История электротехники - Коллектив авторов

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.

Принципы создания электронной пушки для плавки или сварки были разработаны только в 1940 г. (Дж.Р. Пирц, США).

В СССР в конце 50-х годов работы по ЗЛУ начали вести несколько организаций: кафедра ЭТУ МЭИ (М.Я. Смелянский, Л.Г. Ткачев), ВЭИ (В.И. Переводчиков), ВНИИЭТО (В.А. Хотин), ИЭС им. Е.О. Патона АН УССР (Б.А. Мовчан), Всесоюзный институт легких сплавов — ВИЛС (А.Ф. Белов, И.А. Кононов), Государственный институт редких металлов — Гиредмет, Всесоюзный институт авиационных моторов — ВИАМ и др.

В МЭИ в 1959 г. был создан стенд с пушкой мощностью до 60 кВт, а позднее ЭЛУ мощностью 500 кВт. В 1961 г. по ВНИИЭТО изготовлена первая электронно-лучевая печь-стенд мощностью 200 кВт. Плосколучевые пушки мощностью 20–300 кВт при ускоряющем напряжении 15–20 кВ созданы ИЭС (рис. 7.10). Серию промышленных электронных пушек на мощности 60–500 кВт разработал ВЭИ.

За рубежом подобные пушки применяли фирмы «Гереус» (ФРГ) и «Штауффер темескал» (США). Мощные аксиальные электронные пушки (до 1200 кВт при напряжении 35 кВ) были созданы М. фон Арденне в ГДР.

Испарение и нанесение покрытий. Первый агрегат непрерывного алюминирования стали с использованием ЭЛУ вместо электролитического лужения был построен в США в 1965 г.

Для испарения материала (алюминий, цирконий, сталь, различные сплавы и др.) созданы специальные электронно-лучевые испарители. Промышленный испаритель подобного типа был установлен в ГДР в 1971 г. на основе разработки М. фон Арденне. На стальную ленту шириной 400 мм наносилось двустороннее покрытие алюминием толщиной 2 мкм на сторону при скорости движения ленты до 3 м/с.

Агрегаты такого типа разрабатывала также фирма «Лейбольд — Хереус» (ФРГ): общая мощность электронно-лучевых пушек 1500 кВт, испарителя 1500 кВт, ширина ленты 1000 мм, скорость ее движения до 5 м/с. Фирма «ЮС Стил» (США) изготавливала установки для ленты шириной до 1250 мм при скорости до 7,5 м/с.

В СССР практически одновременно использовались аналогичные агрегаты, разработанные ВНИИ металлургического машиностроения (ВНИИметмаш), СКБ вакуумных покрытий при Госплане Латвийской ССР, ИЭС. В них были использованы пушки аксиального и плосколучевого типа с поворотом луча магнитной системой на 90–270°.