Верещагин - Высоковольтные Электротехнологии. Учебное пособие по курсу Основы электротехнологии Под редакцией
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
Рис. 12.13. Схема стадий очистки топочных газов Сам технологический цикл очистки топочных газов от окислов азота и серы, например, на тепловой электростанции, выглядит следующим образом (рис. 12.14). ЭЛЕКТРОФИЛЬТР РЕАКТОР ВН = питание система охлаждения дымовая труба насос импульсный генератор H 2 O NH 3 SO 2 рукавный фильтр топочный газ Рис. 12.14. Технологическая схема очистки топочных газов Газ, при температуре 150 °С, проходит через электрофильтр, где извлекаются твердые примеси, а затем охлаждается до 65 °С в градирне. Испаряющаяся вода не только отбирает тепло от топочного газа, но и увеличивает его влажность, которая необходима для процессов удаления оксидов серы и азота в плазменном реакторе. В реакторе охлажденный топочный газ подвергается воздействию импульсного коронного разряда. Системы электродов, используемые для получения плазмы, представлены на рис. 12.15.: ВН r вн = 1 мм R внеш = 200 мм а) ВН б) Рис. 12.15. Системы электродов устройств для создания плазмы импульсного газового разряда а ) коаксиальные цилиндры; б) ряд проводов между плоскостями Форма импульса питающего напряжения представлена на рис. 12.16.: Питающее напряжение имеет такую форму, чтобы разряд не переходил в свою завершающую стадию. Поэтому разряд носит форму стримеров, которые пересекают весь газовый промежуток, а перерастание их в лидерную стадию не происходит, так как питающее напряжение резко обрезают. Импульсные источники питания =U пит R з R з 50 50 нс t U U пит а) t nU пит U U пит б) =U пит R з t U 2U пит в) Рис. 12.17. а ) Схема Фитча; б ) кабельный трансформатор; в ) схема Блюмляйна Перед реактором к газу добавляется аммиак, чтобы нейтрализовать кислоты, получающиеся при реакциях оксидов с радикалами, образованными в разряде. Затем поток газа проходит через коллектор продукта, где соли аммония (порошок) собираются как удобрение. 12.4. Модификация поверхности материалов в плазме газового разряда В широком смысле под модификацией поверхности материалов в плазме газового разряда понимается изменение свойств поверхности при участии низкотемпературной газоразрядной плазмы. Свойства поверхности обрабатываемого материала изменяются в результате физико-химических процессов, происходящих на границе раздела газ (газовая среда) −твердое тело: U t 100 кВ τ имп =100 нс Рис.12.16. Форма импульса напряжения − за счет разрыва старых и образования новых связей исходного материала, − за счет нанесения и привития к поверхности материалов других веществ. При модификации поверхности материала протекают две конкурирующие реакции (процесса): − образование пленки вещества путем осаждения из газовой фазы, − травление, которое приводит к удалению веществ с поверхности материала. На рис. 12.18 приведена схема модификации поверхности твердого тела в плазме газового разряда. При наличии процессов модификации можно выделить три случая: а) плазма является одновременно средой проведения, источником участвующих в процессе частиц и стимулятором (активатором) процесса; б) плазма служит только для активации участвующих в процессе частиц; в) плазма используется только для активации участвующих в процессе частиц поверхностей или для стимуляции самого процесса. Исходное вещество Промежуточные соединения, образующиеся в плазме Газ, не образующий новое вещество Выходящий из реактора газ Новое вещество Твердая фаза Процесс образования вещества в плазме Индуцирова нный плазмой процесс образова-ния нового вещества Травление Граница плазмы Рис.12.18. Схема модификации поверхности в плазме газового разряда В первом случае обрабатываемая поверхность твердого тела находится в контакте с плазмой, во втором − вне плазмы, в третьем − возможны оба варианта. Различные процессы обработки можно объединить в три большие группы: 1. Собственно сама модификация поверхностных слоев материалов (окисление, нитридизация, анодизация и др.). 2. Удаление материала с поверхности твердого тела (все виды распыления, травления и очистки). 3. Нанесение пленки материала на поверхность твердого тела. Как пример, рассмотрим модификацию поверхности полимерных материалов, в которых она имеет наиболее широкую гамму технологических приложений. Все изменения физических и химических свойств тонкого поверхностного слоя полимера начинаются с изменения его химического состава и структуры. Причем, любые химические превращения в этом слое под действием неравномерной плазмы могут инициироваться только генерируемыми ею активными частицами, к которым относятся кванты УФ-излучения, электронно- и колебательно-возбужденные молекулы, свободные атомы и радикалы, а также заряженные частицы, бомбардирующие поверхность обрабатываемого материала. При всем многообразии генерируемых в плазме активных частиц их действие на материалы ограничивается очень небольшим поверхностным слоем. В случае полимерных материалов его толщина, как правило, меньше 1 мкм. Таким образом, все технологические эффекты плазменной обработки полимерных материалов определяются набором физико-химических процессов, инициируемых активными частицами плазмы в тонком поверхностном слое. Физико-химические и технологические эффекты плазменной обработки полимеров могут быть представлены в виде таблицы 12.2. Таблица 12.2 Химические и физические изменения Технологические эффекты 1. Химические изменения поверхностного слоя. 1А. Образование двойных связей и новых функциональных групп, например −OH; −CN; =NH; −C=O; −NH 2 ; −COOH; сшивка полимерных цепей. 1В. Процессы деструкции: • разрывы цепей макромолекул; • разрушение функциональных групп; • образование газообразных продуктов травления. 1С. Другие изменения: • изменение эффективной степени полимеризации и средней молекулярной массы; • изменение степени окисления отдельных атомов в макромолекулах, например, атомов кислорода, изменение окислительно-восстановительных свойств поверхности. Изменение смачиваемости, капиллярности, общего влагопоглощения. Возрастание насыщенности окраски, уменьшение времени окраски, улучшение печатных свойств. Модификация антиресорбционных свойств, уменьшение загрязняемости. Улучшение адгезионных свойств для нанесения покрытий и изготовления композитных материалов. Изменение растворимости поверхностного слоя в органических и неорганических растворителях. 2. Изменение структуры поверхностного слоя. Улучшение погодостойкости • Изменение степени кристалличности. • Изменение температуры фазовых переходов. • Фазовые переходы, инициируемые плазмой. • Образование микродоменных структур. • Увеличение эффективной площади поверхности. • Изменение поверхностной пористости и проницаемости. • Изменение коэффициентов диффузии газов и жидкостей в полимерах. полимеров. Замедление миграции пластификатора к поверхности материала. Модифицирование свойств ион- обменных смол и ион-селективных мембран. Дезинфекция поверхности полимера. Придание полимерам биосовместимости. 3. Изменение физических свойств поверхностного слоя. • Изменение поверхностной энергии. • Изменение коэффициента поверхностного трения. • Изменение механических свойств. • Изменение спектров поглощения в ИК-, УФ- и видимой областях. • Изменение поверхностной проводимости, диэлектрической постоянной и тангенса угла диэлектрических потерь. • Накопление поверхностного заряда. Возрастание прочности, эластичности и сопротивления трению. Уменьшение усадки и свойлачиваемости шерсти. Придание несминаемости тканям. Изменение окраски и блеска поверхности полимера. Сглаживание поверхности и уменьшение поверхностного трения. Придание требуемых электрических свойств, включая антистатические. Травление − это операция повсеместного или локального удаления поверхностных слоев материала с целью очистки его от загрязнений или придания рельефа его поверхности. По физико-химическому механизму воздействия частиц низкотемпературной газоразрядной плазмы на поверхность процессы травления можно разделить на три группы: 1. Ионное травление, при котором поверхностные слои материалов удаляются только в результате физического распыления. Травление осуществляется энергетическими ионами газов (0,1 ÷5,0 кэВ), химически не реагирующими с обрабатываемым материалом (обычно ионами инертных газов). 2. Плазмо-химическое травление, при котором поверхностные слои материалов удаляются в результате химических реакций. Химические реакции происходят между химически активными частицами и поверхностными атомами с образованием летучих продуктов. 3. Ионно-химическое травление, при котором поверхностные слои материалов удаляются в результате как физического распыления энергетическими ионами, так и химических реакций между химически активными частицами и атомами материалов. Наиболее широкое применение процесс травления нашел при изготовлении изделий электроники, когда необходимо в тонких пленках или в поверхностном слое полупроводниковой подложки сформировать топологический рисунок элементов схемы, существенно уменьшить размеры элементов структур с одновременным увеличением точности, надежности и автоматизации их производства. Плазмохимические методы осаждения таких пленок дают возможность наносить тугоплавкие и многокомпонентные сплавы, диэлектрики, полупроводники, т.е. практически все материалы, изменяя структурные, механические, электрические, ферромагнитные и другие свойства твердой поверхности. При ионном напылении пленочное покрытие получается распылением в плазме инертных газов материала мишени при подаче на нее отрицательного потенциала и бомбардировке ионами плазмы. При ионно-плазменном напылении происходит нанесение сложных по составу пленочных покрытий распылением мишени в плазме, содержащей химически активный газ. В этом случае пленки на подложке формируются в результате химического взаимодействия распыленного материала и активного газа (метана, кислорода, азота). 13. ТЕХНОЛОГИИ ИМПУЛЬСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МАТЕРИАЛ 13.1. Введение Технологии с использованием импульсных сильных токов относятся наряду со взрывными (использование взрывчатки) к высокоскоростным, при которых реализуется интенсивное силовое воздействие на обрабатываемый объект. Часто объекту при этом сообщается большая скорость, что открывает новые технологические возможности. Например, появление пластических свойств у хрупких материалов (сплавы молибдена). К ТЕХНОЛОГИЯМ , ИСПОЛЬЗУЮЩИМ СИЛЬНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ТОКИ , ПРИНАДЛЕЖАТ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ( СИЛЬНОТОЧНЫЙ РАЗРЯД В ВОДЕ ), ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ И МАГНИТНО - ИМПУЛЬСНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ ( СОЗДАНИЕ СИЛЬНОГО ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ СИЛОВОГО ДЕЙСТВИЯ ЭТОГО ПОЛЯ НА ОБРАБАТЫВАЕМЫЙ ОБЪЕКТ ). Рассмотрим электрофизические основы технологии. 13.2. Электрогидравлическая технология 13.2.1. Основные сведения При импульсном электрическом разряде в жидкости происходит быстрое выделение энергии в канале разряда. В результате давление в канале разряда значительно превышает внешнее, канал быстро расширяется, что приводит к возникновению ударной волны и потоков жидкости. Ударная волна представляет собой скачек плотности среды, распространяющейся от канала со скоростью, превышающей звуковую. Давление на фронте ударной волны в жидкости может достигать десятков килобар. Воздействие этого давления на обрабатываемый объект может вызывать структурную перестройку материала объекта (дробление хрупких материалов, деформацию, упрочнение поверхности и т.д.). Потоки жидкости, распространяющиеся со скоростью 10 2 ÷10 3 м/с, передают кинетическую энергию обрабатываемому объекту, вызывая, как и ударная волна, его механические изменения. Механические проявления импульсного разряда в жидкости принято называть электрогидравлическим эффектом, а установки с использованием этого эффекта − электрогидравлическими. В качестве рабочей среды в таких установках используется, как правило, техническая вода. Обычно электрогидравлическая установка состоит из накопителя энергии НЭ (рис. 13.1), зарядного устройства ЗУ и технологического блока ТБ, содержащего некоторый объем жидкости, систему электродов, между которыми создается импульсный разряд, и обрабатываемый объект, располагаемый вблизи канала разряда К. ∼ х К ЗУ НЭ Р с ТБ Рис.13.1. Принципиальная схема электрогидравлической установки Накопитель энергии, как правило, представляет собой батарею импульсных конденсаторов высокого напряжения емкостью С. Конденсаторная батарея соединяется с электродной системой в технологическом блоке через разрядник Р, наличие которого позволяет зарядить емкость С до требуемого напряжения от зарядного устройства ЗУ со сравнительно небольшим током. Соединение накопителя энергии с технологическим блокам выполняется малоиндуктивным, для чего используются специальные коаксиальные кабели высокого напряжения. Применение коаксиальных кабелей помимо уменьшения индуктивности разрядной цепи ослабляет электромагнитные поля вблизи работающей установки. Разрядник Р может быть управляемым или неуправляемым. Он представляет собой, как правило, двухэлектродный или трехэлектродный (тригатрон) воздушный искровой промежуток, в некоторых случаях помещаемый в звукоизолирующем корпусе. В установках с большой частотой следования разрядов промежуток разрядника продувается сжатым воздухом, а электроды охлаждаются водой. Наличие технологического блока характерно для установок, предназначенных для обработки транспортабельных деталей или материалов (например, деталей в машиностроении и металлообработке, сырья в горнорудной промышленности и промышленности строительных материалов и т.д.) В таких электрогидравлических установках, как установки для бурения, разрушения негабаритных кусков горных пород, для эхолокации водоемов, технологический блок отсутствует и вместо него используется перемещаемая электродная система, погружаемая в скважину, заполненную жидкостью, или в водоем. Принцип работы типичной гидравлической установки поясняют графики изменения во времени основных электрических параметров, приведенные на рис. 13.2. Uc Uk P i U пр U,i,P t t 1 t 2 0 Рис. 13.2. Изменение напряжения на конденсаторе U c , на канале разряда U k , разрядного тока i и мощности Р во времени t До момента t 1 происходит зарядка накопителя: напряжение на конденсаторе С растет до U 1 = 10 3 ÷10 5 B. В момент t 1 накопитель подключается к искровому промежутку в жидкости и начинается процесс электрического пробоя промежутка. По завершении пробоя в момент t 2 наступает канальная стадия разряда. Напряжение U с за время t 2 − t 1 несколько падает (до U пр ) из-за стекания заряда с конденсатора Свследствие электропроводности среды в промежутке. Если при пробое ток i, протекающий через промежуток, растет незначительно, то по завершении пробоя он резко возрастает. Обычно ток в течение канальной стадии имеет форму, близкую к синусоидальной с большим затуханием. Форма напряжения на промежутке U k отражает нелинейность сопротивления канала разряда. Импульс мощности P,развиваемой в канале, имеет форму, близкую к треугольной. В тех случаях, когда потери энергии за время пробоя t 2 − t 1 в промежутке недопустимо велики или при рабочем напряжении не обеспечивается стабильный пробой промежутка при требуемом расстоянии между электродами, перед каждым разрядом электроды закорачиваются тонкой проволочкой, которая взрывается под действием тока. При разряде или электрическом взрыве проволочки в жидкости возникают ударная волна давления и пульсирующая по размерам газовая полость, изменение положения которых относительно оси канала во времени показано на рис. 13.3,а соответственно кривыми 1 и 2. Канал разряда в начале процесса расширяется с максимальной скоростью. После прекращения протекания тока полость канала разряда вследствие инерционности окружающей среды продолжает расширяться, достигает предельных размеров и затем начинает сжиматься. При расширении полости температура и давление в ней падают, а при сжатии повышаются, что приводит к затухающим пульсациям полости. Обычно период колебаний полости на несколько порядков превышает длительность разряда. Максимальные размеры полости в зависимости от выделившейся энергии при разряде и от условий протекания гидродинамических процессов в технологическом блоке составляют от нескольких сантиметров до десятков сантиметров. В случае применения взрывающейся проволочки картина механических проявлений несколько изменяется (рис.13.3,б). С момента подключения накопителя t 1 начинается разогрев проволочки и происходит сравнительно медленное увеличение ее диаметра. К моменту начала электрического взрыва t 3 от отдельных участков проволочки отделяются слабые ударные волны, распространяющиеся со скоростью, близкой к скорости звука. В момент завершения взрыва t 4 возникает мощная ударная волна, обгоняющая ранее возникшие, и далее процесс протекает также, как и при разряде вследствие пробоя промежутка. t 1 2 t 2 t t 1 t 3 t 4 а) б) х х 1 2 |