной дуги, что благоприятно сказы­вается на эрозии сопла катодного узла и увеличивает ресурс работы генерато­ра плазмы в целом. После возбуждения рабочей дуги анодный узел устанавливается в исходное положение для обеспечения технологических ха­рактеристик плазмотрона. -

Обрабатываемые изделия 5 размещаются в два ряда с зазором на пла­стинчатом конвейере, скорость которого можно варьировать, изменяя переда­точное число привода. Экспериментально установлено, что для получения од­нородно оплавленной поверхности расстояние между катодом и изделием, а также между анодом и изделием должно составлять не менее 20 мм. Зазор ме­жду обрабатываемыми изделиями должен соответствовать диаметру плаз­менного шнура. С увеличением зазора между обрабатываемыми изделиями повышается устойчивость плазменного шнура и уменьшается коэффициент использования энергии для оплавления, тем самым снижается скорость обра­ботки. С учетом этого зазор составляет 8 - 6...8 мм (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Специализированный генератор плазмы с расходуемым ано­дом для обработки строительных изделий (кирпича):

1 - графитовый анод; 2 - формирующее сопло; 3 - катод; 4 - электропривод; 5 - обрабатываемые изделия; 6 - контактор включения «дежурной» дуги; 7 - плазменно-дуговой поток; 8 - водоохлаждаемый токоподвод; 9 - платформа

Установка плазменной обработки кирпича предназначена для получе­ния защитного слоя на лицевых гранях кирпича. Защитный слой представляет собой стекловидную пленку, образованную из расплава самого материала кир­пича толщиной 0,1...0,3 мм. Покрытие появляется на поверхности кирпича при кратковременном воздействии высокотемпературной плазменной струи. При плазменной обработке силикатного кирпича покрытие получатся белого или зеленоватого цвета - оттенок определяется химическим составом исходных ма­териалов при производстве кирпича. Возможно получение цветных покрытий после предварительной обработки оплавляемой поверхности силикатного кир­пича водными растворами солей металлов (например, хрома, кобальта и др.).

На рис. 12.3 представлена технологическая схема процесса плазменной обработки силикатного кирпича. Конструктивно установка состоит из плаз­менного генератора, двухручьевого ленточного конвейера и вспомогательного оборудования.

Рис. 12.3. Технологическая линия плазменной обработки силикатного кирпича:

1 - автоклав; 2 - вагонетка для подачи кирпича; 3 - автомат-укладчик; 4 - конвейер; 5 - пост покраски; б - плазмотрон; 7 - автомат-съемщик; 8 - контейнер для пакетирования

обработанного кирпича

Плазмогенератор с вынесенным анодом размещен в средней части кон­вейера, при этом катодный узел расположен по оси конвейера - в вертикаль­ном положении, формирующим соплом вверх, в непосредственной близости от стола конвейера, и снабжен выносным устройством для коррекции его поло­жения.

В качестве выносного анода используется графитовый стержень диамет­ром 65...70 мм, установленный под углом 20° относительно горизонтали. Для возбуждения рабочей дуги применяется вспомогательный (поджигающий) электрод, который шарнирно сопряжен с анодным узлом.

Вспомогательное оборудование состоит из источника электропитания, системы водоохлаждения, узла подкрашивания и пульта управления. В качест­ве источника электропитания используется источник от установки для плаз­менной резки АПР-404;

Технические характеристики установки

Напряжение холостого хода, В 300

Номинальный рабочий ток дуги, А 400

Номинальное условное рабочее напряжение, В.... 250

Потребляемая мощность, кВт.... 60...80

Пределы рабочего напряжения, В .-. 200...250

Пределы регулирования рабочего тока, А .... 350...450

Производительность, млн шт. условного кирпича в год 4

Скорость обработки, м/с 0,03...0,14

Плазмообразующий газ Воздух, азот

Расход газа, г/с 0,02...0,04

Охлаждение плазменного генератора Водяное

Давление воды, атм 4...6

В результате комплексного решения задач по созданию защитно-декоративных покрытий на силикатном кирпиче реализована в аппаратурном оформлении и внедрена плазменная технология обработки силикатного кир­пича на многих предприятиях строительной индустрии России. Работа выпол­нена сотрудниками НИИ строительных материалов при Томском архитектур­но-строительном университете.