3.4 Плазмалық үрдістер және қондырғылар

3.4.1  Плазмалық қондырғылардың ерекшеліктері, қолданылуы және жіктелуі

Ашық ауада жанған доға бағанасының температурасы 6000-8000 К. Егер доға бағанасын суытып,  қысатын болса, оның температурасы  10000-20000 К және одан да жоғарыға көтеріледі. Мұны бірнеше жолмен іске асыруға болады: жоғары жылдамдықты (дыбыс жылдамдығымен шамалас) параллель және жанама газ ағынымен немесе магнит өрісінің әсерімен.

Мұндай доға ауадағыға қарағанды орнықты жанады, ұзындығы үлкенірек,  ток тығыздығы, доға бағанасындағы потенциал градиенті, қуат шоғырлануы жоғары болады.

Жоғары температурада газдың ионизациялану дәрежесі үлғаяды, оның жоғары ионизацияланған күйі төменгі температуралы плазма деп аталады (50 000 К дейін). 

Төменгі температуралы плазма ағынын алу үшін газды электр доғасымен қыздыру жүргізетін электротехникалық аппарат плазмотрон немесе төменгі температуралы плазма өндіргіштері деп аталады.

Доғалық плазмотрондар жоғары вольтты (2-6 кВ, 50-500 А) және төменгі вольтты (100-800 В, 2-10 кА) болып бөлінеді. Бірінші қондырғылардың доға ұзындығы үлкенірек, сыртқы беті кеңдеу, ал екіншілерінде энергия бөлінуі шоғырланған болады.

Қазіргі кезде көпшілік плазмотрондар тұрақты токпен жұмыс істейді. Айнымалы токты плазмотрондарда токтың әр период сайын нөлден өткенде доғаның сууы оның жиі үзіліп, тұрақсыз жануына әкеліп соғады.

Плазмотрондар, анод ретінде өңделетін металды қолданғанда, тікелей әсерлі, анод ретінде плазмотрон корпусын қолданып, қыздыру соплодан шығатын газ арқылы жүргізілгенде, жанама әсерлі болып ажыратылады.

Плазмотрондар доғаны тұрақтандыру бойынша келесідей бөлінеді (3.17 сурет):

-         параллель газ ағынымен;

-         бұратылған газ ағынымен;

-         доғаны магнит өрімен қысу.

 

 

3.17 сурет - Плазматрондар сұлбасы

 

 

 

Плазмалық технологияның қолданылуы:

-         газдарды қыздыру (табиғи газдан ацетилен алу);

-         арнайы металлургия;

-         металдарды плазмалық пісіру және кесу;

-         шаңдатып және жағып қаптау;

-         ұнтақтық металлургия;

-         қатты тұрмыстық қалдықтарды қайта өңдеу.

Плазмотрондарда плазма алу үшін әртүрлі газдар пайдаланылады: аргон, гелий, азот, сутегі. Аргон мен  гелий тапшылығы және қымбаттылығына байланысты арнайы технологиялық үрдістерде ғана шектеулі пайдаланылады. Жылу өткізгіштігі және жылу сыйымдылығының жоғарылығына байланысты азот атмосферасындағы электр доғалық разряды кезінде электр энергиясы жылуға айналуы тиімді. Сутегінің жылу өткізгіштігі жоғары, бағасы төмен, тапшы емес. Бірақ жоғары температурада электродтарға зиянды бұзу әсер етуіне себепті сутегі аргонмен бірге қолданылады.

3.4.2 Плазмотрондардың энергетикалық сипаттамалары

Плазмотрондардың энергетикалық сипаттамаларына доға параметрлерінің жұмыс істеу шарттарынан – плазма тудыратын газ түрі, қысым, геометриялық өлшемдер, электрод материалдары, температурасы, магнит өрісінің кернеулігі т.б., тәуелділігі жатады. Бұл факторлардың бәрін бірдей ескеру өте күрделі болғандықтан, плазматронның вольтамперлік сипаттамасын анықтау үшін көптеген эксперимент нәтижелерін жалпылау жолымен алынған эмпириялық формулаларды пайдаланады.

Бір камералық тұрақты токты ауада құйынды тұрақтандырылған аноды цилиндрлік қуысты плазмотрон үшін вольтамперлік сипаттама келесідей теңдеумен өрнектеледі

 

                                 (3.19)

 

Сутегімен жұмыс істегенде:

 

                                 (3.20)

 

Мұнда -доға тогы;

- плазма туғызатын газ шығыны;

- шығыстағы электродтың ішкі диаметрі;

 - разрядтық камерадағы қысым.

 

Осы плазмотрондардың ПӘК үшін келесі формулалар алынған

 

                 (3.21)

                             (3.22)

 

Мұнда - электродтың өзіндік ұзындығы

 

 

3.18 сурет  - Плазматрондардың энергетикалық сипаттамалары

а) құйынды тұрақтандырылған плазматронның кернеуінің газ шығыны мен қысымынан тәуелділігі б) магниттік тұрақтандырылған плазмотронның кернеуінің магниттік индукциядан, газ шығынынан және қысымынан тәуелділігі

 

 

3.19 сурет - Плазмотрондардың энергетикалық сипаттамалары

а) құйынды тұрақтандырылған плазматронның термиялық ПӘК газ шығынынан тәуелділігі; б) газдың шығу орта массалық температурасының шығынынан тәуелділігі; в) магниттік тұрақтандырылған плазмотронның ПӘК оның қуатынан, қысымынан, магнит индукциясынан тәуелділігі.

  

Плазмотрондарды  нәрлендіру үшін сыртқы сипаттамасы тік құламалы қуат көздері қолданылады:

-   токты автоматтық тұрақтандыратын басқармалы вентильдер негізіндегі қуат көздері (3.20 сурет). Қуатты жоғары вольтты плазмотрондарды нәрлендіруге пайдаланылады, әр плазмалық қондырғы үшін жеке дайындалады;

Плазмотрон

 

3.20 сурет - Автоматтық ток тұрақтандырғышты қуат көзінің сұлбасы

 

-  қанықтырылатын дроссельді және магниттік басқарылатын трансформаторлы қондырғылар;

-   үш фазалы электр тізбегінде кернеу резонансы қағидасымен жұмыс істейтін параметрлік қуат көздері.

Екінші және үшінші қуат көздері стандартты дайындалады, төменгі вольтты плазмотрондарда пайдаланылады.

3.4.3 Плазмалық қондырғылар

         Плазмалық-доғалық пештер екі түрлі болуы мүмкін:

-         отқа төзімді футеровкалы балқыту пеші;

-         сумен суытылатын кристаллизаторлы қайта балқыту пеші.

Плазмалық-доғалық пештің құрылымы, қалпы, футеровкасы әдеттегі доғалық пештікіндей.  Пештің түбіне сумен суытылатын балқытпамен жанасатын мыс анод орнатылады (3.21 сурет). Электродтар орнына пеш төбесіне немесе бүйіріне бір немесе бірнеше плазмотрондар орнатылады.

         Плазмалық кесу доға беку дағында бөлінетін және плазма ағысы әкелетін  энергия есебінен металдың балқуы және булануы арқылы іске асады. Металды кесу плазмалық доғамен немесе плазмалық ағынмен  жүргізіледі (3.22 сурет). Екінші сұлба қалыңдығы үлкен емес металдарды кесу үшін пайдаланылады.

 

3.21 сурет - Доғалық-плазмалық пештер

а) ваннасы футеровкаланған: 1-плазмотрон; 2-футеровка; түптік электродтар; шихта; 5- плазмалық доғалар.

б) кристаллизаторлы: 1-құйма; 2-кристаллизатор; 3-плазмотрон;   4-пеш корпусы; 5-дайындаманы беру және айналдыру механизмы; 6-қайта балқытылатын дайындама; 7-қуат көзі; 8-құйманы суыру механизмы

        

 

         3.22 сурет - Плазмалық доғамен (а) және плазмалық ағынмен (б) кесу сұлбасы

1-плазма ағыны; 2-доға; 3-катод; 4-кесілетін метал; 5-қуат көзі; 6-кезекші доғаның тогын шектейтін кедергі.

 

Кезекші (кесу жүргізілмейтін) режимде доға катод және сопло арасында жанады, ток арнайы кедергі арқылы өтіп, онымен шектеледі. Кесу үрдісінде доға кесілетін металға ауысады.

         Плазмотронның жоғары қуаттылығы және плазманың динамикалық әсері қалың металдарды қосымша сымсыз, метал жиегін өңдеусіз, бір жүрісте пісіруге мүмкіндік береді. Плазмотрон осіне бұрыштап бағытталған қосымша фокустаушы газ ағыны (аргон мен гелий немесе сутегі қоспасы) пісіру ваннасының аз ғана аумағында қыздыруды шоғырландырып қоршаған ортадан қорғайды (3.23 а сурет). 

        

         3.23 сурет - Плазмалық пісіру сұлбалары:

          а) қорғағыш газ астында б) шашырату және в) шаңдату:

а) 1- пісіргіш қуат көзі; 2-жоғары жиілікті өндіргіш; 3-балқымайтын электрод; 4-плазма туғызатын газ; 5-суытатын су; 6-қорғағыш газ; 7-қорғағыш газ үшін сопло; 8-бұйым.

         Плазмалық шаңдату және балқытып құю әдістерімен коррозиялық төзімді, қыздыруға берік және басқа қаптама алынады. Шаңдатқанда жағылатын материал бөлшектері балқытылып, жоғары жылдамдықпен қатты қыздырылған бұйым бетіне жағылады. Бұйым беті балқу температурасына жеткенде шаңдату үрдісі балқытып құюға айналады. Жағылатын материал электр өткізгіш сым (3.23 б сурет) немесе электр өткізбейтін ұнтақ (3.23 в сурет) болуы мүмкін. Плазмалық балқытып құйғанда бұйым мен жағылатын материал ток тізбегіне қосылады.