§ 2. Плазменная обработка глиняного кирпича

В настоящее время в строительной индустрии широко применяется обожженный глиняный кирпич с оплавленной поверхностью. Анализ экспе­риментальных данных и опыт эксплуатации показывают, что он удовлетворяет требованиям, которые предъявляются к строительным материалам, при одно­временном улучшении внешнего вида, снижении водопоглощения и повыше­нии химической стойкости сооружения.

На глиняном кирпиче при оплавлении образуется отделочный слой от серого до черного цвета. Фактура поверхности зависит от режима оплавления. Стекловидный слой имеет высокую прочность и хорошее сцепление с основ­ным материалом. Для получения декоративного покрытия необходимо нанести на поверхность кирпича определенного вида пасту. Разработаны составы паст, которые готовят на основе молотого стекла, растворимого стекла и глины с добавлением красителя и плавня. Пасты наносят кистью или аэрографом на очищенную от пыли поверхность красного кирпича. В качестве красителя ис­пользуют соли оксидов металлов. Оплавление ведется после предварительного высушивания поверхности до остаточной влажности около 10 %. Эффективно выглядит поверхность красного кирпича, отделанная под «мраморную крош­ку». При этом способе отделки в зону оплавления вслед за дугой подается бой цветного стекла, фарфора, мраморная крошка (фракция присыпки не должна превышать 2...5 мм).

Прочность сцепления оплавленного покрытия с основой и его морозо­стойкость зависят от толщины глазурованного слоя. На толщину покрытия в поверхностном слое керамики в первую очередь влияет температура плаз­менной струи (а значит, важна мощность плазмотрона) и время воздействия, скорость обработки. С увеличением толщины оплавленного покрытия проч­ность сцепления снижается за счет напряжений между стеклом и керамикой, которые способствуют образованию

трещин в поверхностном слое, - тем са­мым снижается и морозостойкость данных изделий. Рентгенофазовым анали­зом установлено, что покрытие представлено в основном - по мере удаления от поверхности - стеклофазой и включениями нерастворившихся зерен кварца. Различный по толщине состав имеет соответственно и различный коэффици­ент термического расширения, следовательно, и свойства стеклофазы по тол­щине различны.

Технологическая линия для создания плазменных защитно-декоративных покрытий на глиняном кирпиче представляет собой производство с основным и вспомогательным оборудованием, аналогичным тому, которое предназначе­но для производства силикатного кирпича.

§ 3. Плазменная обработка бетонных изделий

Высококонцентрированные потоки плазмы, взаимодействуя с поверхно­стью бетонных изделий, обеспечивают их плазмохимическую обработку, в ре­зультате которой образуется стекловидное покрытие, выполняющее защитную и декоративную функции.

Под действием высоких температур, из-за достаточно большой плотно­сти бетонных изделий на их поверхности возникают термические напряжения

и происходит полиморфное превращение кварца р <-» а, сопровождающееся изменением объема и дегидратацией вещества в контактном слое. Это приво­дит к снижению прочности сцепления стекловидного покрытия с основой. По­этому в качестве промежуточной технологической операции необходимо нанесение на поверхность обрабатываемых изделий подстилающего (фактур­ного) слоя, который обеспечивает:

• защиту конструктивного бетона от прогрева в процессе оплавления;

• создание при оплавлении цветного прочного покрытия удовлетвори­тельной декоративности;

• достаточную прочность сцепления покрытия с конструктивным бето­ном для долговечности в эксплуатации элементов зданий;

• наличие в составе именно таких заполнителей, которые при оплавле­нии не только дают стойкое, эстетически совершенное, с высокой прочностью стекловидное покрытие, но и являются легко доступными и экологически чис­тыми при использовании.

Выполнение этих требований достигается как подбором соответствую­щих материалов для фактурных слоев, так и технологией изготовления самого изделия и фактурного слоя. Подбор компонентов фактурного слоя необходимо осуществлять таким образом, чтобы они способствовали снижению темпера­туры образования расплава и имели низкий коэффициент теплопроводности. В качестве таких заполнителей используются кварцевый песок, фарфор, золы, отходы горнодобывающей и стекольной промышленности.

Для формования фактурного слоя оптимальным принято либо соотноше­ние цемента / мелкого заполнителя как 1/2,5, либо водоцементное отношение В/Ц = 0,65. Толщина слоя составляет 20 мм.

При разработке составов паст, наносимых на готовые изделия, учитыва­ется то, что в них должны входить компоненты, содержащие стеклообразую-щие оксиды и снижающие температуру образования расплава (гранит, кварце­вый песок, диопсид, молотое стекло, фарфор). В качестве связующего используется жидкое стекло в соотношении 1/1. Пасты наносятся распылите­лем и после сушки подвергаются обработке плазмой.

Варьируя состав фактурного слоя, можно управлять прочностью сцепле­ния покрытия за счет изменения пористости.

Химическая стойкость стекловидного покрытия значительно выше хи­мической стойкости основы силикатного кирпича, различных видов бетонов и керамических изделий. Состав стекловидного покрытия представлен в ос­новном кварцсодержащим стеклом, обладающим более высокой химической стойкостью по сравнению с химической стойкостью основы представленных

строительных изделий. Следовательно, обладая повышенной химической стойкостью, стекловидное покрытие может выполнять защитную функцию по отношению к основе при эксплуатации этих изделий.

3.1. УСТАНОВКА ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ БЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ (ЭКРАНОВ БАЛКОНОВ ЗДАНИЙ)

В рамках создания защитно-декоративных покрытий на бетонных изде­лиях разработана и внедрена автоматизированная установка и технология плазменной обработки экранов балконов зданий. На рис. 12.4 приведена схема установки.

Принцип работы плазменной установки заключается в том, что цилинд­рический анод из графита расположен над изделием, параллельно обрабаты­ваемой поверхности, ось вращения анода перпендикулярна дуговому шнуру. Катодный узел перемещается со скоростью 0,07...0,14 м/с по направляющим параллельно аноду. При достижении конечных точек, местоположение которых определено шириной требуемой обработки, катодный узел меняет направление

Рис. 12.4. Схема установки плазменной обработки поверхности малоразмерных бетонных плит:

1 - электропривод транспортера; 2 - цепной транспортер; 3 - стол транспортера; 4 - бетонная плита; 5 - система охлаждения анода; 6 - привод анода; 7 - привод катода; 8 - винт каретки; 9 - патрубок подачи газа; 10 - система охлаждения плазмотрона; 11 - каретка; 12- плазмотрон (катод); 13 - вращающийся анод; 14 - электродуго­вой разряд; 15 - устройство электромагнитного сканирования дуги

перемещения; одновременно обрабатываемое изделие, установленное на кон­вейере, перемещается относительно генератора плазмы с обжатой дугой на ширину зоны оплавления. Это происходит периодически благодаря автомати­ческому управлению процессом плазмирования.

Для эффективного использования тепловой энергии плазменных пото­ков от вынесенной дуги и соответственно для увеличения КПД генератора плазмы в целом требуется обеспечить максимальный контакт плазменного шнура с поверхностью обрабатываемого строительного изделия. Добиться этого можно изменением величины и формы импульсов магнитного поля, а также частоты импульсов, накладываемых на дуговой разряд.

Импульсы внешнего поперечного магнитного поля накладываются на разряд в прикатодной области, формирование их осуществляется при помощи электромагнита, полюса которого размещаются на срезе сопла катодного узла. Взаимодействие поперечного магнитного поля с током дугового разряда вы­зывает его отклонение и, следовательно, прижим дугового шнура к поверхно­сти обрабатываемого изделия. Это в свою очередь приводит к повышению производительности процесса создания плазменных покрытий.

На рис. 12.5 показаны зависимости производительности процесса оплав­ления поверхности бетонных панелей дуговым шнуром от амплитуды перио­дически меняющейся величины индукции магнитного поля, создаваемого электромагнитом, по катушке которого протекает выпрямленный по двухпо-лупериодной схеме синусоидальный ток промышленной частоты /=50 Гц. Экспериментально установлено, что максимальная ширина оплавления (при /= 250 А расстояние между анодом и обрабатываемой поверхностью 8 = 0,01 м) не превышает (7,..7,5)-10 м при расходе плазмообразующего газа (азота) G - 0,22 г/с и амплитуде индукции магнитного поля около 1,6 • 10 Тл.

С целью уменьшения времени пребывания дугового шнура в прикатод­ной области обрабатываемой поверхности электромагнит отклоняющей маг­нитной системы был запитан выпрямленным по однополупериодной схеме си­нусоидальным током промышленной частоты (соответствующие зависимости представлены на рис. 12.6). Полученные графики отражают зависимость ши­рины зоны оплавления от расхода газа и магнитной индукции. Максимальной ширине зоны, которая в данном случае достигает (1,1... 1,15)-Ю^-1 м, соответст­вуют следующие значения: G = 0,22 г/с и В = 2,1 • 10~³ Тл.

Кроме того, исследовано влияние импульсов треугольной и прямоуголь­ной формы и их частоты на производительность процесса и адгезию плазмен­ных покрытий. В результате комплекса проведенных исследований показано

что амплитуда, форма и частота импульсов магнитного поля, взаимодейст­вующего с дуговым разрядом, величина массового расхода плазмообразующе-го газа и ток дуги существенно влияют на технологические характеристики обработки поверхностей бетонных изделий. Вариация указанных параметров позволяет в конкретных условиях оптимизировать производственный процесс.

3.2. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ПЛАЗМЕННАЯ

УСТАНОВКА «ГЕРМЕС-010» ДЛЯ ОБРАБОТКИ БОЛЬШЕРАЗМЕРНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Для обработки болынеразмерных бетонных изделий создана специали­зированная плазменная установка, работающая по заданной программе в ав­томатическом режиме. Конструктивно установка выполнена портальной ста­ционарного типа (рис. 12.7) и состоит из подвижной части (механизма исполнительного и подвода питания) и неподвижной (рельсового пути и авто­номно размещенных устройства числового программного управления - УЧПУ, стойки системы следящих приводов - ССП, источника питания АПР-404).

Исполнительный механизм, перемещающийся по рельсовому пути, имеет портал, по направляющим которого перемещается каретка поперечного хода с установленным на ней блоком плазменного генератора. Портал размещается

над объектом обработки (фасадные панели), который предварительно устанав­ливается на специальньш стол, имеющий возможность регулировки по вер­тикали.

В блок плазменного генератора входят: специализированный генератор плазмы; кронштейн для его крепления, кожух защиты обслуживающего пер­сонала от лучистой энергии плазменной дуги и газоотсос для отвода газов, об­разующихся при обработке строительных материалов. Подвод электропитания и газо-, водоснабжения осуществляется с помощью кабелей и шлангов, сво­бодно перемещающихся по Подвесной траверсе.

Технические параметры плазменной установки «Гермес-ОЮ»

Потребляемая мощность, кВт ,. 120

Ток дуги, A......v ... 400

Плазмообразующий газ Азот, воздух

Давление воды, Па ..... 3,5-10⁵...4,5-10⁵

Скорость обработки, м/с ...0,1...0,15

Производительность, м²/ч. 30...40

Ширина колеи, мм 3500

Длина, мм... ..... 12000

Постоянное расстояние от дугового разряда до обрабатываемой поверх­ности (соответственно обеспечения качества обработки) поддерживается уст­ройством стабилизации высоты (УСВ). С пульта управления УЧПУ с помо­щью регулятора высота плазмотрона над обрабатываемой поверхностью строительного изделия плавно регулируется в диапазоне 5...30 мм.

3.3. ПЛАЗМОТРОН С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ДУГИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ БЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Для установки «Гермес-010», предназначенной для обработки больше-размерных бетонных панелей, создана конструкция плазменного генератора с электромагнитным транспортом дуги (рис. 12.8).

1 и 2 - электроды (анод); 3 - катод; 4 - диэлектрические отражатели

Генератор отличается тем, что с целью снижения эрозии электродов со­кращено время воздействия опорного пятна дугового разряда, для этого пря­молинейные участки конструкции выполнены в виде вращающихся цилиндров / и 2, скорость

вращения которых может меняться в пределах 0...3000 об/мин. Роль криволинейных участков выполняют диэлектрические отражатели пото­ков плазмы, сделанные из огнеупорного материала. Такая конструкция плаз­менного генератора позволяет непрерывно перемещать дуговой разряд вдоль электродов, при этом траектория движения дуги представляет собой удлинен­ный эллипс. Автоматическое поддержание процесса формирования дуги при ее перемещении по электродам достигается за счет отражателей потоков плаз­мы. Электрическая дуга и образованные ею потоки плазмы в своем движении срываются с концов электродов и, отражаясь от дугообразных отражателей, ио­низируют межэлектродное пространство, вызывая возникновение новой элек­трической дуги, перемещающейся в противоположном направлении. Затем дан­ный процесс повторяется, обеспечивая непрерывность перемещения дуги по заданной траектории. За счет вязких сил при вращении электродов (анодов) вращающийся слой воздуха стабилизирует положение анодного пятна в нижней точке цилиндра анода, вследствие чего плазменный поток прижимается к обра­батываемой поверхности, что увеличивает тепловой КПД генератора. Вокруг генератора может быть расположен соленоид, создающий дополнительное внешнее магнитное поле, изменяя величину индукции которого, можно управ­лять скоростью перемещения дуги вдоль электродов. Величина индукции зада­ется числом витков соленоида или силой тока, протекающего по соленоиду.

Режим работы генератора плазмы исследовался при рабочих токах дуги 100...440 А и величине индукции магнитного поля в интервале (1,5...4,5)-10~² Тл. Расстояние Между электродами генератора составляло 10~² м. Длина рабочей части электродов равнялась 0,3 м. Скорость вращения анодов вокруг оси со­ставляла 200 рад/с. Все электроды были изготовлены из электротехнического графита марки ГЭ. "

На рис. 12.9 и 12.10 показаны зависимости средних скоростей перемеще­ния дуги по электродам от электромагнитной силы, на рис. 12.11 - измеренные вольт-амперные характеристики дугового разряда, движущегося под действи­ем внешнего магнитного поля. Анализ кривых подтверждает, что скорости пе­ремещения дугового разряда по прямолинейным участкам электродов в не­сколько раз выше, чем на

поворотных участках. Такое расхождение в скоростях перемещения дугового разряда на различных участках генератора зависит от процессов, связанных с шунтированием дуги при срыве в конце и начале движения по электродам.

Ход кривых на рис. 12.9 показывает, что с ростом магнитной индукции и силы тока дуги растет в целом и скорость перемещения дуги.

На основе экспериментальных данных методом наименьших квадратов определена эмпирическая зависимость скорости перемещения дуги от силы тока / и индукции поля В:

_У = 275,4/°'^4,02?⁰-⁹⁹⁶.

Максимальное относительное расхождение экспериментальных значений скорости от значений, рассчитанных по этому уравнению, не превышает 13 %.