Лекция №7,8. Плазмообразующие газы (аргон, водород, азот, гелий)

План лекции:

1. Характеристика плазменной струи

2. Зависимость энтальпии газов от температуры

3. Состав азотной плазмы в зависимости от температуры.

Плазма образуется при пропускании рабочего плазмообразующегося газа через электрическую дугу. В специальных устройствах получивших название дуговых плазмотронов или дуговых плазменных горелок, создают разность потенциалов, подавая на электроды постоянный ток сравнительно небольшого напряжения. Электрическая дуга, представляющая собой газовый разряд, возникает между электродами в результате проходящей ионизации при соударении электронов, ускоренных приложенным внешним электрическим полем, с нейтральными частицами газа. Газ в столбе дуги имеет температуру 5000⁰С и выше. Это создает предпосылки для термической ионизации, когда газ ионизируется вследствие соударений нейтральных частиц с электронами, ионами и между собой. Таким образом, та часть плазмообразующегося газа, которая проходит через столб дуги, ионизируется и образуется плазма.

Под действием пинч-эффекта происходит отшнуровывание объема плазмы, а так как плазмообразующий газ подается под избыточным давлением, образовавшийся шнур вытягивается в направлении движения струи газа. Все это способствует резкому повышению плотности тока и нагреванию частиц под воздействием эффекта сжатия плазмы и возрастанию при этом джоулевых потерь на нагрев проводника плазменной струи (плазменного шнура).

Характеристики плазменной струи в значительной мере определяются выбором плазмообразующегося газа. Теплосодержание газов зависит от температуры; на рисунке 12 представлена эта зависимость для наиболее часто используемых в дуговых плазмотронах газов. Как видно из рисунка, при нагреве моноатомных газов вклад в энтальпию вносят только тепловое движение молекул и ионизация, в то время как для двухатомных газов дополнительным «резервуаром» энергии является процесс диссоциации. В результате плазма двух- и многоатомных газов содержит больше количества тепла при более низких температурах.

Поэтому для работ, связанных с теплопередачей, когда не нужны температуры более 10000⁰К, целесообразнее использовать двухатомные газы. Для получения же высоких температур необходимо применять одноатомные газы. В таблице 7 приведены термические параметры плазменной струи при использовании различных плазмообразующих газов.

Таблица 7 – Термические параметры дуговой плазменной струи при использовании различных плазмообразующих газов

Газ	Мощность, подводимая к плазмотрону, кВт	Напряжение на дуге, В	Температура плазмы, 0К	Энтальпия плазмы, кДж/г	Эффективность нагрева газа струи, %	Энергия диссоциации, кДж/моль	Потенциал ионизации, В	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К)	Динамическая вязкость, Н/(с×см2)
Азот				46,33			14,5/ 29,4*	24,3
Водород				323,90			13,5/-
Гелий				237,8		-	24,5/54,1		196,2
Аргон				21,73		-	15,7/27,5	16,3

*числитель однократный, знаменатель - двухкратный

1-Азот, 2-кислород, 3-водород, 4-аргон, 5-гелий

Рисунок 12. Зависимость энтальпии газов от температуры

Следует отметить, что увеличение давления несколько снижает теплосодержание газов (в области диссоциации).

На энтальпию плазменного потока сильно влияет расход плазмообразующего газа. Теплопередача от дуги к потоку газа происходит в период их совместного нахождения в канале сопла плазмотрона. С увеличением расхода газа уменьшается площадь поверхности разряда вследствие уменьшения диаметра проводящего столба. Это снижает интенсивность теплопередачи к потоку газа, а следовательно, и его теплосодержание.

Большие возможности открывает использование для образования плазмы смеси газов. Отмечается, что количество тепла, вводимого плазменной струей в нагреваемое изделие, при работе на смеси из 86% гелия и 14% аргона почти в два раза выше, чем при работе на чистом аргоне. Авторы объясняют это высоким потенциалом ионизации гелия.

Из таблицы 7 видно, что водород обладает наиболее высокими значениями энтальпии и к.п.д. Вместе с тем он сравнительно недорог.

Найдено, что в области температур до 25000К и давлений 1×10³ - 1×10⁷Па водородная плазма состоит из нейтральных атомов Н, ионов Н⁺, нейтронов е, а в некоторых случаях из молекулы Н₂ и ионов Н₂⁺ и Н₂²⁺. На рисунках 13 и 14 приведены информации о влиянии температуры и давления на молярную долю ионов водорода (Х_Н+). Из рисунков видно, что увеличение температуры позволяет повысить Х_Н+, а давление уменьшает Х_Н+.

Рисунок 13. Изменение числа одновалентных ионов водорода ХH+ в зависимости от температуры при Р=101325 Па

Рисунок 14. Изменение числа одновалентных ионов ХH+ в зависимости от давления при Т=2,5•104К

Влияние температуры и давления на энтальпию водородной плазмы приведено на рисунке 15.

Рисунок 15. Зависимость энтальпии водородной плазмы (H)^T₀ от давления

Из рисунка 15 видно, что энтальпия водородной плазмы увеличивается с ростом температуры и уменьшением давления.

Однако чистый водород при высоких температурах оказывает разрушающее действие на электроды. С целью увеличения срока службы сопла обычно используют водородно-азотную или водородно-аргоновую смесь газов, в которой содержание водорода составляет около 10-20% (объем.).

Энтальпия смеси газов (Н_см) может быть рассчитана по формуле:

Н_см = (97)

где Н₁ и Н₂ – Энтальпия компонентов смеси;

М₁ и М₂ – молекулярный вес компонентов смеси;

М_см - молекулярный вес смеси;

r₁ и r₂ – объемная доля компонентов смеси.

Молекулярный вес смеси при этом определяется по формуле:

М_см = М_{1 ×}r₁ + М_{2 ×}r₂ (98)

Подбором плазмообразующегося газа можно создать любую среду плазменной струи: окислительную, восстановительную, нейтральную.

Важной характеристикой плазменной струи является степень ионизации плазмообразующегося газа. Так как газ в дуговом разряде в зависимости от силы тока и типа рассматриваемой дуги имеет температуру от 5000 до 50000⁰К, то степень его ионизации лежит в пределах от 1 до 100% и даже выше, если принять во внимание многократную ионизацию. Высокая степень ионизации газов в зоне электрической дуги требует тщательного рассмотрения возможного взаимодействия между ними и обрабатываемым материалом.

При исследовании низковольтной дуги, горящей между вольфрамовым стержнем – катодом и охлаждаемым медным анодом, в струе аргона. Было обнаружено, что вблизи катода имеются линии нейтрального, однократно и двукратно ионизированного аргона. У анода присутствует только нейтральный и однократно ионизированный аргон. Относительная интенсивность линий Ar, Ar⁺, Ar⁺⁺ показывает, что температура газа в ядре катодной области достигает примерно 30000⁰К.

Аналогично в дуге, горящей в азоте, были обнаружены дважды и трижды ионизированные атомы, что находится в полном соответствии с теорией, по которой при высоких температурах в азоте находится свыше 60% частиц плазмы, состоящих из свободных электронов; остальные 40% составляют частицы N⁺ и N⁺⁺ с незначительной примесью N и N⁺⁺⁺ . По интенсивности линий температура превышает 30000⁰К.

Диссоциация и ионизация в потоке плазмы сопровождается следующими тепловыми эффектами:

Н₂ + 431,5кДж ® 2Н; (99)

Н + 1298,9кДж ® Н⁺ + е^-; (100)

N₂ + 942,7кДж ® 2N; (101)

Ar + 1512,6кДж ® Ar⁺ + е^-; (102)

O₂ + 502,8кДж ® 2O. (103)

При выходе плазменной струи из сопла плазмотрона в холодной зоне в результате рекомбинации ионов и электронов в одноатомный газ происходит выделение энергии, затраченной ранее на ионизацию. При использовании для образования плазмы двухатомного газа в холодной зоне, кроме энергии ионизации, выделяется энергия диссоциации.

Степень ионизации (S_i) определяет состав плазмы, который в зависимости от температуры может быть рассчитан при помощи уравнений Эггерта-Саха, условия равновесия зарядов и закона Дальтона:

S_i(Т) = (104)

где Z_i и m_i - статистическая сумма и масса i-той частицы;

К - постоянная Больцмана;

Е- потенциал ионизации.

Результаты расчетов для азота приведены на рисунке 16.

Рисунок 16. Состав азотной плазмы в зависимости от температуры

Таким образом, использование электрической дуги позволяет получать потоки ионизированного газа. В технике эти потоки принято называть «плазменной струей».

Важным параметром газа является его коэффициент теплопередачи, зависящий от температуры. Из приведен­ных на рис. 17 данных видно, что у одноатомных газов этот

Рисунок 17. Зависимость коэффициентов теплопередачи некоторых газов от температуры: 1-водород; 2-гелий; 3-азот; 4-аргон

Рисунок 18. Влияние взаимодействия сил на форму дугового разряда: H-напряженность магнитного поля; pM – давление магнитного поля; pT – давление плазменной дуги; r- расстояние от оси сопла

коэффициент по мере повышения температуры рав­номерно возрастает. У двухатомных газов он проходит через четко выраженный максимум, который соответствует диссоциации и ионизации молекул.

Геометрическая форма высокоинтенсивного столба плазменной дуги определяется прежде всего взаимодей­ствием двух противодействующих факторов — дроссели­рующего эффекта магнитного поля и термического рас­ширения плазмы.

Магнитное давление магнитного поля плазмы прямо пропорционально квадрату силы тока и обратно пропорционально сечению столба плазмы. Термодина­мическое давление плазмы равно произведению темпе­ратуры плазмы, концентрации частиц и газовой посто­янной. Поэтому плазмообразующие газы с различной теплопроводностью оказывают различное влияние на степень сжатия столба плазменной дуги. (Для дуг в га­зовой атмосфере, имеющей низкую теплопроводность, эффект сжатия под действием магнитного давления про­является при гораздо более низких значениях силы то­ка, чем для дуг в атмосфере газов с высокой теплопро­водностью.) К первой группе газов можно отнести ар­гон, а ко второй гелий. Если теплопроводность газов высокая, то плазму можно считать изотермической, тог­да температурный градиент гелиевой плазмы будет го­раздо ниже, чем аргонной плазмы. Поэтому согласно уравнению состояния идеального газа термодинамиче­ское давление при одинаковых объемах для гелиевой плазмы будет выше, чем для аргонной плазмы.

На рис. 18 показано равновесное взаимодействие сил кинетического давления газа, направленного радиально от оси столба плазменной дуги (р_Т) и давления самого магнитного поля, направленного внутрь (р_М). Напря­женность магнитного поля на расстоянии r зависит от радиуса проводимости а согласно выражению

H=(2Ir)/a² (105)

Эго означает, что на расстоянии r от оси столба дуги напряженность магнитного поля H равна 2Ir/а². В эле­менте проводника rdrd(f) магнитный поток равен r dr Хd0I(πа²). Сила, действующая на этот элемент на уча­стке длиной 10 мм в радиальном направлении к центру, определяется уравнением

dF = 2×I²/(πa⁴)rdrrd0. (106)

Сила, действующая на элементарную поверхность, рав­на г rd0, поэтому давление составит

dр =2I²/(π а⁴) rdr. (107)

Давление на всю кольцевую поверхность равно

р = 2I²/(πa⁴) = I/(-πа⁴) (а² – r²) (108)

Общее давление равно разности между давлением, дей­ствующим по радиусу в направлении к центру

p_M = i²/(πа²). (109)

и действующим в обратном направлении давлением сжатого столба плазменной дуги, которое в соответст­вии с неограниченной теплопроводностью согласно уравнению состояния для идеальных газов равно:

p_M = (n₀ + n_i + n_e, )kT,

где Т — температура плазмы, К; k — постоянная Больц­мана; n₀, n_i, n_е — плотность нейтральных атомов, ионов и электронов. Равновесие взаимопротивоположно дей­ствующих сил можно описать уравнением

_→→

grad р— IН, (110)

где I — сила тока, А.

Газы с низким температурным градиентом при наг­реве до высокой температуры имеют повышенные дав­ления. Вследствие более высокой осевой температуры и более низкого температурного градиента гелиевый столб плазмы «сжать» труднее, чем столб плазменной дуги, горящей в аргоне, поэтому для «сжатия» гелия нужно более сильное магнитное паче. Это условие можно обеспечить пу­тем повышения силы тока в дуге, так как магнитное дав­ление пропорционально квад­рату силы тока.

Расход и вид газа влияют на форму вольтамперной характеристики и технологи­ческие параметры плазматронов. Влияние состава и рас­хода плазмообразующего газа на напряжение в плазматроне, работающем с зависимой дугой, было исследовано в плазменной печи фирмы Linde емкостью 140 кг. Давление в печи было лишь несколько выше атмосферного. Сила тока состав­ляла 1000 А. На рисунке 19 приведены кривые напряжения в столбе плазменной дуги, полученные путем измерения расхода и состава плазмообразующего газа, а также состава и расхода газа печной атмосферы (газ подавал­ся через специальный ввод) для двух разных длин столба плазменной дуги.

Параметры для приведенных на рисунке 19 кривых указа­ны в таблице 8.

Рисунок 19. Влияние состава и расхода газа на напряжение столба плазменной дуги U при неизменной силе тока I_ob = 1000 A (расшифровка кривых приведена в таблице 8)

Таблица 8 - Влияние состава и расхода газа на напряжение столба плазменной дуги при переплаве в печи фирмы Linde емкостью 140кг

Номер кривой	Плазмообразующий газ	Расход плазмообразующего газа. г/с	Газ печной атмосферы	Расход печного газа г/с	Длина столба плазменной дуги
1/ 3/ 4/ 5/ 6/ 7/	Ar Ar ArH2 H2 Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar H2 ArH2	Неравномерный »» 1,42 Неравномерный »» 1,42 1,42 1,42 1,42 1,42 1,42 Неравномерный1,42 Неравномерный	Ar Ar Ar H2 H2 ArCO ArCO Ar,N2 Ar Ar Ar Ar Ar	1.7 1.7 1.7 Нервномерный 1,7 1,7 1,7 Неравномерный 1,7 1,7 1,7	13,6 18,0 18,0 13,6 18,0 13,6 - 18,0 - 13,6 18,0 13,6 18,0

Контрольные вопросы

1. Рассказать о теоретических основах образования плазмы.

2. Объяснить характеристику плазменной струи.

3. Объяснить зависимость энтальпии газов от температуры.

4. Объяснить состав азотной плазмы в зависимости от температуры.

Литература

1. Каренгин А.Г. Плазменные процессы и технологии. Томск, ТПУ 2008. – 140с.

2. Дембовский В. Плазменная металлургия.- М.: Металлургия. 1981. -280с.

3. Краснов А.Н. и др. Низкотемпературная плазма в металлургии М.: 1970-187с.