Применение низкотемпературной плазмы в технологии строительных материалов

Советскими учеными в течение последних 10 лет выдвинут ряд принципиально новых предложении по использованию низкотемпературной плазмы в технологических процессах. Плазма используется в цветной металлургии для получения высокодисперсных металлических порошков, напыления и наплавки твердых сплавов, в металлообработке (сварка, резка тугоплавких металлов и др.), в химической промышленности (процессы органического синтеза, выращивание кристаллов, получите пигментов, наполнителей и т. д.).

Директивы XXIV съезда КПСС на девятую пятилетку предусматривают более широкое внедрение электро-технологических и плазменных процессов. Поэтому следует рассмотреть возможности применения плазмы в технологии строительных материалов и строительстве.

Для низкотемпературной плазмы характерен широкий интервал температур от 1-103 до 5- 104К, определяющий высокую степень ионизации газов и, следовательно, наличие свободных электронов, высокоактивных атомов, радикалов и молекул в различных колебательных состояниях. Как источник высоких температур плазма характеризуется очень большой концентрацией подаваемой мощности — до 100 квт/см3, при нормальных коэффициентах использования энергии — более 60%- Нагрев и охлаждение реагентов в плазменных установках возможны со скоростями порядка 1-10°—1-108 град/сск в любых средах — нейтральных, окислительных восстановительных. Химические реакции и процессы при воздействии низкотемпературной плазмы протекают необычайно быстро, обычно в пределах 10-3— 10_в сек, однако в связи с высоким уровнем энтальпии плазменных источников коэффициенты выхода конечных продуктов пли конечный эффект процессов оказываются достаточно большими. Поэтому использование низкотемпературной плазмы экономически эффективно.

Основа плазмохимичеоких установок — плазменный генератор (плазмотрон). Наибольшее распространение получили три типа генераторов: струйнодуговые, высокочастотные и сверхвысокочастотные, или микроволновые. Струйно-дуговые генераторы плазмы, иногда называемые струйно-дуговыми горелками или головками, отличаются разнообразием конструкций. Маломощные струйно-дуговые плазменные горелки, потребляющие от 1 до 20 кет, иногда как ручные и обладают внешним сходством с газосварочными горелками. Дуговые плазмотроны стационарного типа требуют специальных источников питания и в некоторых установках достигают мощности десятков Мгвт. Температура плазменной струи дуговых горелок при использовании аргона в качестве плазмообразующего газа достигает 15 000°К, скорость струи может превышать скорость звука. Применяют также другие стабилизирующие и плазмообразующие газы — азот, гелий, водород, воздух или смеси этих газов, иногда — метан и газы, используемые дли данной химической реакции Струйно-дуговые плазмотроны работают с «,П.д. 0,65—0,85, причем эта величина возрастает с увеличением мощности установок и снижением энтальпии газа на выходе из горелки. Дуговые плазмотроны имеют, как правило, тугоплавкий катод из вольфрама или молибдена и кольцевой медный анод, охлаждаемый водой. Износ электродов зависит от режима работы, типа рабочего газа и вызывает загрязнение потока плазмы, что в некоторых случаях по условиям технологии недопустимо. В связи с износом электродов струйно-дуговые плазмотроны имеют наибольший ресурс работы, до замены катода обычно несколько десятков часов.

Высокочастотные плазмотроны — безэлектродные, имеют разрядную камеру в виде кварцевой или керамической трубы, которая окружена индуктором, питаемым промышленным высокочастотным генератором с диапазоном рабочих частот 0,4—30 Мгц. Плазмообразующий газ подается тангенциально к внутренней поверхности трубы ( разрядной камеры), возбуждение светящегося плазменного разряда при атмосферном или повышенном давлении производится системой «поджига». Высокочастотные плазмотроны обладают неограниченным ресурсом рабочего времени, а плазмообразующий газ в них не засоряется продуктами эрозии электродов. Струя плазмы в них обладает меньшей скоростью истечения, чем в струйно-дуговых горелках. Это позволяет увеличить время плазмохимических реакций, что в некоторых случаях необходимо. Однако к.п.д. превращения энергии электромагнитного поля в тепловую и кинетическую энергию плазменной струи для высокочастотных плазмотронов составляет не более 0,6.

Уж созданы и эксплуатируются в промышленных условиях высокочастотные плазмотроны мощностью 1 МГВТ и выше. Сверхвысокочастотные плазмотроны обладают всеми преимуществами высокочастотных, но выгодно отличаются коэффициентом передачи энергии в разряд—более 0,8. Сверхвысокочастот- иый разряд при атмосферном давлении характерен тем, что электронная температура превосходит среднемассовую температуру газа, причем концентрация заряженных частиц превышает 1515 см. Источником энергии в сверхвысокочастотных плазмотронах являются магнетроны, амплитроны и другие СВЧ — генераторы электромагнитного поля, которые в режиме непрерывного генерирования обеспечивают мощность питания от единиц до 1000 кет и более.

В любых плазмо-технологических процессах можно выделить три неразрывных. этапа: введение реагирующих компонентов в зону действия плазменного разряда, собственно плазменное воздействие (реакция, процесс) и охлаждение — «закалка» продуктов реакции Как правило, после закалки получают конечные продукты, т. е. плазменные процессы одностадийные и отличаются непрерывностью.

Исследованиями, выполненными во многих отечественных институтах, установлены основные термодинамические и кинематические закономерности проведения плазменных процессов. Получены и проверены исходные данные для проектирования мощных технологических установок.

Состояние плазменной техники к настоящему времени достигло такого уровня, когда необходима подготовка , широкому внедрению ее в промышленности, в той технологию строительных материалов и строительство. Плазменное напыление позволяет создать прочные и долговечные, защитные и декоративные, покрытия на бетоне, железобетоне, асбестоцементе, керамических и других при индустриальной отделке зданий. Покрытия могут быть из металлов, эмалей или образовываться при оплавлении поверхностей изделий.

Экспериментально установлена целесообразность плазменной металлизации железобетона, асбестоцемента, керамики с использованием алюминия, меди и особенно тугоплавких и коррозионностойких металлов, например титана, нержавеющей стали. При толщине покрытия в 20—40 мк расход металлов невелик и стоимость плазменной отделю оказывается существенно ниже стоимости традиционной окраски. При нанесении титана в струе плазмы, стабилизированной азотом, образуются нитриды титана, обладающие ЗОЛОТИСТОЙ окраской. Титан в пашен стране не является дефицитным металлом. Поэтому целесообразно создание автоматизированной опытно-промышленной линии по плазменной отделке железобетонных и асбестоцементных изделии с последующей передачей се в промышленную эксплуатацию. Большие возможности плазменная техника открывает при эмалировании поверхностен и их оплавлении.

Плазменные горелки эффективно используются в промышленности при резке и сварке тугоплавких металлов. Высокие теплосодержание и уровень температуры плазменных струй определяют возможность интенсивного разрушения гранитов и кварцитов. Опытами установлено, что при помощи маломощных ручных плазменных горелок, например конструкции (Института металлургии АН СССР), удается чрезвычаймо быстро обрабатывать граниты, содержащие в большом количестве кремнезем, которые трудно обрабатывать механическими методами. Некоторые природные камни, например габбро, и образуют своеобразную фактуру. Выравнивание поверхностей блоков или плит, нанесение барельефов и рисунков на гранитах и кварцитах происходит при использовании плазменных горелок эффективнее, чем механическими методами или газопламенными бензино-воздушными керосино-кислороднымн горелками. Целесообразно создание опытно-промышленных плазменных установок с последующим их внедрением на кам- псобрабатывающнх предприятиях страны.

Сложной, но чрезвычайно важной задачей является направленная плазменная резка блоков гранитов и других природных камней из массива, т. е. разработка новых методов добычи природного камня. Первые опыты и этом направлении дали обнадеживающие результаты. Поэтому необходимо развивать исследования, опираясь на достижения физико-химической механики.

Плазменная техника позволяет напылять различные металлы на металлоконструкции, и при введении необходимых химических реагентов образовывать на их поверхности тонкую защитную антикоррозионную пленку. Большие возможности открывает н плазменное эмалирование металлов. Создание аппаратуры стационарного и переносного типа для плазменной антикоррозионной защиты металлоконструкций потребует усилий ряда лабораторий, но имеются все предпосылки для разработки и промышленного освоения этого метода.

Плазменная техника позволила создать новый метод получения высокодисперсных металлических и минеральных порошков, который нашел применение в промышленности. Так, получают порошки железа, алюминия и других металлов с миллимикронными размерами частиц сферического строения. «Сфероидизиция» высокодисперсных частиц, изученная в Институте металлургии АН СССР, открыла новые пути использования металлов. Не менее интересны возможности плазмотехнологических методов при получении высокодисперсных минеральных порошков, например двуокиси титана или двуокиси кремния. Пигментная двуокись титана получается при «сжигании» четыреххлористого титана в плазменной кислородной струе. Этот процесс освоен промышленностью и успешно развивается.

Высокодисперсная двуокись кремния, отличающаяся большой активностью периферийных атомов, получается плазменными методами, по двум путям: гидролизом четыреххлористого кремния и возгонкой кремнезема. Последний путь, изученный лабораторно, дает продукт подобный «аэроенлу», тонкодиперсному кремнезему, полученному традиционными химическими методами, но значительно ниже по стоимости.

Промышленное освоение плазменных методой получения активных наполнителей и пигментов на основе кремнезема и двуокиси титана позволит расширить области их применения, например, в промышленности полимерных строительных материалов, при производстве лаков, красок и т. д.

Плазменная техника позволяет создать принципиально новые виды изделий, например при использовании металлизации и полимерных композиций возможно создание астатических (неэлектрнзующихся) отделочных материалов.

Из приведенных примеров видно, что диапазон использования плазмы в технологии строительных материалов весьма широк. При этом указаны только та Kite области, для которых требуется создать опытные и опытно-промышленные технологические линии и апробировать их.

Наиболее важными задачами при освоении известных и прогнозируемых на ближайшие годы плазменных процессов в технологии строительных материалов и других отраслях народного хозяйства надо считать дальнейшее совершенствование и разработку генераторов плазмы, в том числе Мощных, вплоть до десятков и сотен Мгц, использование достижений физико-химической механики в плазменных процессах, изучение кинетики и термодинамики процессов, разработку автоматических систем управления и оптимизации для технологических линий или отдельных установок, разработку перспективных проектов плазмотехнологнческих предприятии.