Особенности плазменного нагрева и напыления металлов при газоплазменной металлизации бетона. Часть 1

Федосов С. Акулова М. Особенности плазменного нагрева и напыления металлов при газоплазменной металлизации бетона. Часть 1 // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2002. №4. C.40-41

Использование способа плазменного напыления для металлизации бетона является одним из наиболее новых видов применения плазмы [1]. Известно, что бетонные и железобетонные конструкции часто находятся в окружении жидких и агрессивных газообразных сред. Внешний вид обычного бетона далек от требований декоративности зданий и сооружений. Плазменная металлизация бетона может решить многие проблемы эксплуатации и декоративной отделки зданий и сооружений.

Различные виды плазменной обработки с успехом применяются за рубежом для отделки строительных материалов и конструкций, а также в областях, смежных со строительством. Фирмы, занимающиеся плазменной обработкой, широкоизвестны, например: концерн SAAB (Швеция), фирма NUB (Германия), фирма PHILIPS (Голландия) и др.

При плазменной металлизации бетона перед технологами встает ряд вопросов, обусловленных особенностями строения и состава бетонного камня и железобетонной конструкции в целом. Их можно разделить на три основные группы:

1 - обоснование выбора оборудования для осуществления качественного напыления на бетон с учетом конструктивных особенностей обрабатываемого изделия и вида плазменного воздействия.

2 - физико-химические и тепловые процессы, происходящие на поверхности бетона и в самом материале, при его плазменной металлизации.

3 - рекомендации по обработке материалов и изделий на основе бетона газо-плазменными металлизаторами.

Каждая группа вопросов по технологии металлизации бетона будет рассмотрена в отдельной статье.

В первой статье данной работы нами рассмотрены особенности применения газо-плазменного оборудования при металлизации бетона.

Особенностью плазменного нагрева и напыления является то, что для металлизации бетона в основном используются плазмотроны с дуговым разрядом. Использование дугового разряда для создания источников нагретого газа - плазмотронов - связано с решением таких задач, как охлаждение электродов, профилактика разрядных камер и устройств для проведения газов через разряд, создание магнитных систем, позволяющих перемещать разряд или его приэлектродные области и т. д. [1].

К настоящему времени разработано достаточно большое количество конструкций плазмотронов, однако в основе их создания лежит ограниченное количество принципиальных схем, отличающихся друг от друга пространственной стабилизацией разряда и мерами по снижению эрозии электродов в зоне действия опорных пятен дуги [1,5].

По способу стабилизации разряда электродуговые плазмотроны можно разделить на четыре группы [1]: плазмотроны со стабилизацией дуги стенкой, газовым потоком, магнитным полем и электродами. Общие технические требования к плазмотронам: стабильность и надежность в работе; высокая энергетическая эффективность; большая длительность непрерывной работы; простота регулирования параметров дуги и плазменного потока; возможность использования любых плазмообразующих газов; простота монтажа оборудования; легкость ввода исходных материалов в плазменную струю и вывода конечных продуктов из зоны реакции; простота эксплуатации.

Дуговые плазмотроны можно разделить [5] на плазмотроны прямого и косвенного действия, а по составу плазмообразующего газа - на плазмотроны, работающие в инертных, нейтральных и кислородосодержащих газах. По способу подачи плазмообразующего газа различают плазмотроны с тангенциальной и октальной подачей. В зависимости от условий эксплуатации дуговые плазмотроны могут работать на переменном и постоянном токе, причем в последнем случае применяются режимы прямой (минус источника питания на электроде плазмотрона) и обратной (плюс источника на электроде плазмотрона) полярности. В плазмотроне прямого действия электрическая дуга горит между электродом и обрабатываемым изделием, а в плазмотроне косвенного действия - между электродом и соплом.

Дуговые плазмотроны косвенного действия и нашли свое применение при обработке неэлектропроводных материалов (напыления, сфероидизация и др.) в том числе и бетона.

Плазмотроны различных конструкций имеют три основных элемента: электрод, сопло и изолятор, который разделяет находящиеся под разными электрическими потенциалами электрод и сопло. Тип и конструкция катода плазмотрона определяются составом плазмообразующей среды. В плазмотронах, работающих в среде инертных и нейтральных газов (таких как аргон, азот и их смеси: аргон - азот, аргон - водород, азот - водород), применяются катоды из вольфрама




В отделке бетона используется низкотемпературная плазма (до 40000 К), к которой предъявляются следующие требования:

- температура плазмы на выходе из источника должна быть порядка тысяч градусов (от 25000 К);

- параметры низкотемпературной плазмы должны обеспечивать оптимальные условия протекания процесса и быть управляемыми;

- плазма должна быть достаточно чистой, то есть свободной от загрязнений такими частицами, которые не входят в состав рабочего тела;

- источник должен обеспечивать генерацию плазмы в течение длительного времени (от нескольких минут до сотен часов);

- достаточно высокий коэффициент полезного действия процесса преобразования первичной энергии в энергию плазмы.

В зависимости от физико-химических свойств обрабатываемого материала, к плазмотронам могут предъявляться требования по поддержанию среды (окислительной, восстановительной, нейтральной) в области плазменной струи.

При нагревании газа, молекулы которого состоят из нескольких атомов, до температуры, превышающей 10000 К, происходит процесс разрушения молекулярных связей и газ переходит в атомарное состояние [2]. Температура этого процесса, называемого диссоциацией, определяется в основном родом газа и давлением. Происходящие при этом изменения можно записать, например, для азота в виде следующей реакции:

N2 +U0 = 2N,

где U0 - энергия диссоциации, которая обычно выражается в электровольтах (эВ).

При распылении плазменной струей нейтральной проволоки металла (алюминия, цинка), ее нагрев и плавление происходят под действием теплоты, передаваемой конвекцией, теплопроводностью и излучением плазмы. Эффективный КПД нагрева проволоки в этом случае мал и составляет всего несколько процентов [3]. Основным источником нагрева проволоки - анода плазменной дугой являются электроны тока, вносящие 80-90 % всей мощности, получаемой проволокой. Около 90 % этого тепла расходуется на плавление проволоки и приблизительно 10% идет на ее испарение.

Плазма служит источником энергии не только для нагрева, плавления и распыления наносимого материала - она сообщает ему еще и определенный запас кинетической энергии. Частицы напыляемого материала ускоряются плазменным потоком за счет сил вязкости и динамического напора [3]. Распределение скорости частиц по пятну напыления радиусом R очень равномерно (рис.2).




Особенно сильно изменяется скорость более мелких частиц, у которых скорость на периферии пятна может быть в 3-5 раз ниже, чем на оси струи. У более крупных частиц перепад скорости меньше [4].

При попадании частиц металла на бетонную подложку происходят в основном те же процессы образования покрытия, какие происходят при металлизации металла, графита и т.п. [5]. Каждая напыляемая частица на поверхности подложки деформируется и застывает. На поверхности подложки создается покрытие, прочность и однородность которого зависит от многих факторов: температуры расплава и подложки, скорости и времени напыления, вида напыляемого материала и т.п. [6].

К особенностям металлизации бетонных и железобетонных конструкций относится взаимодействие покрытия и плазмы с поверхностью бетона, а так же влияние данной отделки на его физико-механические и химические свойства. Бетон представляет собой гетерогенную трехфазную систему. Кроме этого, состав твердой фазы бетонного камня также сложен: песок, щебень, затвердевший цементный камень сложной кристаллической структуры, содержащей в кристаллах связанную воду. Сложен и элементарный химический состав бетона - кремний, железо, алюминий, кальций, магний, кислород и т. д. Кроме этого, поверхность бетонного камня пористая, шероховатая, зачастую покрытая смазочными материалами формы. Такой комплекс особенностей бетона предполагает глубокое всестороннее исследование поведения бетона при газоплазменной металлизации для выработки оптимальных технологий отделки.

Исследования показывают [7], что покрытия из коррозионностойких металлов хорошо ложатся на бетон, обладают достаточной адгезией и не вызывают больших изменений структуры и свойств бетона. Более подробно данные вопросы рассмотрены в следующих частях.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования РФ (Грант ТОО- 12.2-1604).

Библиографический список:

1. Домополов Н.Н., Фридман В. И. Перспективы использования плазменной техники в промышленности строительных материалов // Строительные материны. №11. 1975, с. 36?37.

2. Зайцева Г.М. Плазменная отделка элементов фасадов зданий и малых форм архитектуры // Сб. научных трудов: Технология плоскосборного домостроения на Севере. ? ЛЕНЗНИИЭП, 1983, с. 25.

3. Получение покрытий высокотемпературным распадением./Под ред. Л. К. Дружинина, В. В. Кудинова ? М.: Атомиздат, 1973.

4. Полак Л. С., Суров Н. С. Исследование взаимодействия частиц порошка с потоком плазмы в сопле // Физика и химия обработки материалов. № 2. 1969.

5. Николаев А.В. Плазменно-дуговой нагрев вещества // Сб.: Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов ? М.: Наука, 1972.

6. Харламов Ю.А., Шоршов М.Х. Условия взаимного влияния напыляемых частиц на формирование покрытий // Физика и химия обработки материалов. № 3. 1977, с.68?73.

7. Акулова М.В., Федосов С.В., Щепочкина Ю.А., Анисимова Н.К. Влияние температуры и времени обработки на прогрев бетона. // В кн.: Ученые записки ИТФ ИГАС А. ? Иваново. Вып. 3. 2000, с. 104.