Определение возможности модернизации системы на основе дугового плазмотрона для газотермического напыления керамических материалов, с использованием топливного вихревого интенсификатора. Часть I: Термодинамическое моделирование параметров эффективности системы

Одно из перспективных направлений в технологиях газотермического, в том числе плазменного, напыления функциональных керамических покрытий, – это разработка новых их вариантов, с применением ввода в теплоноситель недорогих смесей промышленных углеводородов с окислителем для снижения энергоемкости процесса. Такую плазменно-топливную разновидность наиболее перспективно использовать для получения тугоплавких функциональных покрытий. Для этой цели нами рассмотрена возможность модернизации промышленной системы для напыления керамических порошковых материалов на основе дугового плазмотрона на 25–40 кВт путем использования пробного варианта топливного газо-вихревого интенсификатора. При этом был проведен термодинамический анализ систем C–H–O–N–Ar–Me (Me = Al, Cr) и C–H–O–Al с целью моделирования возможных параметров генерируемой высокотемпературной струи после плазмотрона с данным интенсификатором для определения применимости такой системы для формирования оксидных и карбидных покрытий (на примере нескольких порошковых материалов, в том числе Al₂O₃, Cr₃C₂). Изученные нами новые режимы-имитаторы напыления оксида алюминия по расчетным параметрам энергоэффективности на 10–20 % превосходят как традиционный способ нагрева порошков при напылении (в N2-плазме), так и современный, разработанный в ряде исследований способ напыления в условиях смесевой (СO₂+СH₄)-плазмы. Показано, что предложенный вариант для модернизации процесса напыления с использованием промышленного пропан-бутанового топлива (сжиженного газа) позволяет в термодинамически равновесных условиях получить небольшое преимущество, по сравнению с традиционным плазменным напылением, при нагреве и плавлении керамических материалов (в особенности, Al2O3) по таким параметрам, как удельные энергозатраты и энергетические КПД процесса. Также установлено, что для расчетных случаев систем с оксидноалюминиевым и с карбиднохромовым порошками (сырьем) потенциально возможная производительность процесса по нагреваемым до плавления порошкам составляет соответственно 17 и 28 кг/ч при общих удельных энергозатратах EC не выше, чем 1,8 и 1,0 кВтч/(кг продукта) и при требуемой мощности плазмотрона l 28,2 и l 22,3 кВт для нагрева этих двух вариантов сырьевых порошков.