Плазменные технологии создания и обработки строительных материалов

Введение
1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.А. Власов, Г.Г. Волокитин,
Н.К. Скрипникова, О.Г. Волокитин

ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
СОЗДАНИЯ И ОБРАБОТКИ
СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ТОМСК
«Издательство НТЛ»
2018

Введение

УДК 533.9:666
П371

П371
Власов В.А., Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Волокитин О.Г. Плазменные технологии создания и обработки
строительных материалов: монография. – Томск: Изд-во НТЛ,
2018. – 512 с.

ISBN 978-5-89503-614-3

В монографии представлены результаты теоретических исследований и
разработанные технологии по обработке и получению новых строительных
материалов с использованием энергии плазмы. Большое внимание в работе
уделено исследованиям физико-технических процессов получения силикатных расплавов и материалов на их основе в низкотемпературной плазме.
Описаны процессы математического моделирования процесса расплавления
силикатов в потоке низкотемпературной плазмы. Обобщены перспективы
развития плазменных технологий и аппаратуры в строительной индустрии.
Предназначена для специалистов, работающих в строительной отрасли, а
также в областях применения генераторов термической плазмы для создания
новых материалов, физикам, материаловедам, специалистам по теплофизике,
аспирантам, магистрантам и студентам.

УДК533.9:666

Р е ц е н з е н т ы :

М.Р. Предтеченский – академик РАН, д.ф.-м..н., заведующий
отделом физико-химических процессов в энергетике Института
теплофизики СО РАН;
Е.М. Чернышев – академик РААСН, д.т.н.

ISBN 978-5-89503-614-3
© В.А. Власов, Г.Г. Волокитин,
Н.К. Скрипникова, О.Г. Волокитин, 2018

© Оформление. Дизайн.
ООО «Издательство НТЛ», 2018

Введение
3

ВВЕДЕНИЕ

Энергоресурсосбережение является одной из самых серьезных задач

современности. От результатов решения этой проблемы зависят место
России в ряду развитых в экономическом отношении стран и уровень
жизни граждан. Перед обществом поставлена очень амбициозная задача
– радикально изменить отношение к энергоресурсосбережению, не снизив энергоемкость производства. По данным специалистов, доля энергозатрат в себестоимости продукции в России достигает 30–40 %, что
значительно выше, чем, например, в западноевропейских странах. Одной из основных причин такого положения являются устаревшие энергорасточительные технологии, оборудование и приборы. Очевидно, что
снижение таких издержек и применение энергосберегающих технологий позволят повысить конкурентоспособность России во всем мире.
В связи с этим очевидна необходимость применения энергосберегающих технологий. Стратегическая цель энергосбережения одна и следует
из его определения – это повышение энергоэффективности во всех отраслях, во всех поселениях и в стране в целом. И задача – определить,
какими мерами и насколько можно осуществить это повышение. Цели
энергосбережения совпадают и с другими целями муниципальных образований, такими, как улучшение экологической ситуации, повышение
экономичности систем энергоснабжения и др.   
Аппараты для получения низкотемпературной плазмы с помощью
высокочастотного (ВЧ), сверхвысокочастотного (СВЧ) и дугового разрядов называются плазмотронами. Существуют два вида плазмы: изотермическая (равновесная) и неравновесная. В изотермической плазме
все ее свойства (состав, электропроводность, теплопроводность и др.)
являются однозначной функцией температуры, единой для всех частиц,
и могут быть рассчитаны с высокой точностью методами классической
термодинамики. Термическая плазма реализуется при атмосферном и
более высоком давлении, когда частота соударений ее компонентов настолько велика, что обмен энергией происходит очень быстро. В зависимости от целей и задач конкретной электротехнологии используются
оба вида низкотемпературной плазмы. Изотермическая плазма является

Введение

источником большого числа активных частиц (ионов, атомов, радикалов) и может служить, кроме того, высокоэнтальпийным энергоносителем. Поэтому для большинства крупнотоннажных плазмохимических и
плазмотермических процессов используют именно этот тип плазмы.
Например, пиролиз и конверсия углеводородов, получение оксида азота, ультрадисперсных порошков металлов, карбидов и других высокотемпературных материалов, плавление металлов, комплексная переработка отходов и т. д. Неравновесную плазму применяют для получения
различных пленок, при модифицировании поверхности материалов (химическое травление, полимеризация, азотирование, цементирование), переплав и рафинирование металлов, для получения чистых и сверхчистых
металлов.
Электрическая дуга – концентрированный и высокотемпературный
источник тепловой энергии. Она широко применяется, главным образом, при сварке и резке металлов, а также при электродуговой выплавке
металлов из руд. С постепенным расширением областей ее применения
развиваются научные исследования дугового разряда.
Электродуговые нагреватели газа – наиболее распространенный
класс генераторов термической плазмы. В них электрическая энергия
преобразуется в тепловую путем выделения джоулева тепла в дуговом
разряде. При этом нагрев газа осуществляется в основном теплопроводностью и конвективным теплообменом между дугой и газовым
потоком.
Широкому промышленному применению электродуговых плазмотронов способствовали их несомненные достоинства:

- возможность нагрева практически любых газов или смесей газов, в
том числе инертных, восстановительных, окислительных;

- широкий диапазон мощностей – от сотен ватт до десятков мегаватт;
- экономичность преобразования электрической энергии в тепловую
при высоких значениях электрического и теплового КПД;

- достаточно большой ресурс работы электродов, который составляет десятки и сотни часов в зависимости от силы тока, рода газа, давления в разрядной камере и типа плазмотрона;

- простота автоматизации управления режимом работы;
- малогабаритность и небольшая металлоемкость.
Решение актуальных задач энергосбережения, повышения энергетической эффективности и производства новых видов строительных материалов требует разработки инновационных технологий и комплексного

Введение
5

внедрения современного энергоэффективного инженерного оборудования для получения высокотемпературных силикатных расплавов.
Основной научно-технической проблемой является отсутствие широкомасштабного внедрения плазменных технологий в строительную
отрасль Российской Федерации. Осуществление в едином комплексе
прикладных и фундаментальных исследований, направленных на изучение особенностей процессов, протекающих при плазменном воздействии, представляет научный и практический интерес при производстве
строительных и других видов материалов. Полученные научные данные
позволят расширить теоретические знания в области плазменных технологий и физико-химических процессов, протекающих при взаимодействии плазмы с твердым телом.
Перечень технологических процессов с использованием низкотемпературной плазмы позволяет с уверенностью утверждать, что электродуговые плазмотроны по праву занимают в настоящее время заметное
место в новой технике. Однако в настоящее время в полной мере не исследованы механизмы взаимодействия высококонцентрированных тепловых потоков плазмы с силикатными материалами, содержание оксида
кремния в которых от 50 до 100 %; влияние содержания SiO2 на структуру продуктов плавления силикатных материалов, полученных с использованием низкотемпературной плазмы; физические основы плазменной технологии получения высокотемпературных силикатных расплавов с содержанием SiO2 до 100 %.
Трудность теоретических исследований обусловлена многофакторностью и сложностью процессов, протекающих в электрической дуге.
В плазме дуги присутствуют частицы с самыми различными свойствами и законами взаимодействия (молекулы, радикалы, атомы, ионы,
электроны), в ней происходят разнообразные процессы переноса (теплопроводность, электропроводность, излучение, турбулентность). В ряде случаев существует еще внешнее магнитное поле, которое осложняет
анализ и без того многообразной картины взаимодействия различных
процессов в электрической дуге. На преодоление этих трудностей направлены сегодня усилия многих специалистов.
Значительный вклад в исследование низкотемпературной плазмы
внесли научные коллективы под руководством М.Ф. Жукова, Н.Н. Рыкалина, Л.С. Полака. Способствовали развитию плазменных технологий
в области разработки и создания генераторов низкотемпературной
плазмы исследования ученых Института теплофизики СО РАН под ру

Введение

ководством А.С. Аньшакова. Широко известны результаты исследований И.А. Тихомирова,  В.И. Струнина, В.С. Бессмертного и др., связанные с разработкой плазменных технологий, изучением физики и химии
плазмы.
В заключение необходимо отметить следующее: до недавнего времени не были ясны основные физические процессы, протекающие при
плазмохимических процессах, методы их расчета и проектирования.
Теперь же, благодаря успешным теоретическим и экспериментальным
исследованиям, выяснению фундаментальных физических явлений появилась возможность заложить основы разработки плазменных технологий по созданию и обработке строительных материалов.
Коллектив авторов выражает искреннюю благодарность к.ф.-м.н.
Ижойкину Д.А. за участие в подготовке монографии.

Глава 1

ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ
И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

В основу всей классификации видов низкотемпературной плазмы
обычно полагают принцип поддержания разряда. Самостоятельными
разрядами называют такие, для которых после зажигания не требуется
дополнительной эмиссии носителей заряда, которые возникают самостоятельно в разрядном промежутке под действием внешнего источника энергии. Несамостоятельный разряд возможен только при дополнительной эмиссии электронов из катода иными путями [1].
Общий механизм возбуждения разряда хорошо описан на примере
газоразрядной трубки (рис. 1.1). Введение к главе 1

K
A

R

E

T

U

d

Рис. 1.1. Электрическая схема включения
газоразрядной трубки

Внутри трубки расположены катод К и анод А, разделенные расстоянием d, ограничивающим разрядный промежуток, заполненный газом. Для питания схемы в нее включен регулируемый источник э.д.с. Е.

Глава 1. ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

При появлении напряжения в газовом промежутке появляются ионный ток (от анода к катоду) и электронный (от катода к аноду). При
повышении напряжения увеличивается скорость носителей заряда (и,
следовательно, электрический ток), зависящая от величины напряженности поля.
Рассмотрим этапы зажигания разряда на вольт-амперной характеристике разрядного промежутка (рис. 1.2).

O

A
B

C

D

U

I

Рис. 1.2. Вольт-амперная характеристика
разрядного промежутка

С начального момента времени повышение напряжения приводит к
линейному повышению тока через разрядный промежуток (участок
ОА).
Дальнейшее повышение напряжения приводит к насыщению тока,
когда число появляющихся за единичный промежуток носителей заряда
равно числу притянутых к аноду и катоду за счет электрического поля
(участок АВ).
Участок BC характеризует появление вторичной ионизации газа
электронами. При этом вторичные электроны также вызывают лавинообразный процесс ионизации.
В области вольт-амперной характеристики от О до С разряд является
несамостоятельным, т.е. для его поддержания необходимо действие ио

Введение к главе 1
9

низатора. При дальнейшем повышении напряжения ток разряда резко
возрастает (участок CD – «пробой газа») – появляется самостоятельный разряд. Для поддержания самостоятельного разряда необходимо
существование электронной лавины.
В зависимости от типа газа, термодинамических условий, приложенного напряжения и ряда других факторов самостоятельный разряд
может принимать различные формы [2].
Самостоятельные разряды бывают стационарные (основные характеристики не зависят от времени) и нестационарные. Примерами стационарных разрядов могут быть темный, тлеющий и дуговой разряды,
примерами нестационарных – коронный и искровой разряды.
Основные различия между стационарными и нестационарными разрядами описаны в табл. 1.1.

Т а б л и ц а  1 . 1

Различия стационарных и нестационарных разрядов

№
п/п
Характеристика
Стационарный разряд
Нестационарный разряд

1
Тип источника
энергии
Постоянный ток
Переменный ток

2
Постоянство параметров разряда
Сила тока через поперечное сечение разряда, температура и плотность газа,
концентрации частиц в
различных энергетических
состояниях постоянны

Сила тока через поперечное сечение разряда, температура и плотность газа,
концентрации частиц в
различных энергетических
состояниях изменяются со
временем

3
Необходимое количество электродов
Для  возбуждения  и  поддержания разряда необходимы 2 электрода

Для возбуждения и поддержания разряда используются 1 или 2 электрода,
возможен безэлектродный
разряд

4
Непосредственный
контакт электродов
с разрядным промежутком

Для поддержания разряда
необходим непосредственный контакт электродов с плазмой

Возможно  создание  и
поддержания разряда  без
его  непосредственного
контакта с электродами.

5
Равновесность
плазмы
Энергии заряженных частиц близки (равновесность
плазмы)

Существенная неравновесность плазмы

Глава 1. ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Вид вольт-амперной характеристики позволяет рассмотреть большинство разрядов постоянного тока (рис. 1.3).

0
10–15
10–12
10–6
10–4
10–1
1
10
100

U

U*
I 
II 
III 
IV 
V 
VI 
VII

A

B

C
D
E

F
H
L

K

M

I, A

Рис. 1.3. Схематическая вольт-амперная характеристика газовых разрядов

Участок I характеризует несамостоятельный разряд, II – темный разряд, III – переходная область, IV – тлеющий разряд, V – аномальный
тлеющий разряд, VI – переходная область, VII – дуговой разряд.
В зависимости от частоты источника напряжения различают:
- разряды постоянного тока;
- низкочастотные разряды (102 – 103 Гц);
- высокочастотные разряды (ВЧ) (105 – 108 Гц);
- сверхвысокочастотные разряды (СВЧ) (109 – 1011 Гц);
- оптические разряды (4,3–7,5)·1014 Гц).
Вследствие большого количества видов газовых разрядов и их практической реализации далее остановимся на тех, которые могут иметь
практическое применение в строительной или смежных отраслях.

1.1. Разряды постоянного тока. Тлеющий разряд

Тлеющему разряду соответствуют пониженное давление (до 3 кПа),
низкие температуры катода (500–700 К) [3, 4], токи от 10−5 до 1 А.
Тлеющий разряд разделяют на нормальный (плотность тока до 10 А/м2)
и аномальный.
Характерная структура тлеющего разряда представляет собой систему чередующихся темных и светящихся пространств (рис. 1.4).