1tom349

13. ELEKTROTERMIA 700

wytwarzanie acetylenu i etylenu z węglowodorów, synteza cyjanowodoru, piroliza chloro-i fluorowęglowodorów, otrzymywanie związków zawierających fluor lub chlor (z substratów w ppstaci węglowodorów, azotu, tlenu, gazów szlachetnych), syntezę tlenku azotu, ozonu (przy użyciu plazmotronów zwiększonej częstotliwości — 500 — 5000 Hz w instalacjach o mocy większej niż 10 MW i wydajności kilku ton ozonu na godzinę), rozkład (np. tlenków metalicznych, minerałów, węgla, ropy naftowej, łupków bitumicznych), procesy syntezy (otrzymywanie węglików, azotków, cyjanków, fosforanów, borków), utlenianie tlenków metali lub niemetali (np. TiCl₄ w celu wytworzenia Ti0₂ — są w użyciu instalacje

0    mocy 2 MW), procesy redukcji (tlenków, siarczków, chlorków, fluorków, rud i minerałów) z wodorem lub węglem w charakterze reduktora.

Inne zastosowania: cięcie plazmowe (maksymalne grubości ciętych płyt ze stali nierdzewnej — 20 cm, z aluminium — 25 cm), spawanie plazmowe i mikroplazmowe (np. blach o grubości 0,1 h- 2 mm), plazmowe nanoszenie powłok (napawanie, napylanie, natryskiwanie), sferoidyzacja proszków metalicznych i niemetalicznych poprzez ich topienie i szybkie schładzanie, otrzymywanie monokryształów (Zr0₂, A1₂0₃, Nb, W, Mo, Re), utylizacja toksycznych bądź niebezpiecznych odpadów przemysłowych, szpitalnych

1    in. w temperaturach sięgających 10 000 K (jedna z najbardziej obiecujących technologii), wspomagane nagrzewanie plazmowe w piecach do produkcji cementu oraz w urządzeniach do wytwarzania pulpy papierniczej, spiekanie proszków ceramicznych.

13.12. Nagrzewanie elektronowe

Nagrzewanie elektronowe jest to nagrzewanie elektryczne oparte na powstawaniu ciepła w wyniku pochłaniania przez w'sad energii kinetycznej wiązki elektronów przyśpieszanej w polu elektrycznym.

Jest to nagrzewanie bezpośrednie. Wiązkę elektronów, zgodnie z teorią dc Broglie’a, można traktować jako falę materii o długości

V'k'(l +0,978- 10"⁶H)

przy czym: U — napięcie przyśpieszające, V; X— długość fali, m.

Wzór (13.61) uwzględnia wpływ przyrostu masy elektronu ze wzrostem jego prędkości v, która w pewnych urządzeniach ma znaczący wpływ na wartość X. Prędkość tę, wyrażoną w m/s, określa zależność

(13.62)

I tak np. przy napięciu U = 200 kV stosowanym w spawarkach u « 0,7c₀ (c₀ — prędkość światła w próżni), zaś / = 2,5 pm, a więc jest bliska odległościom międzyatomowym w kryształach. Elektrony są przyśpieszane w polu elektrycznym kosztem pobieranej z niego energii

(13.63)

E = m₀t>²/2

przy czym m₀ = 9,11-10“³¹ kg — masa spoczynkowa elektronu.

Sprawność takiej konwersji jest bardzo duża, a straty prawie wyłącznie wiążą się z nagrzewaniem emitera.

Wiązka elektronów jest wytwarzana i kształtowana w komorze wyrzutni elektronowej przy ciśnieniu 10“ ²10 ~ ⁶ Pa, zaś energię do wsadu oddaje przy różnych ciśnieniach — do atmosferycznego włącznie. Wyprowadzenie wiązki z obszaru niskiego ciśnienia (próżni) do obszaru o wyższym ciśnieniu odbywa się nie tylko przez wielostopniowy układ niezależnie odpompowywanych śluz ciśnieniowych, lecz także przez bardzo cienicie folie metalowe. Wymaga to ograniczenia odległości wsadu od otworu w’ylotowego wyrzutni do max 30 mm, w celu wyeliminowania rozproszenia wiązki.

Praktyczna głębokość wnikania elektronów w nagrzewany ośrodek jest niewielka i dlatego metoda ma znamiona nagrzewania powierzchniowego. Ze względu na możliwość koncentracji mocy na powierzchni wsadu do 10⁹ W/cm², wykorzystuje sieją w procesach cieplnych bez zmiany stanu skupienia oraz w takich, którym towarzyszy topienie, wrzenie, parowanie, co jest związane z tworzeniem się tzw. kanałów i głęboką penetracją wiązki we wsadzie.

Można wyodrębnić cztery główne kategorie elektronowiązkowych procesów cieplnych, wymagających odmiennych urządzeń [13.30].

Topienie elektronowe jen procesem próżniowym stosowanym do przetapiania: Hf, Mo, Nb, Ni, Ta, Th, Ti, U, W, Zr oraz stali i stopów Ni, Co. Przetapianiu poddaje się wsad' w postaci bloków, prętów, granulek, złomu, pyłu itp. przy użyciu wyrzutni osiowo symetrycznych, taśmowych lub pierścieniowych sposobem kroplowym, w kąpieli lub w tyglu. Produktem końcowym są wlewki cylindryczne, rurowe lub blokowe, odlewy precyzyjne, granulaty, proszki, pastylki, pierścienie oraz pręty o bardzo dużej czystości lub innych specjalnych właściwościach [13.30].

Rys. 13.42. Urządzenia z wiązką elektronową jako źródłem ciepła, wg [ 13.2]: a) piec elektronowy do ciągłego topienia przepływowego; b) napylarka elektronowa

1    — komora próżniowa,

2    — wyrzutnie elektronów, 3 — wsad, 4 — dodatki stopowe, 5 wanna ze stopionym wsadem, 6 krystalizator,

7    — do układu próżniowego,

8    przegroda komory,

9    — wytwarzany wlewek, 10 — wiązka elektronów, 11 — kierunek

ruchu napylanego materiału,

12    — termokatoda,

13    - elektromagnes

W urządzeniach dużej mocy (rys. 13.42a) stosuje się jedną lub kilka wyrzutni osiowo symetrycznych pracujących przy U = 10 h- 35 kV i mocach jednostkowych sięgających 1,7 MW. Moce pieców z tymi wyrzutniami sięgają 5 MW i coraz częściej ich działanie jest wspomagane jednostkami indukcyjnymi. Są to urządzenia o dużych kosztach inwestycyjnych, w których udział kosztów podzespołów próżniowych stanowi ok. 25%. Musi być przy tym spełniony warunek

W_p!P = 120-H50 dm³/(s-kW)    (13.64)

przy czym: W_p — wydajność pomp, P — moc wiązek elektronowych.

Elektronowa obróbka cieplna obejmuje procesy próżniowe: hartowania selektywnego, uszlachetniania powierzchni metali przez wtapianie dodatków stopowych, wytwarzania szklistych warstw powierzchniowych, wyżarzania, odpuszczania, oczyszczania i odgazowywania oraz platerowania. W niektórych wykorzystuje się zjawisko samoschładza-nia nagrzanej cienkiej warstwy zewnętrznej wsadu, którego wnętrze spełnia rolę ośrodka chłodzącego z szybkością do 10⁵ K/s.