Учитывая сложный многокомпонентный состав, теплообменные потоки могут находиться в двухфазном состоянии при определенных температурах и давлениях. Важно определить такие условия теплообмена, чтобы в пределах большей части теплообменного пространства потоки были однофазными, а значит и менее агрессивными к материалу аппаратов. Это позволит разделить области однофазного и двухфазного теплообмена и сосредоточить передачу основной части тепла в условиях однофазных потоков для повышения устойчивости и долговечности работы рекуперативных теплообменников.
Для решения этой задачи была разработана методика моделирования процесса рекуперации тепла реакционной смеси каталитического риформинга исходным сырьем, состоящим из водородсодержащего газа и паров бензина.

Предложено два варианта схем. В одном варианте (рисунок 1) – первый аппарат по ходу охлаждаемой газо-продуктовой смеси – высокоэффективный противоточный пластинчатый теплообменник, в котором процесс идет с меньшим перепадом давления. В нем теплообменивающиеся потоки находятся в однофазном состоянии (пар), что позволяет избежать растворения в жидкой фазе имеющегося в газо-продуктовой смеси хлористого водорода, который вызывает коррозию металла теплообменника. Следующий – противоточный кожухотрубный теплообменник, где происходит теплообмен в двухфазной системе. Этот аппарат имеет меньший срок эксплуатации и его конструкция ремонтопригодна. Такая схема, в общем, будет дешевле в эксплуатации, хотя она требует более частой замены. Аппарат работает в области более низких температур, поэтому он может быть изготовлен из менее легированной стали.

Рисунок 1 – Схема рекуперации тепла 1-й вариант

Второй вариант (рисунок 2) – каскад кожухотрубных аппаратов. В последнем из них, по ходу газопродуктовой смеси, потоки находятся в двухфазном состоянии. Применение каскадов из 2 или 3 аппаратов в зависимости от производительности позволяет более экономно рекуперировать тепло газов. В этом случае аппарат для теплообмена двухфазных потоков также делается из низколегированной стали и его конструкция ремонтопригодна.

№ п/п	Компонент смеси	Газосырьевая смесь, (давление на входе в корпус 20 бар)	Газопродуктовая смесь, (давление на входе в трубки 19,8 бар)
1.	Плотность, г/см3	0,738	0,785
2.	Расход сырья, кг/с	21,3
3.	Кратность циркуляции водородсодержащего газа, нм3/м3 сырья	1500
4.	Фракционный состав потоков, 0С
	н.к.	94	50
	10%	111	82
	50%	132	128
	90%	160	167
	к.к.	177	202

В качестве исходных данных (таблица 1) принят состав смеси для бензиновой фракции, подаваемой на узел риформинга [2, с. 43] для межтрубного пространства теплообменника (газо-сырьевая смесь) и состав потока смеси на выходе из реактора риформинга, идущего в трубное пространство (газо-продуктовая смесь или катализат).

Для расчетов схем теплообмена применялась взвешенная модель теплообменника. Математическая модель позволяет рассчитывать материальный и энергетический баланс для теплообменного аппарата, в котором обмениваются теплом два потока, определять температуры, тепловые потоки, тепловые потери, расходы теплоносителей, произведение коэффициента теплопередачи на поверхность теплообмена.

	продукт	сырье	сырье_1	сырье_2	продукт_1	продукт_2
Доля пара	1	0,822	1	1	1	0,827
Температура,0С	500	70	300	470	333	103
Давление, бар	19,8	20	19,3	19	19,5	18,8

	продукт	сырье	сырье_1	продукт_1	продукт_2	продукт_3	сырье_3
Доля пара	1	0,822	1	1	1	0,828	1
Температура,0С	500	70	230	382	265	103	470
Давление, бар	19,8	20	19,3	19,1	18,4	17,7	17,9

Результаты моделирования (таблицы 2,3) показывают, что в пластинчатом теплообменнике для первого варианта и в двух кожухотрубных аппаратах второго варианта схем смеси находятся в однофазном состоянии. Разделение же фаз происходит в последнем кожухотрубном аппарате.

Таким образом, переход фаз представленных схем теплообмена происходит в последнем сменном аппарате, изготовленном из менее легированной стали. В остальных теплообменниках благодаря однофазным потокам высокой коррозии не наблюдается.

На рисунках 3-6 представлено изменение температуры и фазового состава смесей при движении в теплообменниках для обоих вариантов схем.

Рисунок 3 – Изменение температуры сырья по длине аппарата

Рисунок 4 – Доля пара в сырье

Рисунок 5 – Изменение температуры продукта по длине аппарата

Рисунок 6 – Доля пара в продукте

Модель процесса рекуперации в противоточных теплообменниках позволяет определять область исчезновения жидкой фазы по газо-продуктовому и газо-сырьевому потокам для установления условий деления потока на два типа. Такая схема значительно сократит стоимость узла рекуперации, увеличит степень рекуперации тепла риформинга и повысит технологическую устойчивость узла в целом за счет использования дополнительного теплообменника, где происходит теплообмен в двух фазах. 

Данная методика может быть применена в процессах рекуперации тепла двухфазных систем в других областях нефте- и газопереработки.

В методах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) материалов, основанных на процессах твердопламенного безгазового горения [1],  большая часть физико-химических параметров реакции может быть определена по температуре и скорости горения [2]. Особенности неустойчивых режимов горения в виде специфической “дискретной микроструктуры” волны  определяют как макрокинетику реакции, так и свойства конечного продукта [3].  Эта зависимость открывает  возможность программирования свойств синтезируемых материалов [4]. Однако изменчивость исходных порошков и шихты  в процессе изготовления, хранения и сжигания ведет к снижению эффективности такой программной технологии [ 5].

Измерение параметров горения в процессе получения материала позволяет установить их взаимосвязь как со  свойствами конечного продукта, так и со свойствами шихты (рис. 1) [6]. Причем первая взаимосвязь дает возможность контролировать создаваемый материал, а вторая – управлять процессом синтеза так, чтобы получить материал с заданными свойствами с учетом фактического состояния шихты. Например, контроль параметров горения тестового образца позволит изменить начальную температуру основной заготовки так, чтобы свойства изготовляемого материала не изменились в следствие частичной деактивации порошков шихты.

Рис. 1. Взаимосвязь параметров и свойств технологии СВС материалов

Скоротечность и высокая температура процесса СВС не оставляют альтернативы оптическим методам измерения и контроля, среди которых наиболее чувствительным является метод яркостной пирометрии [7, 8]. Быстродействующие тепловизионные системы на его основе позволяют регистрировать динамику температурного поля на поверхности синтезируемого материала [9]. Сделать выводы о параметрах структурной макрокинетики реакции можно только после обработки этой первичной информации [10]. Таким образом, система контроля процесса СВС материалов должна включать как быстродействующие средства сбора данных, так и методику их интерпретации [11, 12].

Цель работы – создание системы контроля скорости, характерного  размера  и температуры  волны самораспространяющегося высокотемпературного  синтеза материалов. Для достижения цели решались следующие задачи:

• построение и калибровка тепловизионной системы на базе “ВидеоСпринт”;
• реализация в среде MATLAB методики определения скорости, характерного  размера  и температуры  волны синтеза материала;
• выявление зависимости определяемых параметров процесса СВС к изменению плотности и начальной температуры шихты со стехиометрией NiAl.

Применение камеры технического зрения для наблюдения за процессом СВС обуславливает огромный объем информации, методы обработки которой настолько сложны, что реализовать их аппаратно в физическом устройстве очень трудно. Поэтому структура системы контроля строилась с использованием концепции виртуальных приборов, которая предусматривает взаимодействие двух модулей: сбора и обработки данных [13, 14]. В качестве модуля сбора данных использовалась высокоскоростная камера “ВидеоСпринт” (НПК “ВидеоСкан”, Россия) [15]. Для реализации модуля обработки данных выбрана среда MATLAB, обладающая мощными средствами преобразования многомерных сигналов на основе технологии параллельных вычислений [16]. Структурная схема виртуальной системы контроля приведена на рис. 2.

В процессе СВС исходные вещества и продукты находятся в конденсированной фазе. Температура в волне горения и области продуктов реакции достигает 1200 – 3000 К и существенная доля поверхностной теплоотдачи приходится на тепловое излучение в спектральном диапазоне 400-900 нм. Это позволяет использовать  оптические системы контроля для наблюдения за динамикой тепловых полей процесса синтеза материалов.

Рис. 2. Структурная схема виртуальной системы контроля

Модуль сбора данных системы контроля состоит из микроскопа МБС-10, который обеспечивает пространственное разрешение в 5,85 мкм на пиксел, полосового светофильтра SL-725-40 с центральной длиной волны 725 нм и полушириной 40 нм, а также включает камеру “ВидеоСпринт” с временным разрешением до 20 мкс на кадр и внутренней памятью 2 GBytes. В микроскопе МБС-10 использована тринокулярная насадка для организации канала запуска “ВидеоСпринт” в момент появления волны СВС в области визирования. Цифровая камера имеет специализированный интерфейс, с помощью которого осуществляется передача информации в ЭВМ по окончании процесса регистрации.

Для проведения камерой “ВидеоСпринт” тепловизионных исследований выполнена коррекция неоднородности сигнала ее сенсора и калибровка на автоматизированном стенде (рис. 3) по методике, описанной в работах [17, 18]. В результате получено пространство состояний системы контроля (рис. 4). Перед процессом регистрации фиксируется время экспозиции и на основе пространства состояний формируется температурная палитра (рис. 5) и оценка точности измерения (рис. 6).

1 – температурная лампа ТРУ-1200-2350; 2 – микроскоп МБС-10; 3 – тринокулярная насадка; 4 – световод; 5 – камера “ВидеоСпринт”; 6 – программируемый источник тока; 7 – фотодетектор контроллера синхронизации камеры “ВидеоСпринт”

Рис. 3. Автоматизированный стен для температурной калибровки системы контроля

S – относительный уровень сигнала; ε- время экспозиции; ε min- минимальное время экспозиции равное 2 мкс

 Рис. 4. Пространство состояний системы оптического контроля

Рис. 5. Температурная палитра для экспозиции 2 мс

Рис. 6. Оценка точности измерения температуры для экспозиции 2 мс

Методика обработки зарегистрированных видеоданных использует закономерности СВС в режиме стационарного горения, когда градиент температуры во фронте волны синтеза достигает величин 10⁷ - 10⁸ К/м, а область продуктов непрерывно прирастает квазипериодическими слоями [19].

Учитывая, что интенсивность светового потока перед фронтом горения ниже порога чувствительности системы оптического контроля, скорость волны СВС можно оценить по динамике линейного размера области продуктов реакции в изображениях видеоряда (рис. 7). Рассматривая скорость волны горения как случайную величину, для стационарного режима можно оценить ее математическое ожидание коэффициентом линейной регрессии зависимости координаты фронта реакции от времени, а дисперсию  - значением невязки. Причем дисперсия, в первую очередь, зависит от дискретности процесса горения, а также от пространственной неоднородности состава и параметров теплопередачи шихты.

Рис. 7. Движение фронта волны СВС

На основе первой производной динамики  фронта волны СВС в методике обработки данных строится выборка толщины слоев продукта, возникающих в области визирования образца. По ней оценивается первый и второй статистический момент, которые  являются макропараметрами системы СВС и зависят от состава, краевых условий и неоднородности шихты.

Рис. 8. Динамика формирования слоев продукта реакции СВС

По зависимости размера слоев продукта от времени (рис. 8) в методике контроля определяется динамика максимальной температуры волны СВС (рис. 9). Изменчивость этой температуры связана с вариативностью состава и  параметров теплопередачи шихты в слоях продукта, формирующихся в разные моменты времени, а также особенностями микропирометрии дискретных сред [20].

Рис. 9. Динамика максимальной температуры в волне СВС

Стационарный режим СВС должен характеризоваться константой температуры горения, которая в методике контроля оценивается средним значение максимальной температуры волны  во всех слоях образующегося продукта. При этом дисперсия температуры горения указывает на гетерогенность теплофизических параметров шихты и ее стехиометрии.

Исследования  зависимости макропараметров процесса СВС в системе Ni-Al проводились на экспериментальной установке, показанной на рисунке 10. Температура шихты изменялась от 25 до 200^оС с шагом 25 градусов. Подогрев образца выполнялся в вертикальной печи, а контроль начальной температуры осуществлялся с помощью введенной в шихту хромель-алюмелевой термопары и индикатора Protek 506. Количество градаций плотности шихты в эксперименте равнялось шести.

1 – камера “ВидеоСпринт”; 2 – светофильтр; 3 – микроскоп МБС-10; 4 – образец шихты; 5 – вертикальная печь

 Рис. 10. Экспериментальная установка

В результате проведения опытов было синтезировано 96 образцов материала (по 2 штуки для каждого набора начальных условий). Регистрация процесса СВС осуществлялась с частотой 500 кадров в секунду. Обработка тепловизионных данных велась на компьютере с процессором Intel Core I7-3930K и объемом ОЗУ 64 GB. При размере одного видеофайла около 2 GB время определения макропараметров процесса СВС: скорости фронта реакции, толщины синтезируемого слоя и температуры горения, – не превышало 20 секунд, а объем выборок был не ниже 1000 отсчетов. Аппроксимация зависимостей макропараметров процесса СВС в системе Ni-Al  приведена на рисунках 11 – 13.

Рис. 11. Зависимость скорости фронта реакции СВС в системе Ni-Al

Рис. 12. Зависимость толщины слоя  NiAl в процессе СВС

Рис. 13. Зависимость температуры горения в процессе СВС системы Ni-Al

Выводы:

1. Разработана система оптического контроля параметров процесса СВС материалов, в которой концепция виртуальных приборов позволила интегрировать установку высокоскоростной пирометрии и автоматизированный анализ тепловизионных данных.
2. Статистические оценки тепловых и структурных параметров процесса СВС построены на выборках большого объема, что способствует их устойчивости. Кроме того, этот подход позволяет выявить неоднородность шихты, которая влияет на качество изделия, создаваемого методом СВС.
3. Полученные в работе зависимости макропараметров процесса СВС устанавливают связь между состоянием шихты и характеристиками ее горения.
4. Дальнейшие материаловедческие исследования опытных образцов позволят продолжить эту связь до конечного продукта и построить систему экспресс-оценки качества горящих дисперсных смесей [21-23] и  материала, получаемого методом СВС [24].

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (задание № 2014/505 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части) и при поддержке внутреннего гранта Югорского государственного университета.

Математическое описание топки как технологического участка котла-утилизатора сводится к рассмотрению химически реагирующих потоков. Механизмы реакций, происходящих между компонентами потоков, в каждой точке пространстве и в каждый момент времени можно полностью описать через следующие параметры: давление, плотность, температуру, скорость по­токов и концентрацию каждого из компонентов [1]. При этом необхо­димо учитывать, что составы исходных потоков и потока реакционной среды могут изменяться во времени [2].

Для описания процесса горения (окисления) сероводорода, метана и других составляющих потока реакционных газов составим систему уравне­ний сохранения массы и энергии. При составлении математического описа­ния будем считать, что смесь топливо-воздух предварительно перемешана, а движение химически реагирующего потока ламинарно.

В общем случае уравнение материального баланса для ламинарного пламени можно записать в виде дифференциального уравнения первого по­рядка в частных производных [1]:

где:  – массовая доля j компонента реакционной среды;

 – плотность реакционной среды;
 – средняя массовая скорость центра масс реакционной среды;
 – диффузионный поток j компонента реакционной среды;
 – массовая доля образования j компонента в химических реак­циях. Уравнение материального баланса (1) описывает скорость изменения парциальных плотностей компонентов реакционной среды в результате обра­зования или расходования компонентов реакционного потока и молекуляр­ного переноса за счёт градиента концентраций реагентов.
Для расчёта массовых долей продуктов реакционной среды с учётом влияния тем­пературы горения и давления в топке котла-утилизатора на структуру цепочки хими­ческих превращений запишем уравнение минимальной свободной энергии Гиббса [3]:

где:  – количество моль j компонента реакционной среды; – химический потенциал j компонента реакционной среды.В состоянии химического равновесия минимальная свободная энергия Гиббса дости­гает своего критического значения. Для нахождения количества моль каждого компонента реакционной среды в состоянии химического равновесия необхо­димо решить задачу нелинейного программирования. В качестве ограничений должны выполняться следующие выражения.

где:  – количество атомов i­ элемента в j компоненте реакционной среды; – количество атомов i элемента в k компоненте входного потока;
 – количество моль k компонента входного потока.На основании уравнений (2) и (3) составим скалярную функцию Гамильтона.

где:  – множители Лагранжа.
Для нахождения минимума функции Гамильтона (4) необходимо решить следующую систему уравнений.

Преобразуем систему уравнений (5) к следующему виду.

Химический потенциал j компонента реакционной среды можно опреде­лить по формуле [3].

где:  – минимальная свободная энергия Гиббса при нормальных условиях; – универсальная газовая постоянная;
 – температура реакционной среды;
 – давление в топке котла-утилизатора;
 – давление при нормальных условиях;Подставим уравнение (7) в систему уравнений (6) и преобразуем к следующему виду.

Составим уравнение сохранения энергии на основании уравнения со­хранения энергии для ламинарного пламени [1] и уравнения теплового баланса проточного реактора идеального смешения [2]:

где:  – удельная энтальпия j компонента реакционной среды;

­ – удельная теплоёмкость k компонента исходных потоков газов при постоянном давлении; – плотность k компонента исходных потоков газов при нормальных условиях;
 – объёмный расход k компонента исходных потоков газов;
 – температура k компонента исходных потоков газов; – давление на линии подачи k компонента исходных потоков газов; – объём реактора.
Данное уравнение описывает изменение температуры реакцион­ной среды во времени в зависимости от изменения параметров входных потоков: расходов и давлений в подводящих трубопроводах сероводорода, метана и воз­духа.
По экспериментальным данным, полученным при пуске котла-утилизатора 32Е 551 волжского завода органического синтеза, и на основании уравнений материального (8) и теплового (9) балансов проведём моделирование изменения тем­пературы реакционной среды в топке котла-утилизатора (Рисунок 1).

Для анализа качества полученной математической модели определим относительную погрешность моделирования. На рисунке 2 представлен график изменения относительной погрешности моделирования температуры реакционной среды в топке котла-утили­затора.
Относительная погрешность имеет значительные выбросы только в течение первого запуска котла-утилизатора, вызванные низкой температурой реакционной среды и скачкообразным заданием расхода метана (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Относительная погрешность моделирования изменения температуры реакционной среды в топке котла-утили­затора

Полученная математическая модель описывает изменение температуры реакционно среды в топке котла-утилизатора в зависимости от изменения расходов и состава поступающих газов. В таком виде математическая модель может быть использована в системе автоматического управления процессом рекуперации серы по двухступенчатому методу Клауса.

При выборе режима плазменной обработки дисперсных материалов встает задача оперативной оценки эффективности межфазного теплопереноса на качественном уровне [1,2]. Обычно набор режимных параметров процесса включает массовый расход плазмообразующего газа, ток электрической дуги, выходной диаметр канала плазмотрона. При использовании определенных упрощений удается получить аналитические выражения для скорости и температуры частиц материала в начальный период нахождения в плазменной струе [3-5].

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

Рассмотрим движение одиночной сферической частицы диаметром D_p, которая была помещена в равномерный плазменный поток со скоростью V_g  и температурой T_g (плотность, теплопроводность, вязкость плазмы соответственно равны ρ_g, λ_g, μ_g) [6,7]. В начальный момент времени t=0 скорость частицы равна нулю, а температура – начальному значению T_Po. Будем считать, что температура сферы в каждый момент времени равномерна по объему (число Био Bi<<1), радиационными потерями пренебрегаем [8,9]. В таком случае уравнения движения и нагрева частицы в потоке можно представить в следующем виде:

.

Величины времени ускорения и нагрева:

– имеют ясный физический смысл: это время, которое понадобилось частице, чтобы достичь скорости (температуры) плазмы, если бы она двигалась с начальным ускорением (нагревалась с начальной скоростью). В условиях плазменной обработки τ_D/τ_T ~ 10-10², то есть процесс нагрева частиц практически всегда протекает быстрее их ускорения [10-13].

На начальном этапе движения частицы ее скорость мала по сравнению со скоростью потока: (V_g-V_P)~V_g, поэтому можно считать, что параметр Рейнольдса остается постоянным, а следовательно – и величины τ_D и τ_T. В таком случае [14-16],  интегрирование дифференциальных уравнений движения и нагрева частицы, с использованием начальных условий V_P(0)=0, T_P(0)=T_Po, позволяет получить следующие решения:

.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ.

В работах [3, 4, 19-23] для оценки эффективности плазменного нагрева порошковых материалов при использовании различных плазмообразующих газов введен параметр T_g λ_g L/V_g, в котором L – длина зоны термической обработки или длина плазменной струи (см. рис.1). Конструкция этого комплекса получена из следующих соображений: полное количество тепла ΔH, переданного частице от потока, пропорционально плотности теплового потока q~ λ_g (T_g-T_P)~ λ_g T_g и времени пребывания частице в струе τ~ L/V_g.

Рисунок 1. К оценке тепловой эффективности плазменной струи

Уточним эту оценку в условиях задачи одномерного движения частицы, рассмотренного в предыдущем работах [2,3, 23-24]. Будем считать, что скорость частицы изменяется по закону:

.

Разлагая экспоненту в ряд Тейлора на малых временах t<< τ_D, найдем время Δt, которое потребуется частице для преодоления дистанции L:

.

Вычислим количество теплоты, полученное частицей от потока за время нахождения в ядре струи:

.

Подставив выражения для коэффициента теплоотдачи  и времени нагрева Δt, используя оценку T_P<<T_g, найдем

.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Выделим в полученном выражении комплекс, который зависит от характеристик плазменного потока:

и может являеться показателем тепловой эффективности плазменной струи [26-28]. Очевидно, что этотпараметр определяет полное количество тепла, которое получит от потока частица заданного диаметра и плотности [29-32]. Следует обратить внимание на отличие полученного критерия от параметра, предложенного в работах [3, 4]:

- время пребывания в струе пропорционально не отношению L/V_g, а комплексу:

,

учитывающему зависимость динамики ускорения частицы от вязкости газового потока [33, 34]. Отношение

слабо зависит от характеристик плазменной струи, например, в условиях атмосферного давления для частиц диаметром 100 мкм оно изменяется в диапазоне 2.6 − 2.9 как для аргона, так и для азота [35, 36].

Рисунок 2. Эффективность плазмы аргона и азота при различных значениях тока дуги  и расходах газа

На рисунке 2 приведены  результаты  расчета тепловой эффективности плазменных струй азота и аргона атмосферного давления при различных режимах работы электродугового плазмотрона с межэлектродными вставками (МЭВ) (номинальная мощность 50 кВт, диаметр анода10 мм).  Температура аргоновой плазмы составляет 10-12 тысяч градусов, а азотной – 6-8 тысяч градусов.

ВЫВОДЫ.

Несмотря на то, что температура аргона почти в два раза выше азота [37], показатель тепловой эффективности аргоновой струи в 3-5 раз ниже, чем эффективность азотной струи. По этой причине в технологиях напыления используют добавки многоатомных газов (гелий, водород, метан) для увеличения тепловой эффективности струи в первую очередь за счет повышения теплопроводности смеси.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 15-48-00100 и № 14-08-90428.

Коррозионные поражения ухудшают внешний вид, эксплуатационные характеристики и могут являться причиной разрушения стальных конструкций и сооружений. Особое значение имеют коррозионные поражения, возникающие на окрашенных стальных изделиях, так как в этом случае коррозия основного металла продолжается под лакокрасочным покрытием и может привести к существенному нарушению механических свойств металла, прежде чем она будет обнаружена.

По причине позднего обнаружения коррозии стали после отделении окрасочного слоя обнаруживаются существенные коррозионные поражения с большим количеством продуктов коррозии (ржавчины). В этом случае восстановление лакокрасочного покрытия (ЛКП) на стальном изделии сопряжено не только с удалением старого лакокрасочного покрытия, но и с удалением продуктов коррозии абразивной (сухой или влажной) струйной, газопламенной, водяной струйной очисткой или очисткой механизированным инструментом. На крупногабаритных изделиях такая очистка является весьма трудоемкой операцией, сопровождающейся с распылением большого количества ржавчины. При этом увеличение шероховатости поверхности приводит к уменьшению коррозионной стойкости изделия.

Одни из перспективных способов очистки поверхности материала от ржавчины, а так же подготовки ее к дальнейшим видам обработки (покраске, сварки) или к эксплуатации с повышенным ресурсам является лазерно – плазменная обработка.

Основные свойства лазерного излучения применительно к очистке и обработки поверхности.

Многогранность лазерного излучения проявляется в самых различных областях  обработки материалов – разносторонность, гибкость, локальности обработки в пространстве и во времени, производительности. прецизионности. селективности, корпоративности [2, 3].

Универсальность лазерного излучения проявляется в применении его в различных областях для производства различных технологических процессов, связанных с резкой, сваркой, термообработкой, легированием, прошивкой отверстий, токарной, фрезерной обработки и т. д.

Локальность обработки заключается в сосредоточении энергии лазерного излучения большой мощности в объеме от нескольких десятков до нескольких сот микрон и во времени несколько десятков пикосекунд. Данный показатель позволяет обрабатывать лишь заданные участки детали с минимальным термическим действием на другие области обрабатываемого материала.

Прецизионность перемещения пучка лазера в пространстве обеспечивается автоматизацией системам управления и механизмами перемещения, обеспечивая точность позиционирования от микрона до сотен микрон. Такие высокие показатели точности позволяют изготовить детали с минимальными отклонениями в размерах.

Производительность лазерной обработки обеспечивается ее высокой скоростью – скорость резки, сварки, термообработки. Данные показатели позволяют судить о лазерном пучке, как о высокопроизводительном обрабатывающем инструменте.

Лазерный пучок не может иметь повреждений, в отличие, например, от различных сверел или резцов, применяющихся при механической обработке. Длительное применение дает пучку лазера экономическую выгоду, и дает высокую воспроизводимость технологических процессов.

Преимуществом лазерного пучка  является также то. что на него не влияют большие разницы температур, электромагнитные поля, что делает пучок лазера устойчивым ко многим внешним физическим воздействиям.

Общее описание процесса

Физические процессы, происходящие при лазерной очистке поверхности, отличаются большим разнообразием и зависят от плотности мощности лазерного излучения на поверхности.

Рисунок 1. Принцип действия лазерной очистки

Способ  лазерной очистки лежит в процессе нагрева, испарения и абляции материала с образованием плазмы, а также быстрого теплового расширения и возникновения ударных волн. Сияние плазмы и звуковой сигнал в воздухе могут быть использованы для контроля режимов и степени очистки.

Основные механизмы лазерной очистки подразделяются на испарительные, ударно – механические, сухие и влажные. Каждый из этих механизмов имеет свое применение в различных областях: от промышленности (очистка металлопроката, труб, крупногабаритных сварных конструкций, лопаток турбин, поверхности резьбы и т.д.) до очистки памятников культурно – исторического наследия [5].

Заключение

В заключении сформулируем еще раз основные преимущества лазерной очистки поверхности:

• отсутствие прямого физического контакта с очищаемой поверхностью;
• возможность очистки необходимой поверхности на дальних дистанциях (до полутора метров).
• точный контроль очищения заданной поверхности;
• очистка  поверхности необходимого материала сложной геометрической формы в труднодоступных местах;
• низкие временные затраты процесса;
• не оказывает сильного термического действия на материал;
• отсутствие износа лазерного пучка как технологического инструмента.

Формирование нового производственного уклада во многом связано с развитием аддитивных технологий на базе металлов и металлокерамик. В них синтез материалов и изделий осуществляется из мелкодисперсных компонентов в ходе быстропротекающих  высокотемпературных процессов. Здесь актуальность контроля структурных и фазовых изменений обусловлена широким спектром научных и технических задач [1-6].

Высокая температура аддитивного синтеза металлов и металлокерамик (1500 – 4000 К) открывает возможность косвенного контроля структурообразования  методами оптической пирометрии с разрешением до 1 мкм и 10 мкс [7-9]. Яркостная температура линейно зависит от спектрального коэффициента излучения, который в свою очередь определяется микроструктурой и фазовым составом поверхностного слоя наблюдаемого тела. Погрешность современных средств яркостной пирометрии в диапазоне температур 1500 – 5000 К достигает 0.05 % [10, 11]. Метод спектральной пирометрии, напротив, позволяет выбрать такой оптический диапазон, где измеряемая температура практически не зависит от свойств материала, а отклонение спектральной температуры от действительной не превышает 0.5 %. Случайная погрешность цифровых спектральных пирометров на 1-2 порядка ниже систематической составляющей [12]. Таким образом, сочетание в измерительном комплексе средств яркостной и спектральной пирометрии теоретически дает возможность контроля излучательной способности неподвижных объектов с высокой точностью.

Принципиально система оптической диагностики структурообразования может быть построена на основе результатов пирометрических и рентгенографических исследований. Первые позволяют определить зависимость от температуры спектрального коэффициента излучения материала, а вторые изучить поведение его структурно-фазового состава. Цель настоящей работы заключалась в обнаружении физических явлений, влияющих на измеряемую величину спектральной излучательной  способности в процессе синтеза материалов, и оценке точности подхода пирометрической диагностики структурно-фазовых превращений.

2. Эксперимент

Экспериментальные исследования выполнялись с помощью оригинального микропирометрического комплекса (рис. 1).

Рис. 1. Экспериментальная установка (а) и крепление образца в реакторе высокотемпературного нагрева (б) (1 – микроскоп МБС-10, 2 – полосовой светофильтр в тепловизионном канале, 3 –  камера ВидеоСпринт, 4 – спектрометр LR1-T, 5 – источник тока PSH-2035, 6 – реактор высокотемпературного нагрева (РВТН), 7 – вакуумный насос, 8 – охлаждаемые проточной водой  медные электроды, 9 – закрепленный образец фольги, 10 – область визирования спектрометра)

В нем микроскоп МБС-10 (ЛЗОС, Россия) (1) служит оптической системой, которая совмещает в пространстве два измерительных канала: тепловизионный и спектральный. В тепловизионном канале установлен полосовой светофильтр SL-725-40 (PhotoОptic-Filters, Россия) (2) с центральной длиной волны 725 нм и полушириной полосы пропускания 40 нм. Регистратором здесь служит цифровая камера ВидеоСпринт (НПК «Видеоскан», Россия) (3). Микроскоп обеспечивает пространственное разрешение тепловизионной съемки 2.9 мкм, а быстродействие камеры позволяет фиксировать кадры с частотой от 2 до 250000 Гц [13]. С помощью образцовой температурной лампы ТРУ-1200-2350 выполнена калибровка тепловизионного канала на доступном множестве значений времени экспозиции, и построены таблицы соответствия дискретного уровня сигнала яркостной температуре [14]. Погрешность измерения яркостной температуры оценена на уровне 0.1 %. Спектральный канал комплекса организован с помощью цифрового спектрометра LR1-T (ASEQ Instruments, Канада) (4), соединенного оптоволокном с микроскопом. Обработка данных теплового спектра и определение температуры выполнялись на компьютере в режиме реального времени [15]. Случайная погрешность измерения спектральной температуры оценена с помощью образцовой лампы на уровне 0.07%.

Образцы для пирометрических исследований изготавливались из вольфрамовой фольги толщиной 100 мкм. Длина образца составляла 50 мм, ширина около  2 мм. Нагрев образцов выполнялся электрическим током от программируемого источника PSH-2035 (Good Will Instrument, Тайвань) (5) в оригинальном реакторе высокотемпературного нагрева (РВТН) (6). РВТН имеет цилиндрическую кварцевую стенку, которая позволяет удалять воздух с помощью вакуумного насоса (7), замещать его инертной средой (аргон) и контролировать излучение с поверхности образца.  Медные электроды (8) РВТН во время опыта охлаждались проточной водой. Область визирования спектрометра (10) имела форму круга с диаметром 230 мкм и размещалась в центре тепловизионного кадра размерами 3700 х 2970 мкм.

Экспериментальная зависимость коэффициента излучения от температуры на длине волны 725 нм строилась для общей области визирования измерительных каналов комплекса. При этом допускалось, что во время наблюдения в пределах данной области излучательная способность однородна. Дополнительно объективными и субъективными средствами детектировалось наличие процесса структурообразования в образце, и производилась его тепловизионная съемка.

Методика эксперимента включала следующие шаги. С помощью источника PSH-2035 с шагом 0.2 А изменялся ток. Мощность тепловыделения в образце определялась по фактическим данным тока и напряжения, абсолютная погрешность измерения которых составляла 0.01 ампера и вольта соответственно. После установки нового уровня тока экспериментатор отслеживал состояние поверхности образца, а напряжение на выходе источника контролировалось автоматически. Если через 5 секунд после смены уровня тока изменение мощности источника продолжалось или наблюдались структурные изменения на поверхности фольги, то запускалась длительная тепловизионная съемка с частотой от 2 до 50 Гц. В противном случае считалось, что переходные процессы в образце завершены. Тогда  в общей области визирования измерялась спектральная температура, а по данным тепловизионной съемки оценивалась яркостная температура. Спектральный коэффициент излучения рассчитывался по формуле:

Для изготовления экспериментальных образцов использовался прокат вольфрама, химический состав которого представлен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав вольфрамовой фольги

Создание аргоновой среды выполнялось в ходе четырех итераций процесса, включающего откачку газа из РВТН до давления 2 Па и заполнения ее аргоном при давлении 400 кПа. На последней итерации давление аргона устанавливалось на заданном уровне 100 кПа. В эксперименте РВТН не отключался от магистрали подачи аргона, что способствовало стабилизации давления во время нагрева образца вольфрама. Таким образом, содержание примесей кислорода и азота в среде аргона перед началом эксперимента оценивалось величиной <10^-8 мкг/г. Так  как концентрация данных элементов в самом образце на 8-10 порядков выше, то процессы химического взаимодействия образца с газовой средой не рассматривались. Более того, при анализе структурно-фазовых изменений считалось, что атомы примесей или их химические соединения, покинувшие поверхность образца, обратно не возвращается.

В ходе опыта ступенчатый нагрев образца продолжался либо до достижения верхнего предела генерации источника тока или сигнала измерительных приборов, либо прерывался специально. Во всех случаях выполнялось мгновенное отключение тока, что вело к закалке образца с сохранением микроструктуры и фазового состава последнего этапа нагрева. Все образцы подвергались только однократному нагреву. По окончанию пирометрических исследований над образцами произведен микроскопический, рентгенофазовый и микроэлементный анализ.

3. Обсуждение результатов

В результате опытов с давлением аргоновой среды 100 кПа по данным тепловизионной и спектральной съемки и формуле (1), получены зависимости, представленные на рисунке 2.

Рис. 2. Результаты пирометрических исследований вольфрамовых образцов в области с максимумом температурного поля при давлении аргоновой среды 100 кПа

На зависимости спектральной излучательной способности (спектральный коэффициент излучения) всех образцов отчетливо видны перепады, по которым были определены температуры фазовых превращений.  Кроме того, микротепловизионная съемка зафиксировала изменения структуры материала на поверхности образцов в области температур близких к фазовому переходу (рис. 3).

Рис. 3. Микротепловизионные изображения вольфрамового образца с разрешением 5.9 мкм

Для интерпретации экспериментальных зависимостей были привлечены справочные данные (в том числе таблица 2) и диаграмма фазовых состояний системы “вольфрам – кислород” (рис. 4)[16-21].

Таблица 2. Физические свойства оксидов вольфрама

В итоге возникло следующее объяснение результатов опытов. Во время эксперимента температура на концах образца за счет водяного отвода тепла от электродов не превышала 400-500 К. Максимум температурного поля образцов наблюдался примерно на их середине. В отсутствие структурно-фазовых изменений данное поле являлось стационарным. Причем с весьма высоким градиентом до 10⁵ К/м. Таким образом, были созданы хорошие условия для диффузии углерода, азота и кислорода (и других примесей) к поверхности кристаллитов вольфрама и в высокотемпературную область образца, где их растворимость больше. Следствием подобной диффузии является повышенная концентрация  примесей на межзеренных границах с образованием там оксидов, нитридов и карбидов вольфрама (и других соединений).

Рис. 4. Диаграмма фазовых состояний системы “вольфрам-кислород”

Взаимодействие вольфрама с кислородом ведет к образованию двух основных фазы: WO₂ и WO₃. При температуре выше 1000 К обе фазы начинают заметно сублимировать. Однако газовая фаза WO₂ распадается на W и WO₃. В диапазоне температур 1400 – 1550 К в кристаллической структуре WO₂ постепенно нарушается дальний порядок, что может выражаться в пластификации оксида и высвобождению кислорода как в чистом виде, так и в виде соединения с углеродом. Микротепловизионные наблюдения и “заморозка” образцов показали, что при температурах 1350 – 1550 К на поверхности вольфрамовых образцов возникают сферические и полусферические образования, подобные пузырям (рис. 5). Только парциальное давление насыщенных паров WO₃ на температуре около 1500 К по справочным данным составляет почти 50 кПа (таблица 2). Поэтому при температурах чуть меньше 1550 К в реакторе, наполненном аргоном с давлением 100 кПа, создаются неплохие условия для возникновения пузырей, наполненных паром WO₃+O₂+CO_x с пластичной оболочкой из WO₂.

Рис. 5. Полусферические образования на поверхности вольфрамовых образцов

Образование подобных пузырей согласуется с поведением излучательной способности экспериментальных образцов в диапазоне температур 1350-1500 К, где рост коэффициента излучения происходит  по логарифмическому закону от значения 0,4 до 1 (рис. 2). На образцах фольги, закаленных при максимуме температуры 1500-1750 К, обнаружено, что в областях, где локальная температура была выше, радиус кривизны пузырей и их количество на единице поверхности больше (рис. 5). Каждый пузырь может работать как полость, в которой происходит многократное отражение теплового излучения. Тоже самое можно сказать про полости между пузырями. Излучательная способность любой полости стремиться к единице с ростом количества отражений в ней. Таким образом, увеличение количества пузырей на единице поверхности должно вести к росту ее излучательной способности, что и показывают экспериментальные данные, в которых спектральный коэффициент излучения определялся как среднее значение по площадке диаметром 230 мкм.

При достижении температуры плавления WO₂ (~1500 К) на экспериментальной кривой излучательной способности наблюдается спад со значения 1 до 0,48 (рис. 2). Его можно объяснить разрушением структуры указанного оксида и исчезновением пузырей с поверхности образца. Причем на границах кристаллитов возможно резкое ускорение процесса восстановления вольфрама углеродом. Также следует отметить, что снижение коэффициента излучение не повлекло в эксперименте изменение электрической мощности, подводимой к образцу (т.е. электрическое сопротивление образцов не изменилось), но вызвало резкий рост (на 450-470 градусов) спектральной (термодинамической) температуры (рис. 2), которая практически достигала уровня закипания оксидов вольфрама. Таким образом, фактически плавление WO₂ инициировало структурно-фазовые превращения, в результате которых с поверхности образца исчезли оксиды, а ее излучательная способность с погрешность 4% стала равна справочному значению для чистого вольфрама. Высокую вероятность реализации подобного сценария подтверждает рентгенофазовый анализ образцов, которые в эксперименте находились при температуре выше 2000 К. На их дифрактограммах обнаруживаются только линии нитрида вольфрама с гексагональной решеткой, но отсутствуют  явные признаки оксидов и карбидов (рис. 6).

Рис. 6. Дифрактограмма вольфрамового образца после эксперимента с P_Ar=100 кПа и T_min=2050К

На графиках спектральной и яркостной температуры (рис. 2) при наблюдается небольшой излом. Однако излучательная способности образцов здесь остается неизменной. Данная температура хорошо совпадает с температурой диссоциации нитрида вольфрама. Причем азот может оставаться в вольфраме в виде твердого раствора внедрения вплоть до температуры около 2400 К, когда его тепловая энергия сравнивается с работой выхода из металла. Таким образом,  после разрушения нитридов вольфрама концентрация азота в вольфраме останется на прежнем уровне, что объясняет постоянство излучательной способности. Но происходит увеличение теплоемкости, которое вызывает уменьшение температуры.

В диапазоне температур 2150 – 2400 К наблюдается снижение излучательной способности нагретых образцов до значения 0,27. Затем вплоть до температуры 2450 К излучательная способность возвращается к уровню 0,48, а температура падает на 150 градусов (рис. 2). В основе такого поведения может лежать процесс диффузии азота в вольфраме после разрушения нитридных связей, приводящий к концентрации его атомов в межзеренных границах (в том числе на поверхности образца).  По достижении температурного предела существования твердого раствора азот улетучивается с поверхности вольфрама и происходит восстановление излучательной способности металла, которое влечет снижение температуры при условии постоянства мощности тепловыделения в образце.

4. Выводы

Оптический контроль излучательной способности вольфрамовых образцов позволил: идентифицировать температуру плавления WO₂, температуру кипения оксидов вольфрама, температуру диссоциации нитридов вольфрама и температуру, при которой атомы азота покидают вольфрам; выявить на поверхности материала возникновение и разрушение макроструктур (полусферические образования). Оригинальное объяснение механизмов структурообразования в экспериментальных образцах стоит воспринимать на уровне рабочей гипотезы, для повышения достоверности которой необходимо провести более тщательные структурные исследования. Однако выполненные эксперименты показали, что чувствительности средств яркостной и спектральной пирометрии достаточно, чтобы с погрешностью 1-3% оценивать температуры фазовых переходов и выявлять структурные изменения в веществе как на микро-, так и на макромасштабе.  С точки зрения диагностики фазовых превращений влияние макроструктур на коэффициент излучения является отрицательным моментом, так как оно вносит искажения или маскирует зависимость этого оптического свойства от микроструктуры материала. В таком случае помогает тепловизионная съемка, по которой можно обнаружить появление макроструктур на поверхности материала. Кроме того, большое увеличение в микротепловизионной съемке позволит контролировать локальные значения коэффициента излучения и использовать селективный подход для устранения влияния поверхностных макроструктур на пирометрическую диагностику фазовых переходов. В области температур фазовых переходов от 1500 до 6000 К пространственное разрешение оптических тепловизионных систем может составлять от 10 до 1 мкм соответственно.  Особенно важным здесь является возможность регистрировать динамику процесса с временным разрешением от 10 мс до 10 мкс. Это позволяет средствами пирометрической диагностики вести наблюдение структурообразования в быстропротекающих процессах.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 15-48-00100).

Что касаемо самочувствие человека, то риск заболеваний повышается в зимние месяцы вместе с заметным снижением водяных паров в воздухе. Так в нашем общежитии простудными заболеваниями в зимний период переболело 43% всех проживающих в нем. Нас сложившаяся ситуация обеспокоила. А так как, более 80% суточного времени студенты проводят в стенах общежития, то возник вопрос: нет ли в общежитии благоприятных условий для распространения вирусных инфекций.

Из беседы с врачами местной поликлиники, а также с уроков биологии известно, что вирус гриппа передается воздушно – капельным путем. Если брать сухой, теплый и неподвижный воздух, то вирусы могут часами оставаться активными. А вот в прохладном, влажном и движущемся воздухе сразу разрушаются. Поэтому многие врачи рекомендуют прогулки на улице, так как подхватит “заразу” в таких условиях сложнее. Доказано, что вирусная инфекция может передаваться между людьми. Ученые из США опубликовали своё исследование в журнале «The Proceedings of the National Academy of Sciences». Они уверены, что жизнь вируса зависит от влажности воздуха. Больше вероятности, что человек заболеет в зимние месяцы, когда воздух сухой.

Опыты американских ученых показали, что высыхание органов дыхания происходит от низкой влажности, она влечет за собой грипп и простуду. Повышенная влажность вызывается множество негативных явлений в нашем организме, нарушается теплообмен с внешней средой, тело человека нагревается. Отсюда следует, что риск заболевания зависит от состояния микроклимата окружающей среды.

Изменение температуры воспринимается человеком как раздражители на тепло и холод. При небольших отклонениях от положенной температуры механизм автоматической терморегуляции организма остается эффективным.  При весомых отклонениях происходит нарушение обмена веществ, а также идет сбой в работе нервной и сердечно – сосудистой системы. Отклонение от нормальных условий способно серьезно повлиять на утомляемость, сон, иммунитет и состояние кожи.

Опасны последствия избыточной и недостаточной влажности. Оптимальные показатели влажности для человека 40-60%. Пониженная и повышенная влажность – благоприятная среда для размножения бактерий и грибков. Значительное сдерживание вируса происходит при 50-70%. [2]

Рисунок 1. Влияние влажности на качество воздуха

Значит для полноценной жизнедеятельности необходимо поддерживать температуру и влажность, а какая она в общежитии, мы решили выяснить сами. В течении одной недели снимали показатели термометра. Обобщая результаты измерений и сравнивая их между собой, мы выяснили, что возникают предпосылки для распространения вируса. [1]

Нами были разработаны рекомендации для предотвращения заболеваний. В комнатах с повышенной температурой и пониженной влажностью посоветовали чаще проветривать помещение, проводить влажную уборку, выращивать цветы, а для повышения температуры закрыть все щели в оконных проемах.

В заключении хотелось бы отметить, что наше здоровье находится только в наших руках. Мы должны контролировать все, что происходит вокруг. При возможности заботиться и следить за своим самочувствием.