Плазменная техника

Еще совсем недавно энциклопедические и технические справочники не могли бы дать ответа на вопрос, что же такое плазмотрон, плазмрбур, плазмохимия и т. д. Все эти названия родились за последние 20-25 лет на основе научных открытий и изобретений в области физики плазмы.

Плазмотрон - это установка, превращающая воздух или газ в струю плазмы. Он может представлять собой, например, цилиндрическую разрядную камеру с двумя электродами, один из которых имеет вид кольца. Когда на электроды подается напряжение в несколько тысяч вольт, между ними вспыхивает мощный дуговой разряд: воздух становится плазмой, т. е. превращается в совокупность положительных и отрицательных частиц. Стенки плазмотрона непрерывно охлаждаются проточной водой, поступающей по шлангам. Это предохраняет установку от перегрева и, кроме того, заставляет плазму концентрироваться в осевой части прибора, приобретать вид тонкого жгута. Температура плазмы достигает нескольких тысяч градусов.

В промышленности используется несколько типов плазмотронов. У каждого из них свои достоинства и недостатки. Так, в описанном плазмотроне электрическая дуга образует плазму, загрязненную продуктами разрушения электродов. Другой тип плазмотрона - индукционный - лишен этого существенного недостатка, но зато требует сложного оборудования для подвода энергии, да и плазма может рождаться только внутри аппарата.

Принципиально новую установку, которая может генерировать плазму на расстоянии, создали московские ученые сотрудники Института проблем механики АН СССР лауреат Ленинской премии Ю. П. Райзер и физики-экспериментаторы Г. И. Козлов, Н. А. Генералов, В. П. Зимаков, В. А. Масюков и А. Э. Абалиев. Это оптический плазмотрон. Для непрерывного подвода энергии к плазме в нем используется световой луч квантового генератора. Зажечь и поддерживать такой оптический разряд можно в любом месте, скажем, в комнате или на улице. Плазму можно двигать, перемещая луч света, описывать ею узоры. Ее можно даже заставить^бежать по лучу навстречу световой волне. Непрерывный оптический разряд горит в любых газах, в том числе и в воздухе, во-многих даже при атмосферном давлении. Оптический плазмотрон может работать часами без перерыва при температуре 20 тыс. градусов. Плазма светится ослепительно белым светом.

Оптический плазмотрон найдет широкое применение в науке и технике. Уже сейчас он служит в качестве непрерывного источника света небывалой яркости. В адрес института поступают письма от предприятий страны, которые заинтересовались новым аппаратом и думают, как использовать его на производстве.

Специалисты придают большое значение созданию плазменных ускорителей. Они могут использоваться в качестве инжекторов для термоядерный устройств, аэродинамических труб сверхвысоких скоростей, генераторов плазменных потоков для легирования поверхностей, источников света, для получения сверхчистых материалов и т. д. Плазменные ускорители могут применяться в космосе в качестве электрореактивных двигателей, для изучения астрофизических явлений.

Инженеры японской фирмы "Мицубиси дэнки" сконструировали плазменный кинескоп для настенных телевизоров. Он собран из металлических ячеек, впрессованных в две стеклянные пластины. Пространство между пластинами заполнено неоном. Как только ячейки оказываются под напряжением, ионизованный газ начинает светиться. Яркость света регулируется величиной напряжения.

Интерес к плазменной технологии обусловлен, во-первых, тем, что при очень высоких температурах можно осуществлять процессы, не протекающие в обычных условиях. Это позволяет создавать материалы с принципиально новыми физическими и химическими свойствами. Во-вторых, в низкотемпературной плазме скорость химических реакций ускоряется в сотни и тысячи раз, что создает предпосылки замены громоздких металлургических и химических установок миниатюрными, с небывало высокой производительностью. В-третьих, становится реальным осуществление прямого восстановления металлов из руд, получение ультрадисперсных порошков чистых металлов, карбидов, нитридов, азотной кислоты из воздуха и т. д.

Плазменная технология перспективна для извлечения ценных продуктов из вторичного сырья - отходов современного производства.

"Плазмохимическая промышленность, - рассказывает член-корреспондент АН СССР М. Ф. Жуков, - дело недалекого будущего. Она рождается в наши дни и бурно развивается. При реальном освоении процессов и аппаратов плазменной технологии можно рассчитывать на коренное техническое перевооружение различных отраслей промышленности. В первую очередь это касается процессов получения этилена и водорода, производства тугоплавких металлов, таких, как вольфрам, молибден и другие, из их окислов и хлоридов и т. д.

Интерес к плазме обусловлен также возможностью создания одностадийных, как правило замкнутых, технологических циклов. Это открывает широкие перспективы для полной автоматизации производства и для решения глобальной проблемы - снижения загрязненности воздушной и водной среды.

Можно с уверенностью сказать, что в десятой пятилетке плазменная техника и технология будут способствовать быстрейшему выполнению плана в соответствующих отраслях народного хозяйства".

В павильоне "Атомная энергия" ВДНХ СССР на тематической выставке "Низкотемпературная плазма" отражены итоги развития научных поисков в этой области^ Здесь представлены плазменные аппараты для сварки и резки металлов, плазмобуровые горелки для проходки скважин, плазменная установка для выращивания монокристаллов вольфрама, молибдена и его сплавов и многое другое.

Плазмотроны в машиностроении и металлургии

Машиностроители уже пользуются станком, в котором вместо режущего инструмента применяется плазмотрон. Тонкая струя плазмы легко обрабатывает заготовки из крепчайших сталей, не поддающихся воздействию обычных резцов. Плазмотрон обрабатывает самые жаропрочные сплавы и изделия из них самых сложных конфигураций.

В плазменной струе расплавляются практически все металлы и неметаллические материалы. Умело пользуясь ею, можно изменять конструкцию и технологию изготовления деталей машин, оборудования, оснастки, получать материалы заданной характеристики и формы.

Как показала, например, практика Рижского опытного завода технологической оснастки, производительность труда при изготовлении сложных форм плазменным напылением повышается по сравнению со слесарно-механической обработкой в 10 и более раз, не говоря уже о том, что сами формы становятся износостойкими и жаропрочными. Многие производства пользуются услугами этого завода.

Ленинградскими инженерами сконструирован нож-плазмотрон. Он весит всего лишь 600 г. Из сопла прибора вырывается острый язычок плазмы, температура которой 10-15 тыс. градусов. Эффект сверхвысокой температуры получается, если смесь газов азота и аргона продуть сквозь вольтову дугу. Плазменная резка не нуждается в кислороде. Плазма режет металл, как нож масло. Уже действует аппарат, предназначенный для раскроя листов из цветных металлов и нержавелощих сталей толщиной от 2 до 60 мм.

Всесоюзный научно-исследовательский институт электросварочного оборудования в Ленинграде создал автомат плазменной резки металлов АПР-401, который режет любые металлы толщиной до 120 мм. Одна из модификаций этой установки предназначена для плазменной сварки меди и алюминия. Автомат получил золотую медаль Лейпцигской международной ярмарки 1971 г. В 1972 г. приступили к серийному производству плазменных автоматов АПР.

Легко раскраивает стальной лист толщиной до 160 мм установка для воздушно-плазменной резки черных, цветных металлов и их сплавов АПР-402, созданная во Всесоюзном научно-исследовательском институте электросварочного оборудования. Плазмотрон, которым оснащен агрегат, можно устанавливать на газорезательных машинах, трубообрезных станках или любом другом механизме, обеспечивающем равномерное перемещение рабочего органа с заданной скоростью. Специальные электроды позволяют использовать воздух в качестве плазмообразующего газа. Применение воздушно-плазменной резки вместо кислородной в судостроении, машиностроении, при производстве труб повышает производительность труда в 3-5 раз.

Оригинальный плазменный нож с температурой 20 тыс. градусов создан на кафедре технологии машиностроения Грузинского политехнического института. Установка предназначена для обработки сверхпрочных сталей, не поддающихся эффективной обработке механическими способами. Применение ее для зачистки слитков из сплавов позволило повысить производительность труда на операциях обработки металла почти в 20 раз.

Плазмотрон, зарекомендовавший себя на раскрое металлов, может выступать в роли струга. Ему под силу очистить стальную заготовку, устранить грат - наросты на крупных сваренных деталях. Технология, названная плазменной строжкой металлов, предложена в Институте, электросварки имени Е. О. Патона АН УССР. Выполнение операции стало возможным, когда были найдены методы управления плазменным факелом, который приобретает форму, удобную для ведения того или иного процесса. Плазма, имеющая форму стругового резца, образуется электромагнитной системой, созданной в институте. Система малогабаритна и легко ставится на плазмотрон. С ее помощью выбирается наивыгоднейший режим строжки.

Новая технология автоматической микроплазменной сварки тонкостенных труб из нержавеющей высоколегированной стали, химически активных и тугоплавких металлов разработана советскими учеными. Это совместный труд коллективов Института электросварки имени Е. О. Патона АН УССР, Уфимского авиационного института имени С. Орджоникидзе и ряда предприятий.

Микроплазменная сварка позволила решить очень важную народнохозяйственную проблему - заменить дорогостоящие бесшовные холоднокатаные трубы сварными, сделанными из ленты. Качество изделий, созданных с помощью высококонцентрированной дуги, значительно выше бесшовных, а стоимость в 10 раз меньше. Оборудование, созданное для микроплазменной сварки, и ее технология позволяют в промышленных условиях накладывать прочный шов со скоростью до 100 м/ч.

В Уфимском авиационном институте имени С. Орджоникидзе создана первая в, нашей стране лаборатория плазмотронов. На опытных установках удалось добиться, скорости сварки до 250 м/ч. Разработана система автоматического слежения за направлением движения дуги по стыку свариваемых кромок. Она создает стабильность процесса формирования шва, обеспечивает его почти идеальную геометрию и высокую герметичность изделий.

На XXIV съезде КПСС шла речь о плазменном и электронно-лучевом методах переплава стали. Эти методы успешно применяются, например, в цехах завода "Электросталь" имени И. Ф. Тевосяна. Здесь в плазменных печах работают плазмотроны. Печи создавались в творческом содружестве Института электросварки имени Е. О. Патона и металлургов "Электростали". Панель управления плазмотронами позволяет сталевару воздействовать на газ до тех пор, пока не образуется ярко светящийся шнур - плазма. Специальными магнитными линзами сталевар направляет огненную струю к концам расплавляемой заготовки. Температура в плазмотроне превышает 12 тыс. градусов. Такая температура способствует испарению вредных примесей в стальной заготовке. Металл получается чистым, прочным и вместе с тем пластичным.

Для образования плазмы используются такие газы, как гелий, аргон, азот. Если, например, в плазмотрон подавать азот, сталь приобретает ценные свойства, такие, как жаропрочность, кислотоупорность, и др. Каким-либо иным способом, в том числе с помощью дорогоетоящих ферросплавов, такой концентрации азота в стали не получить без ущерба для качества металла.

Плазма позволила создать уже более 40 марок стали. Получен ультрачистый металл большой плотности, из которого изготовляются шарикоподшипники. Специалисты утверждают, что контактная устойчивость такой стали почти втрое выше, чем у выплавленной в обычных электропечах. В раскаленных струях ионизированного газа приготовлен металл особой композиции, идущий на детали для звуковых каналов приемников цветного телевидения и т. п.

Плазменную установку для выплавки высоколегированных сталей и сплавов создали ленинградские специалисты. Она позволяет получать металл, химические свойства которого соответствуют требованиям технических условий. При плазменном переплаве практически отсутствует угар. Оказалось, что в таких "микромартенах" можно производить и металл, свойства которого в некоторых случаях даже превышают свойства сплавов, полученных вакуумной выплавкой.

Невысокая стоимость оборудования плазменной печи, простота технологии и обслуживания открывают перспективы для ее эффективного использования в цехах точного литья.

В СССР будет построена полупромышленная установка для выплавки чугуна с применением плазмотронов. В этой необычной домне мощные плазмотроны будут нагревать природный газ и направлять его в печь. Расчеты показывают, что производительность домны увеличится на 20-30%. Но самое главное в том, что применение плазмотрона позволит управлять процессом выплавки металла. Изменяя подачу газа из того или иного плазмотрона, можно будет добиться равномерного прогрева печи по объему, не допустить сжигания металла и избежать других неприятностей.

Почти 20 лет назад московские исследователи Н. Н. Долгополов, Г. И. Бабат и Н. А. Ергин получили авторское свидетельство на изобретение прямого восстановления редких металлов из их руд с помощью плазмы. Они оказались пионерами нового направления в науке и технике - плазмотроники.

В цветной металлургии с помощью струи плазмы получают тончайшие металлические порошки, наплавляют на стальные изделия твердые сплавы.

Член-корреспондент АН СССР, директор Института металлургии имени А. А. Байкова АН СССР Е. М. Савицкий рассказывает:

"Большой вклад в развитие плазменной металлургии внесли коллективы лабораторий института под руководством академика Н. Н. Рыкалина и члена-корреспондента АН СССР Д. М. Чижикова. Плазменно-дуговой нагрев использован в промышленной установке для получения крупных монокристаллов вольфрама и молибдена, разработанной лабораторией тугоплавких и редких металлов совместно с СКВ института. Эта установка уже работает на производстве".

На установках Института металлургии имени А. А. Байкова можно получить кристаллы тугоплавких металлов весом до 10 кг (при электронно-лучевой зонной плавке в вакуумных аппаратах максимальный вес кристаллов не превышает 800 г). Металлы на этих установках получают сверхчистыми.

Струя плазмы позволяет легко и быстро наваривать на обычную поделочную сталь твердосплавные пластины. Этот процесс используют для производства дешевых молотков в механических дробилках гранитного щебня. До последнего времени такие молотки изготовлялись из дорогих легированных марок стали, причем изнашивались они буквально за две-три смены. Наплавки из твердого сплава позволят в несколько раз удлинить срок службы инструмента и отказаться от применения дорогих сталей.

Плазмотроны в химии

Струя плазмы - весьма благоприятная среда для химической реакции. Нагретые до высокой температуры частицы газа активно взаимодействуют между собой, в результате чего могут рождаться новые вещества. Если в струю плазмы, к примеру, впустить природный газ метан, то он превратится в ацетилен - ценное сырье для химической промышленности.

Используя свойства плазмы, новаторы науки и производства изобрели принципиально новые установки и технологические процессы, которые послужили основой особой отрасли химической промышленности - плазмохимии. Она родилась на стыке двух наук - физики и химии. Сегодня плазмохимия решает две задачи - плазмохимического синтеза и создания материалов с заданными свойствами.

Существующие способы производства, например, тугоплавких материалов отличаются небольшой производительностью, высокой себестоимостью. Особенно нуждаются в тугоплавких материалах космическая и плазменная техника и электроника. Промышленности нужны огнеупоры, абразивы. Недавно латвийские плазмохимики разработали технологию получения нитридов титана, циркония и др. с помощью дуговой плазмы. Придет время, и эта технология заменит собой традиционные способы их синтеза. Сейчас Институт неорганической химии АН Латвийской ССР работает над проблемами синтеза карбидов в плазме. Материалы, полученные плазменным синтезом, обладают повышенной химической-активностью. Так, в институте получен абразив, который вполне можно использовать как катализатор.

Подчеркивая значение науки и техники для ускорения научно-технического прогресса, председатель Государственного комитета СССР по науке и технике, академик А. В. Кириллин отмечает: "Ученые активно готовятся пополнить арсенал химической промышленности еще одним мощным методом преобразования веществ. Речь идет о плазмохимии, новом направлении химической технологии, использующем низкотемпературную плазму. Впрочем, температура этой плазмы не так уж низка - тысячи градусов. При таком нагреве удается проводить реакции, которые неосуществимы методами классической химической технологии. И дело не только в. этом. Плазменная химия несет промышленности рост производительности агрегатов, повышение качества выпускаемой продукции".

Плазмотроны в горнорудной и строительной промышленности

Особенно широкое распространение плазмотроны получат в горнорудной промышленности. Для добычи железной руды и строительного камня ежегодно бурят взрывные скважины общей протяженностью несколько тысяч километров. Нередко приходится бурить самые крепкие горные породы. Это требует создания новых высокопроизводительных породоразрушающих инструментов. Одним из них стал плазмобур, сконструированный учеными Сибирского отделения АН СССР. В отличие от термобура, в котором используется химическое топливо, сжигаемое в кислороде или азотной кислоте, плазмобуру нужны лишь электроэнергия, воздух и вода. Весь плазмобур помещается в трубе диаметром менее 10 см и длиной 80 см. Испытания показали, что новый способ бурения значительно экономичнее и удобнее применяемых ранее.

Чем крепче порода, тем быстрее бурит плазмобур, так как твердые породы, например гранит, обладают плохой теплопроводностью и при резком нагреве струей плазмы растрескиваются. Это облегчает проход скважины, Плазмобуры найдут применение при проходке железно-дорожных и автомобильных тоннеЛей, при фасонной обработке камня и для других целей. Их использование позволит осуществить комплексную автоматизацию процесса разрушения пород.

Еще в 1965 г. был проведен успешный эксперимент по получению цемента в струе плазмы. Вместо огромных вращающихся печей было построено компактное сооружение, где в струях плазмотронов исходное сырье для цемента плавилось, стекало по стенкам, а затем разбрызгивалось. Образовывалась масса маленьких шариков - клинкер. Если его перемолоть, получается высококачественный цемент.

В лаборатории электрофизики ВНИИ железобетона под руководством Н. Н. Долгополова в настоящее время ведутся исследования по важнейшим направлениям строительной техники с целью получения сверхпрочных материалов. Недавно здесь был закончен цикл исследований по декоративной плазменной обработке гранита, в которых использовали горелку, питающуюся постоянным током. Плазмообразующим газом в ней служит аргон. Производительность установки высока. В течение часа с гранитного монолита можно снять 1200 см³ крепчайшего материала. Экспериментальные исследования.показали большую эффективность обработки природного камня с помощью плазмы.

Председатель научного совета по физике и технике плазмы, член-корреспондент АН БССР Л. И. Киселевский рассказывает о широте диапазона практического применения плазмы:

"Сотрудники лаборатории спектроскопии плазмы Института физики АН БССР создали оригинальную установку, в которой луч лазера генерируется плазменной струей. Здесь плазма выступает в качестве рабочей среды квантового генератора. Плазменная струя с близкими свойствами может с успехом применяться для обработки лицевой поверхности строительных материалов. При воздействии плазменной струи на поверхность керамических, селикатных и бетонных материалов можно получить оплавленный слой в виде глазури, обладающий защитными и декоративными свойствами. Всю гамму цветов радуги может оставить плазма на лицевой поверхности этих материалов. В Минском научно-исследовательском институте строительных материалов создана и испытывается экспериментальная поточная линия по обработке плазменной струей поверхностей строительных материалов для будущих зданий".

Анализ эффективности плазменного метода создания лицевых строительных материалов показал, что он более экономичен по сравнению с методом облицовки зданий фасадной плиткой, а скорость его выше почти в 10 раз.

Вот так, на первый взгляд незаметно, от открытии в области, казалось бы, весьма отдаленной от практической жизни, - плазмы космоса - мы спускаемся к нашим земным делам. "Революция на небе" органически связана с происходящей ныне научно-технической революцией, одним из главных направлений которой является плазменная энергетика и плазменная техника.