Производство и применение аргона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аргон занимает третье место по содержанию в воздухе (после азота и кислорода), на него приходятся примерно 1,3% массы и 0,9% объема атмосферы Земли.

В промышленности основной способ получения аргона - метод низкотемпературной ректификации воздуха с получением кислорода и азота и попутным извлечением аргона. Также аргон получают в качестве побочного продукта при получении аммиака.

Газообразный аргон хранится и транспортируется в стальных баллонах (по ГОСТ 949-73). Баллон с чистым аргоном окрашен в серый цвет, с надписью «Аргон чистый» зеленого цвета.

Как добывают аргон

аргон газ сварка ректификация

Земная атмосфера содержит 66*1013 тонн аргона. Этот источник газа неисчерпаем. Тем более что практически весь аргон рано или поздно возвращается в атмосферу, поскольку при использовании он не претерпевает никаких физических или химических изменений. Исключение составляют весьма незначительные количества изотопов аргона, расходуемые на получение в ядерных реакциях новых элементов и изотопов.

Получают аргон как побочный продукт при разделении воздуха на кислород и азот. Обычно используют воздухоразделительные аппараты двукратной ректификации, состоящие из нижней колонны высокого давления (предварительное разделение), верхней колонны низкого давления и промежуточного конденсатора-испарителя. В конечном счете азот отводится сверху, а кислород -- из пространства над конденсатором.

Летучесть аргона больше, чем кислорода, но меньше, чем азота. Поэтому аргонную фракцию отбирают в точке, находящейся примерно на трети высоты верхней колонны, и отводят в специальную колонну. Состав аргонной фракции: 10-12% аргона, до 0,5% азота, остальное -- кислород. В «аргонной» колонне, присоединенной к основному аппарату, получают аргон с примесью 3--10% кислорода и 3-5% азота. Дальше следует очистка «сырого» аргона от кислорода (химическим путем или адсорбцией) и от азота (ректификацией). В промышленных масштабах ныне получают аргон до 99,99%-ой чистоты. Аргон извлекают также из отходов аммиачного производства -- из азота, оставшегося после того, как большую его часть связали водородом.

Нужный в хозяйстве «лентяй»

Как самый доступный и относительно дешевый инертный газ аргон стал продуктом массового производства, особенно в последние десятилетия.

Первоначально главным потребителем элемента №18 была электровакуумная техника. И сейчас подавляющее большинство ламп накаливания (миллиарды штук в год) заполняют смесью аргона (86%) и азота (14%). Переход с чистого азота на эту смесь повысил светоотдачу ламп. Поскольку в аргоне удачно сочетаются значительная плотность с малой теплопроводностью, металл нити накаливания испаряется в таких лампах медленнее, передача тепла от нити к колбе в них меньше. Используется аргон и в современных люминесцентных лампах для облегчения зажигания, лучшей передачи тока и предохранения катодов от разрушения.

Однако в последние десятилетия наибольшая часть получаемого аргона идет не в лампочки, а в металлургию, металлообработку и некоторые смежные с ними отрасли промышленности. В среде аргона ведут процессы, при которых нужно исключить контакт расплавленного металла с кислородом, азотом, углекислотой и влагой воздуха. Аргонная среда используется при горячей обработке титана, тантала, ниобия, бериллия, циркония, гафния, вольфрама, урана, тория, а также щелочных металлов. В атмосфере аргона обрабатывают плутоний, получают некоторые соединения хрома, титана, ванадия и других элементов (сильные восстановители).

Уже существуют металлургические цеха объемом в несколько тысяч кубометров с атмосферой, состоящей из аргона высокой чистоты. В этих цехах работают в изолирующих костюмах, а дышат подаваемым через шланги воздухом (выдыхаемый воздух отводится также через шланги); запасные дыхательные аппараты закреплены на спинах работающих.

Защитные функции выполняет аргон и при выращивании монокристаллов (полупроводников, сегнетоэлектриков), а также при производстве твердосплавных инструментов. Продувкой аргона через жидкую сталь из нее удаляют газовые включения. Это улучшает свойства металла.

Все шире применяется дуговая электросварка в среде аргона. В аргонной струе можно сваривать тонкостенные изделия и металлы, которые прежде считались трудносвариваемыми.

Не будет преувеличением сказать, что электрическая дуга в аргонной атмосфере внесла переворот в технику резки металлов. Процесс намного ускорился, появилась возможность резать толстые листы самых тугоплавких металлов. Продуваемый вдоль столба дуги аргон (в смеси с водородом) предохраняет кромки разреза и вольфрамовый электрод от образования окисных, нитридных и иных пленок. Одновременно он сжимает и концентрирует дугу на малой поверхности, отчего температура в зоне резки достигает 4000-6000°С. К тому же эта газовая струя выдувает продукты резки. При сварке в аргонной струе нет надобности во флюсах и электродных покрытиях, а стало быть, и в зачистке шва от шлака и остатков флюса.

Стремление использовать свойства и возможности сверхчистых материалов -- одна из тенденций современной техники. Для сверхчистоты нужны инертные защитные среды, разумеется, тоже чистые; аргон -- самый дешевый и доступный из благородных газов. Поэтому его производство и потребление росло, растет и будет расти.

Сварка неплавящимся электродом в защитных газах. (Аргонная сварка)

Принципы процесса, характеристики дуги

При сварке плавлением в защитных газах в качестве основного инструмента применя ется мощная электрическая дуга. В дуге электрическая энергия преобразуется в тепловую, плотность которой достаточна для локального плавления основного металла. В условиях атмосферы (21 % О2+78 % N2) зона сварки должна надежно защищаться от насыщения металла шва кислородом и азотом воздуха, которые, как правило, ухудшают его свойства. За щитные газы, подаваемые через сопло, вытесняют воздух и таким образом защищают сва рочную ванну и электрод. Для заполнения зазора между соединяемыми кромками деталей или разделки кромок и регулирования состава металла шва в зону плавления подают при садочный металл или электродную проволоку. Принцип дуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом в защитном газе показан на (рис. 3).

Аргонная сварка преимущественно производится вольфрамовым электродом в инертном газе Ar (TIG) и реже в Не, в активных газах N2 и Н2 или в СО2 угольным электродом. Сварка может выполняться без присадки (ИН) или с присадкой (ИНп) из сплошной и несплошной порошковой или активированной проволок. В зависимости от рода тока, вида дуг, их количества и внешних воздействий на неё можно выделить способы сварки: на постоянном, импульсном или переменном токе, дугой прямого, косвенного и комбинированного действия; поверхностной, по груженной и проникающей дугой; свободной и сжатой; без воздействия внешнего магнитного поля и в магнитном поле; с колебаниями дуги и без них; при пониженном давлении (в вакууме) и при повышенном; одно- и многодуговую и др.

Основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений из сталей, а также сплавов на железоникелевой и никелевой основах, выполняемых дуговой сваркой в защитном газе указаны в ГОСТ 14771

В зависимости от уровня механизации и автоматизации процесса различают сварку:

- ручную, при которой все перемещения горелки выполняются вручную;

- механизированную, при которой перемещения горелки выполняются вручную, а подача проволоки механизирована (ограниченно для TIG);

- автоматизированную, при которой все перемещения горелки и подача проволоки механи зированы, а управление процессом сварки выполняется оператором-сварщиком;

- автоматическую (роботизированную), при которой управление процессом сварки выпол няется без непосредственного участия оператора-сварщика.

Аргоновый лазер -- непрерывный газовый лазер, который способен излучать свет в различных длинах волн синего и зелёного диапазонов. Есть возможность переключать длины волн, всего их порядка 14.

Лампа накаливания - это герметично запаянная стеклянная колба с металлическим цоколем, в которой помещена стеклянная ножка с закрепленной на ней спиралью из тугоплавкого металла, чаще всего вольфрама. Внутри колбы находится инертный газ, имеющий давление больше атмосферного. Это делается для того, чтобы раскаленный металл медленнее испарялся с поверхности спирали, и она не перегорала слишком быстро. Кроме этого, таким приемом добиваются повышения температуры накала нити, и более яркого света.

Принцип работы лампочки прост. Через контактные поверхности цоколя и проводники внутри ножки на спираль поступает электрический ток. Он нагревает спираль до температуры около 3000°С, заставляя ее испускать световые лучи.

Плазменный шар - одно из изобретений Николы Тесла - самое красивое проявление плазмы.

Плазменный шар представляет герметично запаянный сосуд (желательно прозрачный :)), наполненный разряженным инертным газом и с помещенным внутрь электродом (иногда изолированным). На электрод подается высокое напряжение при высокой частоте. Типичное напряжение на электроде - около 10 000 вольт. Существует два способа менять цвет полученной плазмы: либо менять напряжение, либо менять давление в шаре.

В пищевой промышленности аргон зарегистрирован в качестве пищевой добавки E938, в качестве пропеллента и упаковочного газа.

В медицине во время операций для очистки воздуха и разрезов, так как аргон почти не образует химических соединений.

Размещено на Allbest.ru