УДК 683

Применение плазменного нагрева

Пичкуров Иван Евгеньевич – студент Самарского Государственного Технического Университета.

Аннотация: В данной статье рассматривается технология плазменного нагрева и его применение в различных областях промышленности. Обсуждаются основные достоинства и недостатки метода, а также проводится анализ существующих исследований в этой области и перспективы развития.

Ключевые слова: плазменный нагрев, плазменная технология, высокая температура, металл, высокая точность, плазма, плазменная технология.

Плазменный нагрев – это метод нагрева материалов, основанный на использовании высокотемпературной плазмы. Плазменная технология находит широкое применение в различных отраслях промышленности, таких как металлургия, энергетика, машиностроение и химическая промышленность. В данной статье рассматриваются основные аспекты плазменного нагрева, включая его применение, достоинства и недостатки.

Принципы работы плазменного нагрева

Плазменный нагрев основан на использовании плазмы – четвертого состояния вещества, которое образуется при сильном нагреве и ионизации газа. Плазма представляет собой ионизированный газ, состоящий из положительно заряженных ионов, отрицательно заряженных электронов и нейтральных частиц. При пропускании электрического тока через плазму происходит выделение большого количества тепловой энергии, которая и

используется для нагрева материалов.

Применение плазменного нагрева:

  1. Металлургия: Плазменные печи используются для плавки и переплавки металлов, таких как алюминий, медь и сталь. Плазменный нагрев обеспечивает быстрый нагрев и регулирование температуры, что позволяет эффективно удалять примеси и повышать качество металла.
  2. Сварка и резка: Плазменная сварка и резка металлов являются одними из наиболее распространенных применений плазменного нагрева. Плазменная дуга обеспечивает высокую температуру и концентрацию тепла, что позволяет сваривать и резать тонкие и толстые металлы с высокой точностью и качеством.
  3. Обработка поверхности: Плазменный нагрев используется для нанесения покрытий, упрочнения поверхности и модификации свойств материалов. Например, плазменное напыление позволяет наносить защитные и функциональные покрытия на различные материалы, а плазменная закалка - упрочнять поверхность металлов.
  4. Химическая промышленность: Плазменный нагрев применяется в процессах синтеза и разложения химических соединений, а также для получения высокочистых веществ. Плазменные реакторы обеспечивают высокую скорость реакций и возможность работы при низком давлении.
  5. Энергетика: Плазменные технологии используются в ядерном синтезе, где плазменный нагрев является ключевым элементом для поддержания термоядерной реакции. Также плазменные технологии применяются в сфере возобновляемых источников энергии, например, в плазменных парогазовых установках.
  6. Аэрокосмическая промышленность: Плазменный нагрев используется для создания высокопрочных и легких материалов, а также для тестирования тепловых свойств материалов, используемых в космических аппаратах и ракетах.
  7. Медицина: В некоторых медицинских приложениях, таких как плазменная хирургия и лечение кожных заболеваний, плазменный нагрев обеспечивает высокую точность и контроль над процессом лечения.

Достоинства плазменного нагрева:

  1. Высокая температура: Плазменная дуга способна достигать температуры до 20 000°C, что позволяет быстро нагревать и обрабатывать различные материалы, в том числе тугоплавкие и труднообрабатываемые.
  2. Высокая концентрация энергии: Плазменная дуга имеет малый диаметр и высокую плотность мощности, что позволяет точно контролировать зону нагрева и уменьшает вероятность перегрева окружающих областей.
  3. Широкий спектр применения: Плазменный нагрев может использоваться для сварки, резки, наплавки, напыления и других технологических процессов, что делает его универсальным инструментом в промышленности.
  4. Экологичность: Плазменная обработка является более чистой по сравнению с другими методами, так как не использует вредные флюсы и расходные материалы.
  5. Возможность автоматизации: Плазменные установки могут быгко автоматизированы, что повышает производительность и снижает риск ошибок при обработке.

Недостатки плазменного нагрева:

  1. Высокая стоимость оборудования: Плазменные установки и оборудование требуют значительных инвестиций, что может ограничивать их использование в небольших и средних предприятиях.
  2. Сложность эксплуатации: Работа с плазменными установками требует специальных навыков и квалификации, что может привести к дополнительным расходам на обучение персонала.
  3. Возможность повреждения материала: Высокая температура плазменной дуги может привести к перегреву и повреждению обрабатываемого материала, особенно при неправильном контроле процесса.
  4. Воздействие на окружающую среду: хотя плазменная обработка считается более экологичной, она все же может выделять вредные газы и пары, требующие специальной очистки или утилизации.
  5. Необходимость в охлаждении: Плазменные установки требуют системы охлаждения для поддержания стабильной работы и предотвращения перегрева оборудования.

Заключение: Плазменный нагрев является перспективной технологией, которая находит широкое применение в различных областях промышленности. Несмотря на ряд достоинств, метод имеет и ряд недостатков, которые необходимо учитывать при выборе технологии нагрева для конкретных приложений.

Перспективы развития плазменного нагрева

В ближайшие годы ожидается дальнейшее развитие и совершенствование плазменных технологий нагрева. Ключевыми направлениями развития являются:

  1. Разработка новых типов плазменных источников и технологий нагрева, обеспечивающих более высокую эффективность.
  2. Создание компактных и мобильных плазменных установок для использования в различных условиях и средах.
  3. Улучшение управления процессом нагрева и повышение стабильности плазменной струи.
  4. Исследование новых областей применения плазменного нагрева и создание соответствующих технологий и оборудования.

Список литературы

  1. Ganguly, S., & Basu, S. (2014). Plasma processing of materials: scientific and technological aspects. Elsevier. 
  2. Kadyrov, R. N., & Kadyrov, N. R. (2014). Plasma-chemical technologies in the processing of raw materials and waste. Springer. 
  3. Choi, J. H., & Kim, S. H. (2016). Plasma-based surface engineering of materials: principles and applications. Elsevier. 
  4. Fridman, G. (2008). Plasma chemistry. Cambridge University Press.
  5. Kogelschatz, U. (2003). Dielectric-barrier discharges: their history, discharge physics, and industrial applications. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 23(1), 1-46. 
  6. Mazumder, J., & Steen, W. M. (Eds.). (2012). Laser material processing. Springer Science & Business Media. 
  7. Chen, F. F. (2016). Introduction to plasma physics and controlled fusion. Springer International Publishing. 
  8. Laroussi, M. (2014). Handbook of advanced dielectric, piezoelectric and ferroelectric materials: Synthesis, properties and applications. Woodhead Publishing. 
  9. Kroesen, G. M., Lieberman, M. A., & Morfill, G. E. (Eds.). (2017). The physics of ionized gases: proceedings of the 22nd international conference, Belgrade, August 21-25, 2016. AIP Publishing. 
  10. Becker, K. H., Kampf, S., & Kronfeldt, H. D. (Eds.). (2006). Plasma sources for plasma medicine. Beiträge der 2. Arbeitskonferenz "Plasmaproduktion und -diagnostik", Garmisch-Partenkirchen, 15.-17. Februar 2005. Shaker Verlag.