Плазмалық технологиялық қондырғылар және процестер

§ 8.1 Төмен температуралы плазма алу қондырғылары және олардың қолдану облысы

Плазмалық технология – 50 жылдардан бастап қазіргі кезге дейін тірлі мемлекеттерде қарқынды дамып келе жатқан өндірістің жаңа тармағы. Бұған дәлел ретінде ғылыми ақпараттар мен патенттердің үлкен ағынын және өндірісте қолдану облысының кеңеюін келтіруге болады.

Ғарыш техникасының дамуына байланысты, түрлі типті қозғалтқыштар, соның ішінде плазмалық, атмосфераның тығыз қабаттарына кіргенде жұмыс қабілетін сақтап қала алатын материалдар мен ғарыш аппараттарының конструкциясын жасау және термоядролық синтез, жоғары жылдамдықтардағы газодинамика, газ разрядының физикасы, жоғары режимдік параметрлердің химиялық технологиясы облыстарындағы зерттеулер қажеттілігінен плазмалық технологияның дамуының алғышарты қалыптасты. Плазмалық технологияны пайдаланудың нәтижесінде жоғары технологиялық қасиеттерге (отқа төзімділік, беріктілік) ие жаңа материалдар ғана емес, осы материалдарды эффективті өңдей алатын аппаратура пайда болды.

Қара (тот баспайтын) және түсті металдарды плазмалық кесу алғаш рет 1956- 1957 жылдары КСРО-да жүзеге асырылды. Ол қалың болат, мыс және оның қоспалары, аллюминий және басқа металлдарды жоғары жылдамдықпен кесуге мүмкіндік береді (мысалы, қуаты 100 кВт плазмотрон қалыңдығы 30 мм болатты минутына төрт метр жылдамдықпен кеседі). Бұған қоса, дәнекерлеу цехтарында өлшемін келтіру жұмыстары азаяды, өйткені плазмалық кескіш жоғары дәлдікке ие. Плазмалық кесу кеме жасау, ауыр және атомдық машинажасау, химиялық және электротехникалық өнеркәсіпте кеңінен қолданылады.

Плазмалық дәнекерлеу мыс, латунь, қола, аллюминий және оның қоспаларынан жасалған бөліктердің жалғануын қамтамасыз етеді. Плазмалық қаптау (покрытие) бөліктерді қосымша және негізгі материалдардың минимал араласуымен отқа төзімді, антикоррозиялық құраммен шаңдату немесе ерітінділеуді қамтамасыз етеді.

Плазмалық ағындарды пайдаланудың маңызды бағыты – электромагниттік үдеткіштердің қолданылуымен жүзеге асатын, вакуумдық плазмалық технология. Вакуумдағы плазма бұлтына теріс потенциалды бөлшек орналастырылады. Плазма көлемінен оң иондар тартып алынып, электр өрісінде үдетіліп, бөлшекке келеді. Мұндай жүйеде онмыңдаған электрон-вольт энергися бар, жылдамдығы секундына 100 км-ға дейінгі бөлшектердің ағынын алынады. Бұл атомарлық бөлшектердің беттік конденсациясына, металдардың бетінің булануына, атомдарды кристаллдық торға терең енгізуге, қажетті иондардың имплантациясына негізделген технологиялық процесстерді жүргізуге мүмкіндік береді.

Вакуумды плазмалық қондығыларда барлық белгілі металдардың, қоспалардың, органикалық және бейорганикалық заттардың плазмасы алынуы мүмкін. Бұл жағдайда түрлі заттардың плазмасы басқа жағдайларда мүмкін емес химиялық әсерлесуі мүмкін.

Вакуумдағы плазмалық технологияның көмегімен келесідей өзекті мәселелер шешіледі:

активті функцияларды орындайтын, арнайы қасиеттері бар материалдардың ерекше таза қабатарын алу (магнитті, оптикалық, эмиссиялық, жоғары өкізгіштікке ие және басқа қабаттар);

конструкция элементтерін агрессиві орта, жоғары жылдамдықты газ ағыны, жоғары температура әсерінен тосқауылдық қабаттармен қорғау;

материалдардың беттік қабатының құрылымды- энергетикалық күйін өзгерту (беріктілігін арттыру, жартылай өткізгіштерді қоспаландыру (легирование) және басқалар);

жоғары механикалық және эксплуатациялық қасиеттерге ие, көп қабатты құрылым түріндегіматериалдарды алу;

таспалы (пленочных) монокристалды құрылымдарды алу.

Вакуумды плазмалық технология, кейбір қиындықтарына қарамастан, материалдарды контактсыз өңдеу әдістерінің арсеналын айтарлықтай толықтыруға мүмкіндік береді.

Плазмалық технологиялық процесстер химияда келесідей негізгі сатылардан тұрады: 1) қысым мен температураның қажетті параметрлері мен құрамды плазма алу; 2) қатты, сұйық немесе газ күйіндегі заттарды – реагенттерді енгізу және олардың әсерлесуне қажетті уақыт беру; 3) мақсатты өнімді немесе бірнеше өнімдерді реакция аумағынан бөліп алу.

Плазманы ау үшін әр түрлі принципиалды схемаға ие плазматрондар пайдаланады. Плазмохимиялық реакциялар екі түрлі әдіспен жүзеге асырылуы мүмкін: плазманың барық құраушыларын электр разряд аумағына енгізу және разряд аумағынан тыс плазма ағынына реагенттерді енгізу. Бірінші жағдайда плазмотрон реакцялық көлеммен – реактормен бірігеді, екінші жағдайда плазмалық ағын мен енгізіетін материалдың араласуы жүзеге асатын, цилиндрлік суытылатын көлем түрінде жасалған ағынды плазмалық реакторлар қолданылады.

Реакция өнімдері разряд аймағынан тыс плазмаға қосымша газ немесе сұйықтық қосу арқылы және суытылатын жылу алмасушы экран көмегімен суытылады.

Химияды плазмалық технологиялық процесстер келесілемен сипатталады:

1. Қондырғының технологиялық бөлігінің кенет қысқауын қамтамасыз ететін жоғары температуралылық (энергиялылық) және үлкен жылдамдылылық (контакт уақыты ).

2. Плазмохимиялық процесстердің бірсатылылығы. Мысал ретінде плазмада жүзеге асырылатын белил өндірісінде қолданылатын титанның пигментті оксидін

химиялық өндіріске қажетті ацетилен

тыңайтқыш өндірісіне қажетті азот оксидін

металл окситерінен таза металл

алу реакциялары келтіруге болады.

3. Қиын қайта өңделетін шикізат (табиғи газ, ауа, шикі мұнай, қиын өңделетін құрамында металл бар минералдар) процестерінде қолдану мүмкіндігі.

4. Шикізат тазалығымен анықталатын және қоспалардың әсерінен өзгермейтін плазмада алынатын заттардың тазалығы.

Реакцияның жанама өнімдері де, мысалы сутегі және хлор, құнды құраушылар болып табылады және өндірісте қолданылады.

Егер көмірсутегілердің пазмалық пиролизінде реакция өнімерінің жылдам суытылуы ұйымдаспаған болса, көмірсутегінің ыдырауы жоғары сапалы күл мен техникалық сутегінің қалыптасуымен соңына дейн жүреді. Процесс 1,5 К-нен 5-6 мың К аралығындағы температурада жүреді.

Су буының плазмасының ағыны түрлі органикалық заттардан мақсатты өнімді алудағы келешекті энергия тасымалдаушы болып табылады.

Азотты тыңайтқыш өндірісінде қолданылатын азот оксидтерін алу үшін 2000-1800 К температураға дейін К/с жылдамдықпен, кейін жылу алмасушыларда суытылатын, қысымы 200-300 кПа температурасы 3000- 3500 К ауа плазмасы қолданылады.

Плазма алу әдістерін келесідей топтасытыруға болады: 1) электр тізбегіндегі өткізгішті жару; 2) электр ұшқыны; 3) жоғары жиілікті факелдік разряд; 4) тәждендіруші (коронирующий) разряд; 5) доғалық разряд.

Жоғары жиілікті және доғалық разряд көмегімен плазма алу әдістері тиімдірек екендігі анықталды. Қазіргі кезде соңғы әдіс бірнеше артықшылықтарға ие:

1. Түрлі химиялық құрамдағы қатты, сұйық және газ тәріздес ортадан жоғары пайдалы әсер коэффициентімен ұзақ уақыт аралығында плазма алу мүмкіндігі;

2. Вакуумда және жоғары қысымда плазма алу мүмкіндігі;

3. Стандартты электрлік қорек көздерін пайдалану мүмкіндігі.

Плазмотрондарда плазма алу үшін, плазма түзуші орта, газдарды пайдаланады. Ол бір немесе бірнеше компонентті болуы мүмкін. Бір компонентті плазма түзуші орта ретінде аргон, гелий, азот және сутегіні пайдаланады.

Плазмалы технологиялық реакторда көп құрамды плазма түзуші ортаның құрамын таңдау арқылы кез- келген атмосфераны алуға болады: қышқылдайшы, қалыпқа келтіруші немесе нейтралды.

Энтальпия - плазманың жылулық параметрлерінің негізгілерінің бірі, көлем немесе масса бірлігіне сәйкес жылу мөлшері.

Атмосфералық қысымдағы кейбір плазма түзуші газдардың меншікті энтальпиясының температураға тәуелділігі 8.1 - суретте көрсетілген. Суреттен келіп шығады:

1. 4-8 мың Кельвин температурада молекулалардың диссоциациясына жұмсалған энергия есебінен екі атомды газдардың энтальпиясы бір атомды газдардан артық болады. Мысалы T= 8000 К азот энтальпиясы аргон энтальпиясынан 5 есе артық;

2. Қыздыру аппараттарында жоғары энтальпияға ие молекулалық плазма түзуші газдарды пайдалану тиімдірек, өйткені оларың температуралық эффективтілігі төменгі температураларда көбірек.

1- сутегі; 2- азот; 3- аргон