История электротехники

В начале 60-х годов проводились опытные работы по промышленному применению нагрева на сверхвысоких частотах, в частности для разрушения горных пород (США, Япония) и получения плазменного факела (США, ФРГ). У нас в стране работы по измельчению твердых горных пород проводил в 60-х годах Институт горного дела имени А.А. Скачинского, но из-за экономических показателей этот способ оказался неконкурентоспособным.

В конце 80-х годов фирма «Линн» (Австрия) разработала высокотемпературную СВЧ-установку для спекания оксидов (температура до 2000 °С), в которой использованы футеровка и водоохлаждение резонатора.

В последние годы в нашей стране выпускается ряд промышленных СВЧ-установок для диэлектрического нагрева мощностью 0,5–60 кВт. 

7.7.5. ПЛАЗМЕННЫЙ НАГРЕВ

Начальный период. Начало работ по плазменному нагреву относится к 20-м годам XX в. Сам термин «плазма» ввел И. Ленгмюр (США), а понятие «квазинейтральная» — В. Шоттки (Германия). В 1922 г. X. Гердиен и А. Лотц (Германия) провели опыты с плазмой, полученной при интенсивном охлаждении электрической дуги путем применения металлической диафрагмы и тангенциальной подачи воды. Затем в течение ряда лет проводились исследования физических свойств электрической дуги и плазмы, и только в 50-х годах начались разработки промышленных плазмотронов и плазменных технологических процессов.

Дуговые плазмотроны. В 1954 г. Т. Петерс (США) создал плазмотрон, представляющий собой камеру, в которой дуга горит в парах воды при давлении до 500 МПа (рис. 7.9). На выходе из сопла получены высокие сверхзвуковые скорости плазмы.

Фирмы США («Линде», «Плазмадин») с 1955 г. стали применять плазмотроны для нанесения покрытий (алюминий, вольфрам), а также для резки и сварки металлов.

В СССР развитие плазменного нагрева началось в конце 50-х — начале 60-х годов. Под руководством М.Я. Смелянского работы по применению плазменного нагрева велись на кафедре электротермических установок МЭИ. Во ВНИИ-ЭТО (Н.И. Бортничук, В.А. Хотин) в 1961 г. была запущена первая плазменная печь — стенд мощностью 30 кВт, а затем была создана лабораторная плазменная печь для плавки сталей и тугоплавких металлов (1965 г.). В 1970 г. пущена в эксплуатацию плазменная печь для плавки стали в керамическом тигле емкостью 3,5 т (г. Челябинск) и созданы дуговые плазмотроны и источники питания для плавильных печей на токи 1, 3 и 6 кА.

Исследования по промышленному применению плазменного нагрева велись в Институте металлургии АН СССР (Н.Н. Рыкалин, А.В. Николаев), Институте тепло- и массообмена АН БССР (О.И. Ясько), Московском авиационном институте (И.С. Паневин), Институте нефтехимического синтеза и неорганической химии АН СССР (Л.С. Полак) и ряде других организаций.

Особенно необходимо выделить Институт магнитогидродинамики Сибирского отделения АН СССР, где под руководством М.Ф. Жукова была создана научная школа по изучению и применению плазмы (М.С. Даутов, А.С. Аньшаков и др.); разрабатывалась теория и проводились экспериментальные исследования плазмотронов; были разработаны различные конструкции плазмотронов: с осевой стабилизацией дуги, двусторонним истечением плазмы, с вращением дуги в магнитном поле и т.д.

В 60-х годах фирма «Линде» (США) разработала конструкцию плазменно-дуговой сталеплавильной печи с керамическим тиглем и тремя плазмотронами. Подобные установки разрабатывали также фирмы Англии, Японии и ГДР.

В СССР разработки плавильных плазменных печей вел ВНИИЭТО: 1977–1979 гг. в ГДР была введена в эксплуатацию крупнейшая в мире печь емкостью 30–45 т и мощностью 20 МВт с четырьмя плазмотронами постоянного тока для плавки сталей и сплавов (изготовлена на Новосибирском ЗЭТО); 1979 г. — пуск печи емкостью 12 т на Челябинском металлургическом заводе.

Фирма «Дайдо Стил» (Япония, 1969 г.) ввела в эксплуатацию индукционно-плазменную печь емкостью 500 кг, общей мощностью около 400 кВт, из которых 200 кВт за счет индуктора и 200 кВт — плазмотрона постоянного тока с использованием аргона. В нашей стране индукционно-плазменные печи разрабатывал ВНИИЭТО. Основная энергия в металл передается индукционным методом. Плазмотрон позволяет интенсифицировать процесс расплавления шихты, а при рафинировании расплавленного металла подогревать шлак.

В начале 70-х годов в разных странах (Япония, СССР и др.) стали разрабатываться плазмотроны с полым катодом, работающие при давлениях 1–100 Па. По сравнению с электронно-лучевыми установками в них снижается испарение металла и легирующих добавок. Фирма «Ульвак» (Япония) создала плазменную вакуумную установку мощностью 2400 кВт для переплава титановой губки и титановых отходов. Установки такого типа разрабатывались также у нас во ВНИИЭТО и МЭИ.

В начале 70-х годов работали промышленные установки для крекинга метана мощностью 6–8 МВт (фирма «Хюльс», ФРГ) и 25 МВт («Вестингауз», США).

Шведская фирма «СКФ стил дивизион» в конце 70-х годов разработала новые плазменные процессы прямого восстановления железа, получения чугуна при усовершенствованной доменной плавке и извлечения металлов из улавливаемой пыли прокатного производства.

Сверхвысокочастотные (СВЧ) плазмотроны. В начале 70-х годов СВЧ-установки для нагрева газов серийно выпускались в США, Великобритании и Франции. Подобные установки были созданы и в СССР. В установке «Фиалка» СВЧ-разряд горел в кварцевой трубке диаметром 50 мм. Технические данные: рабочие газы — аргон, азот, воздух, температура 4000–6000 К, мощность до 5 кВт, частота 2375 МГц. 

7.1.6. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ НАГРЕВ

Начальный период. Техника электронно-лучевого нагрева (плавка и рафинирование металлов, размерная обработка, сварка, термообработка, нанесение покрытий испарением, декоративная обработка поверхности) создана на основе достижений физики, электроники, электронной оптики и вакуумной техники.

После открытия электрона и измерения отношения его заряда к массе началось широкое изучение свойств электронных потоков, их получения и взаимодействия с электрическими и магнитными полями. Электронный микроскоп был создан трудами ряда ученых, в том числе Н. Руска, М. фон Арденна (Германия), В.К. Зворыкина (США) в 20–30-х годах. В нем применялись электронные пушки небольшой мощности с малыми токами и большими разгоняющими напряжениями. Тогда же были разработаны электростатические и магнитные системы управления электронным лучом.

Идея создания установки электронно-лучевого нагрева появилась еще в начале XX в., и в 1905 г. М. фон Пирани получил патент Германии на использование электронного луча как источника нагрева. Однако для технологического использования требовались более мощные электронные пушки, создание которых связано с различными конструктивными трудностями, а также были необходимы исследования взаимодействия электронного луча и материала обрабатываемого изделия.

Первые электронно-лучевые установки (ЭЛУ) для плавки ниобия и тантала были созданы в 50-х годах. С 1960 г. ЭЛУ стали использоваться для нанесения покрытий, а затем и для обработки поверхности и размерной обработки, с 1970 г. — для нетермической микрообработки и химической обработки полимеров.

Электронные пушки. Электронно-лучевые установки с кольцевыми катодами вначале получили широкое распространение, в частности в США, благодаря простоте конструкции, в которой катод расположен прямо в рабочей камере. Однако из-за невозможности сохранения высокого вакуума при плавке и возникновения электрических пробоев такая конструкция оказалась ненадежной, и поэтому стали разрабатываться конструкции электронных пушек со своей вакуумной системой.