Металлдарды кесумен өңдеу кезінде плазмалық қыздыруды қандай жағдайда қолданған орынды?

Плазмалық қыздыру қондырғылары.Плазмалық қыздырудың физикалық негіздері.

Қалыпты жағдайда газ нейтрал молекулалардан немесе атомдардан тұрады және электр тоғын өткізбейді. Сыртқы факторлар әсерінен газдың иондалуы (электрленуі) мүмкін. Элементар бөліктің (атом немесе молекула) иондалуы дегеніміз – бұл нәтижесінде бөлікте электр заряды пайда болатын немесе оның шамасы өсетін процесс. Иодталған газ құрамы өте күрделі болуы мүмкін. Химиялық құрамы өте қарапайым газ – азоттың иондалуынан кейін оның құрамында әртүрлі сортты оң иондар кездеседі (бір, екі және одан да көп элементар зарядты; 3.8 сурет). Газдың түрі бойынша иондалу кезінде атомдар мен молекулалардан бөлінген электрондар, өзінің қозғалысын жалғастыра береді де, бос электрон күйінде немесе нейтраль бөліктерімен бірігіп теріс иондарға айналады.

Атомдалған иондардан басқа молекулалық иондар және нейтраль атомдар мен молекулалар да болуы мүмкін. Егер иондалу процесі сатылы түрде жүретін болса, онда газды ортада қыздырылған атомдар мен молекулалар түзіледі, яғни олардың заряды өзгермегенмен ішкі энергиясы жоғарылайды.

Иондалған газ оның компоненттерінің (электрондар, иондар, нейтрал атомдар немесе молекулалар) тығыздығымен, яғни көлем бірлігіндегі (мәселен, газдың 1 м³) санымен сипатталады.

Кулондық күштер әсерінен болатын иондалған газдың зарядталған бөліктерінің өзара әсерлесуі олардың сапалық ерекшеліктерін сипаттайды. Бұл ерекшеліктер қарапайым газға қарағанда айтарлықтай болғандықтан оны заттың төртінші күйі деп есептеу қабылданған. 1923 жылы американдық физиктер Лэнгмюр мен Тонкс солғын немесе доғалық разряд бағынындағы газ жағдайын сипаттау үшін «плазма» терминін енгізді.

Қазіргі кездегі «плазма» ұғымы мынадай қасиеттері бар жартылай немесе толық иондалған газдарды сипаттайды:

а) электрлік өріс әсерінен плазмада электрлік тоқ пайда болады;

б) магнит өрісінде плазма ерекше қасиетті диамагнитті зат түрінде болады;

в) плазма ерекше қасиетті серпімді орта; онда әртүрлі шуыл, тербеліс және толқындар жеңіл қоздырылады және тез тарайды;

г) егер плазма компонеттері арасындағы өзара әсер энергиясы жылу энергиясымен салыстырғанда аз болса, онда плазма идеал газ секілді қасиетке ие болады.

Плазманың соңғы қасиеті төмен тығыздықтар мен жоғары температураларда байқалады. Сондықтан плазмалар ыстық (жоғары температуралық) болып екіге бөлінеді.

Ыстық плазмадағы бөліктердің иондалу дәрежесі бірге жуық, олардың температурасы 10⁶ - 10⁸ К құрайды. Ыстық плазманың өткізгіштігі өте жоғары болады.

Суық плазма температурасы 10³ - 10⁵ К және ол жартылай иондалған газ түрінде болады. Суық плазманың электр өткізгіштігі ыстық плазмамен салыстырғанда едәуір аз болады.

Квазинейтралдық күй плазманың болуының қажетті шарты болып табылады. Яғни оның құрамындағы бір таңбалы зарядтар мөлшері екінші таңбалы ззарядтар мөлшерінен өте көп болмауы шарт. Олардың арасындағы айырмашылық өте аз болуы керек, олай болмаған жағдайда, өте қуатты электр өрісі пайда болады.

Плазмалық және электрондық қыздыру қондырғылары. Плазмалық электротермикалық қондырғылар (ПЭТҚ) – бұл өнеркәсіптік электрлік қыздыру қондырғылары. Олардағы негізгі актив компонент – төмен температуралы плазма болып табылады. Өнеркәсіптік ПЭТҚ-ларда ең сенімді, әрі қарапайым стационар плазма генераторы ретінде күшті тоқты электрлік разряд қолданылады. Атмосфералық қысым ПЭТҚ – ларда доғалық пішінді (электрлік доға) электрлік жеке разряд, ал вакуумдық ПЭТҚ – ларда жалпақ катодты күшті тоқты разряд қолданылады.

Атмосфералық ПЭТҚ-ларға мыналар жатады:

- металды керамикалық тигельдерде балқытуға арналған плазмалық доғалық пештер (ПДП);

- металды су салқындатқыш кристаллизатор (металдан жасалған) балқытуға арналған ПДП;

- шихталық түрдегі плазмалық кенді қалпына келтіргіш пештер (РВПП): олар қышқылдардан металды қалпына келтіруге арналған;

- өнеркәсіптік доғалық ақырын ағысты (струйный) плазматрондар; олар плазмалық технологиялық қондырғылардағы газдарды қыздыруға арналған.

Вакуумдық ПЭТҚ-лардың ішінде өнеркәсіпте ең көп тарағаны – электронды-плазмалы пештер. Оларда қыздыру көзі қызметін ыстық жалпақ плазмалық катоды бар жеке күшті тоқты вакуумдық разряд атқарады.

Плазмалық технологиялық жабдықтардың өнімділігі өте жоғары, көлемі кіші, металдарды өңдеу сапасы жоғары болады. Өйткені плазмалық қыздыру кезінде энергияның бағытталуы мен концентрациясы жоғары дәрежеде болады.

ПЭТҚ – ларда электрлік разрядтың плазмалық бағаны қыздырудың актив зонасы болып табылады. Плазмалық қыздыру қағидасы күшті токты разряд бағынының плазмасындағы энергияның тасымалдану процестерінің электронды-молекулярлық моделімен көрсетуге болады (3.9 сурет).

ПЭТҚ-ларда плазма генераторлары ретінде плазматрондардың екі түрі қолданылады: ақырын ағысты (струйный) және балқытатын. Ақырын ағысты плазматрондар – бұл ішкі доғалы плазматрондар. Олар ағымдағы газды қыздыруға арналған; бұл газ технологиялық көлемге қосылады. Ал балқытатын плазматрондарда доға технологиялық көлемде орнатылған, ал разряд аноды қыздыру объектісі болып табылады.