История электротехники - Коллектив авторов

6.55. Шателен М.А. Русские электротехники. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1950.

6.56. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981.

6.57. Фокс Г. Практика электрического привода: Пер. с англ. / Под ред. В.Н. Попова. М — Л.: НТИ — КУБУЧ, 1934.

6.58. Голован А.Т. Электропривод (очерки по истории энергетической техники СССР). М.-Л.: Госэнергоиздат, 1955.

6.59. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. 4-е изд. М.-Л.: Энергия, 1966.

Глава 7.

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Начало развития электротехнологии принято отсчитывать от работ академика В.В. Петрова, который впервые исследовал электрическую дугу и указал на ее возможные области применения — для нагрева, плавки и восстановления из окислов металлов, а также для электролиза воды.

В XIX в. начались разработки электротехнологических установок различного назначения как чисто исследовательских, так и имеющих промышленное применение. Это работы таких ученых как М. Депре (Франция, 1849 г.) — печь сопротивления и дуговая печь, Пишон (Франция, 1853 г.) — дуговая печь косвенного действия для металлургии, В. Сименс (Англия, 1879 г.) — дуговые печи прямого и косвенного действия, О. Хэвисайд (Англия, 1884 г.), Н.Г. Славянов (Россия, 1888 г.) — дуговая электросварка, С.Томпсон (Англия, 1891 г.), Ивинг (Англия, 1892 г.), С. Ферранти (Италия, 1887 г.) — теория и практика индукционного нагрева и плавки.

Сильный импульс для развития электротехнологии дали многочисленные работы по получению алюминия, в ходе которых разрабатывались различные типы электротехнологических установок (ЭТУ): гарниссажная печь Ч.С. Брадли (США, 1883 г.), резистивные рудо-восстановительные печи прямого нагрева братьев А. и Е. Коулесс (США, 1884 г.), электролизные ванны П.Л.Т. Эру (Франция, 1886 г.) и Ч.М. Холл (США, 1886 г.). Однако эффективное развитие и применение ЭТУ стало возможным лишь с переходом от химических источников питания к источникам питания, основанным на законе электромагнитной индукции, т. е. с созданием мощных генераторов и увеличением производства электроэнергии (конец XIX — начало XX в.). С этого времени начали развиваться различные виды ЭТУ для осуществления разнообразных технологических процессов, в частности для получения и обработки качественных сталей, цветных и тугоплавких металлов, полупроводников, пластмасс и других материалов. На создание ЭТУ сильное влияние оказали развитие автомобилестроения, особенно в США, а позднее авиа- и ракетостроения, атомной промышленности и т.д.

Принято разделять электротехнологические процессы и соответствующие им ЭТУ на следующие классы:

электротермические процессы и установки (электрическая энергия преобразуется в теплоту, использующуюся в технологических процессах);

электросварочные процессы и оборудование (используется практически все тот же принцип нагрева, что и в электротермических установках);

электрофизические процессы и установки (использование различных физических эффектов для механической обработки, разделения и улавливания частиц и т. п.);

электрохимические процессы и установки (для получения различных веществ, размерной обработки, гальванотехники и электролиза);

Электротермические установки используют различные физические механизмы преобразования электрической энергии в тепловую. Соответственно выделяются следующие виды нагрева:

резистивный;

электродуговой;

индукционный (нагрев проводников в электромагнитном поле);

диэлектрический (нагрев диэлектриков в электромагнитном поле);

плазменный (нагрев потоком плазмы — ионизированного газа);

электронно-лучевой;

фотонный (нагрев с использованием лазера — лазерный).

Отметим, что если первые три вида нагрева известны с XIX в., а диэлектрический нагрев стали применять с 30-х годов XX в., то начало развития электронно-лучевого, плазменного и лазерного нагрева относится уже к 50–60-м годам XX в.

Историю развития электротехнологии целесообразно рассматривать в соответствии с приведенной классификацией.

По истории электротехнологии ранее опубликован ряд специальных работ, кроме того, в некоторых учебниках и монографиях по электротехнологии и электротермии имеются разделы, посвященные вопросам истории.

Авторы при написании данной главы использовали работы, целиком посвященные истории электротехнологии или имеющие соответствующие главы [7.1–7.23], а также оригинальные научные публикации и патенты.

7.1. ЭЛЕКТРОТЕРМИЯ

7.1.1. РЕЗИСТИВНЫЙ НАГРЕВ

Начальный период. Первые эксперименты по нагреву проводников электрическим током относятся к XVIII в. В 1749 г. Б. Франклин (США) при исследовании разряда лейденской банки обнаружил нагрев и расплавление металлических проволочек, а позднее по его указанию Дж. Пристли (1766 г.), почетный член Петербургской академии наук, изучал нагрев различных металлов и отметил различия в их проводимости.

Нагрев проводников исследовали Л. Тенар (Франция, 1801 г.), В. В. Петров (1802 г.) и X. Дэви (Англия, 1807 г.). Используя вольтов столб, Дж.Г. Чилдрен (Англия, 1815 г.) осуществил нагрев и расплавление различных металлов. Несколько ранее Пепи (Англия) поставил эксперименты по нагреву алмазной пыли в разрезе железной проволоки, которая раскалялась при протекании электрического тока докрасна. Через некоторое время алмазная пыль исчезала, а железо превращалось в сталь. Это устройство можно считать первой электропечью сопротивления косвенного действия. Р. Хар (Англия, 1839 г.) предложил вакуумную печь сопротивления с использованием воздушного насоса. Важный для расчета установок резистивного нагрева закон выделения энергии в проводнике при протекании тока открыли Дж.П. Джоуль (1841 г.) и Э.Х. Ленц (1844 г.).

В 1849 г. М. Депре изготовил лабораторную печь с угольным нагревателем в виде трубки длиной 23 мм. Г.Б. Симпсон получил американский патент (1859 г.) на нагревательное устройство с нагревателем в виде спирали, расположенным в углублениях изолирующей подложки.

Первые применения резистивного нагрева в медицине:

Штейнхель и Хейдер (Австрия, 1845 г.) использовали электрический нагрев для умерщвления зубного нерва;

Миддельдорпф (Германия, 1854 г.) применил электронагрев в хирургии.

Увеличение производства электроэнергии в конце XIX в. позволило создавать крупные электропечи сопротивления.

В 1886–1888 гг. братья Коулесс создали печь прямого нагрева для получения алюминия из глинозема (одновременно с расплавлением шел электролиз). Ток проходил между электродами через слой шихты (мощность 300 кВт, напряжение 60 В, ток до 6000 А). В те же годы П.Л.Т. Эру изготовил печь для получения алюминиевой бронзы с проводящим тиглем и электродом сверху. Сначала расплавлялась медь, затем загружался глинозем, и шел электролиз. Ток протекал от электрода к корпусу (угольная футеровка) через шихту. Одновременно Ч.М. Холл создал подобную печь. Эти печи существенно снизили стоимость получения алюминия.

В. Борхерс (Германия, 1891 г.) создал опытную печь для восстановления оксидов с угольным нагревателем.

Е.А. Ачесон (США, 1892 г.) получил патент на печь для нагрева смеси песка, кокса и других материалов. При нагреве эта смесь превращается в огнеупор — карборунд (карбид кремния). При мощности печи 746 кВт за 36 ч получено 3150 кг карборунда. Такая же конструкция печи использована этим же ученым для получения графита из угля.

B. Нернст (Германия, 1901 г.) разработал лабораторную печь в виде алундовой трубы с намотанным на нее проволочным нагревателем из иридиевой платины мощностью 2,5 кВт с температурой 1450 °С. Эта печь была изготовлена фирмой «Хереус» (Германия), которая затем стала выпускать широкую номенклатуру подобных печей с муфелем и нагревателями из платиновой фольги.

В 1904 г. Эгли (Германия) изобрел простой способ получения изделий любой формы из силита (карбида кремния) — материала для нагревателей.

B.C. Арсем (США, 1906 г.) создал вакуумную плавильную печь с температурой 2000 °С с графитовым нагревателем. Фирма «Дженерал электрик» стала изготавливать с 1912 г. такие печи мощностью 15–60 кВт.

C. Аббот (США, 1921 г.) получил патент на конструкцию и технологию производства теплоэлектронагревателей (ТЭНов) (фирма «Дженерал электрик», начало работ 1913 г.)

Простота и большое число возможных конструктивных вариантов реализации резистивного нагрева содействовали широкому применению резистивных установок.

Промышленные печи сопротивления. В 1901 г. В.П. Ижевский изготовил первую в мире плавильную электропечь сопротивления (рис. 7.1). В качестве нагревателя использована разогретая магнезитовая или динасовая футеровка. В конструкции применены технически интересные решения (стальной кожух в виде барабана, установленный на катках, вращение печи, подвод тока через коллектор), которые позднее использовались при создании печей. Опытная печь была установлена в Киевском политехническом институте, а промышленная печь емкостью 100 кг для плавки цветных металлов была пущена на заводе в г. Екатеринославе.